基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法及系统

本发明涉及储能电池安全监测技术，具体涉及一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法及系统。

背景技术：

1、随着储能锂电池大量投入储能产业工作中，其引发的储能电站火灾、爆炸事故常有发生，威胁着站内工作人员与站内财产的安全，安全性是实现储能电池规模化推广应用的先决条件。在实际应用中，锂离子电池热失控导致的安全问题最为严重，在实际应用中，锂离子电池在遭遇机械滥用、电滥用和热滥用时，电池材料受到破坏产生异常发热现象，热量的不断积聚加剧内部放热化学反应的进行，形成正反馈，最终造成热失控。热失控过程中释放大量的热量和可燃性气体，当可燃性气体密度达到一定浓度时，在高温带电的条件下会发生爆炸，严重影响储能电站的安全稳定运行。目前，一般通过监测电池内部温度与电池产生气体含量分析对电池进行监控，这些手段预警时间几乎与热失控同时发生，工作人员很难及时采取安全措施阻止热失控的发生。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法及系统，本发明旨在实现对电池工作状态下泄压阀打开事件的判断，能够预警热失控等故障事件，使安全人员提前采取措施，避免因电池故障对公众的生命安全与财产损失造成威胁。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，包括：

4、s101，获取目标储能电池的声音信号；

5、s102，若声音信号的声压级超过预设的声压级阈值、声音信号的幅值包络线斜率超过预设的斜率预警阈值，且声音信号选定的频率段能量为依次递减关系，则判定目标储能电池发生热失控前反应气体导致的电池泄压阀打开事件并发出预警信号。

6、可选地，步骤s101中目标储能电池的声音信号为目标储能电池在充电时通过声音传感器采集得到，且所述声音传感器的检测点位于目标储能电池中电池单体水平方向，且位于电池泄压阀侧。

7、可选地，步骤s101中目标储能电池的声音信号为通过下述方式预处理得到：对目标储能电池的原始的声音信号进行谱减法去噪，其中帧长设置为2n，帧移为n。

8、可选地，步骤s102中预设的声压级阈值的获取包括：获取正常状态下的目标储能电池的声音信号，得到正常声音信号数据集合；对正常声音信号计算其声压级得到正常声音信号声压级集合sn；从正常声音信号声压级集合sn中选择出最大值sn-max，将最大值sn-max乘以预设倍数得到预设的声压级阈值。

9、可选地，步骤s102中声音信号的幅值包络线斜率的获取包括：对处理后的声音信号根据设定的帧长frame和帧移inc进行分帧处理，将每帧信号的幅值最大值点拟合成光滑曲线；根据下式计算光滑曲线中的每一帧斜率 kn作为声音信号的幅值包络线斜率：

10、，

11、上式中，为该帧的幅值，为前一帧的幅值，为每帧信号的时间长度。

12、可选地，所述将每帧信号的幅值最大值点拟合成光滑曲线时进行的平滑迭代次数为a次，且每一次平滑迭代为取每点前后共五点进行数据平均处理得到该点平滑后的值，首尾第一个点的值为本身，首尾第二个点的值为前后共三点的平均值。

13、可选地，步骤s102中预设的斜率预警阈值的获取包括：获取正常状态下的目标储能电池的声音信号，得到正常声音信号数据集合；对正常声音信号计算其声压级得到正常声音信号的幅值包络线斜率集合kn；从正常声音信号的幅值包络线斜率集合kn中选择出最小值kn-min，将最小值kn-min乘以预设倍数得到预设的斜率预警阈值。

14、可选地，步骤s102中声音信号由低至高频率段能量为依次递减关系的判断包括：对声音信号进行三层小波包分解，根据三层小波包分解结果计算指定的频率段内各个频率段节点的能量，然后针对指定的频率段内的各个频率段节点，分别将较低的频率段节点的能量减去较高的频率段节点的能量得到相邻频率段节点的能量差值，若所有相邻频率段节点的能量差值均为正，则判定声音信号由低至高频率段能量为依次递减关系。

15、此外，本发明还提供一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警系统，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

16、此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序/指令，该算机程序/指令被编程或配置以通过处理器执行所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

17、此外，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该算机程序/指令被编程或配置以通过处理器执行所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

18、和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：

19、1、本发明检测储能锂电池选定噪声检测点在运行状态下的噪声信号，针对噪声信号提取噪声信号幅值包络线斜率特征参数，将噪声信号幅值包络线斜率特征参数和预设的噪声信号幅值包络线斜率特征参数阈值进行对比，如果噪声信号幅值包络线斜率特征参数高于预设的噪声信号幅值包络线斜率特征参数阈值，则判定电池泄压阀打开；否则，判定电池泄压阀未打开，因此本发明基于电池在热失控发生前，内部化学反应速率存在变化，产生气体的速度存在差异，泄压阀在热失控发生前会提前打开泄气的特性，能够利用噪声特征对电池泄压阀是否打开状态进行在线监测，无需接触带电设备，检测的安全性高，无需工作人员前往电池仓对电池进行检测与分析，省时省力，具有安全高效、测试方便的优点。

20、2、本发明能够方便地与远程传输技术相结合，能够实现储能电池的实时监测与早期热失控预警，便于实现多个储能电池仓的远程集中监测，有利于提高电池热失控早期预警状态监测的自动化程度。

21、3、本发明针对电池泄压阀打开事件的检测采用声音信号作为检测对象，声音传感器为非接触式传感器，安装比较简单方便，能够有效解决接触式传感器不好安装的问题；而且，非接触式的红外激光检测传感器由于需要一定的检测空间，对于安装空间有一定要求，而且容易由于物体入侵检测空间影响检测的准确度，本发明采用声音信号作为检测对象，声音可通过气体和固体多种介质传输，因此对于检测空间要求低、也不会由于物体入侵检测空间影响检测的准确度，能够有效提升特征信号采集的准确度。

技术特征：

1.一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s101中目标储能电池的声音信号为目标储能电池在充电时通过声音传感器采集得到，且所述声音传感器的检测点位于目标储能电池中电池单体水平方向，且位于电池泄压阀侧。

3.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s101中目标储能电池的声音信号为通过下述方式预处理得到：对目标储能电池的原始的声音信号进行谱减法去噪，其中帧长设置为2n，帧移为n。

4.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s102中预设的声压级阈值的获取包括：获取正常状态下的目标储能电池的声音信号，得到正常声音信号数据集合；对正常声音信号计算其声压级得到正常声音信号声压级集合sn；从正常声音信号声压级集合sn中选择出最大值sn-max，将最大值sn-max乘以预设倍数得到预设的声压级阈值。

5.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s102中声音信号的幅值包络线斜率的获取包括：对处理后的声音信号根据设定的帧长frame和帧移inc进行分帧处理，将每帧信号的幅值最大值点拟合成光滑曲线；根据下式计算光滑曲线中的每一帧斜率kn作为声音信号的幅值包络线斜率：

6.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s102中预设的斜率预警阈值的获取包括：获取正常状态下的目标储能电池的声音信号，得到正常声音信号数据集合；对正常声音信号计算其声压级得到正常声音信号的幅值包络线斜率集合kn；从正常声音信号的幅值包络线斜率集合kn中选择出最小值kn-min，将最小值kn-min乘以预设倍数得到预设的斜率预警阈值。

7.根据权利要求1所述的基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法，其特征在于，步骤s102中声音信号由低至高频率段能量为依次递减关系的判断包括：对声音信号进行三层小波包分解，根据三层小波包分解结果计算指定的频率段内各个频率段节点的能量，然后针对指定的频率段内的各个频率段节点，分别将较低的频率段节点的能量减去较高的频率段节点的能量得到相邻频率段节点的能量差值，若所有相邻频率段节点的能量差值均为正，则判定声音信号由低至高频率段能量为依次递减关系。

8.一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警系统，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～7中任意一项所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

9.一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机程序/指令，其特征在于，该算机程序/指令被编程或配置以通过处理器执行权利要求1～7中任意一项所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该算机程序/指令被编程或配置以通过处理器执行权利要求1～7中任意一项所述基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法。

技术总结本发明公开了一种基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法及系统，本发明基于声音信号幅值包络线斜率的储能电池预警方法包括：获取目标储能电池的声音信号；若声音信号的声压级超过预设的声压级阈值、声音信号的幅值包络线斜率超过预设的斜率预警阈值，且声音信号选定的由低至高频率段能量为依次递减关系，则判定目标储能电池发生热失控前反应气体导致的电池泄压阀打开事件并发出预警信号。本发明旨在实现对电池工作状态下泄压阀打开事件的判断，能够预警热失控等故障事件，使安全人员提前采取措施，避免因电池故障对公众的生命安全与财产损失造成威胁。技术研发人员：孙静玲,吴晓文,陈炜,肖威,郭子丹受保护的技术使用者：湖南科技大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2