CN111580003A - 一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电池检测技术领域的一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法及装置，旨在解决现有技术中对电池不一致性检测存在局限，对于电芯内部工作状态反映不足的技术问题。所述方法包括如下步骤：对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试，获取二次电池的阻抗谱；对所述阻抗谱进行拟合；基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法及装置，属于电池检测技术领域。
背景技术
电池组或电池模块在有能量或者无能量（电能和热能）输入输出的情况下，各单体电池参数（电压、电荷状态、温度、容量及其衰减率、自放电率及其随时间的变化率、充放电效率及其随时间的变化率、内阻及其随时间的变化率等）的相同程度称为电池的一致性。由于电池制造原材料、生产零部件、制作工艺以及使用环境的差别，在将各单体电池在组合成电池组时，将不可避免地出现单体性能差异，并且参与组合的单体电池数量越多，各单体之间出现差异的可能性就越大。目前，在电动自行车中使用的电池组，一般为十几只单体电池的串联组合。而在电动汽车应用中，电池单体数量多达几百只甚至几千只，因而各单体电池之间不一致的现象会更加明显。同一批次的单体电池的循环寿命可达几千次，然而当串并联成电池组使用后，其寿命只有几百次，这就是不一致性造成的典型现象。电池组中单体电池的不一致性，不仅影响对电池组电荷状态、健康状况等的正确判断，而且还会造成电池组容量衰减和寿命降低，甚至可能引发安全问题。 一般而言，锂离子电池的最佳工作温度一般为20～30℃，在此区间内，电池表现出较为良好的一致性，而当电池工作在较为极端的环境中时，电池一致性会显著变差。
针对极端环境下锂离子电池的不一致性问题，目前研究者们提出两种解决思路：一是通过电池管理***（Battery Management System，BMS）对电池包中电芯的状态进行监测管理，其中均衡是电池管理过程中常用的手段，通过均衡***对电池的电量和电压等状态参量进行调节，可使同一电池包中的电芯维持在一致性较高的状态。该方法在应用过程中的缺点主要有两个：第一是该方法目前仅能依据某一判据对电芯状态进行调节，而不同电芯在某一状态相同时，其余状态可能并不相同。例如以电压作为均衡判据，将同一电池包中的电芯电压调节为某一相同值，此时电芯的电量可能并不相同。第二是该方法仅能通过电压、表观SOC等可测量的外部参量进行调节，而这些外部参量并不能完整地反映电芯内部工作状态（如SOH等）。二是在电芯成组之前，通过电压、直流内阻、容量等参数的测量比对，将参数相近的电池分选成组，提高成组后电池包内电芯的一致性。该方法的不足之处有三点，第一是该方法主要是在电池静止状态下对电芯进行瞬态工况检测，仅能反应电池的简单参数，因而对于电池实际运行过程中的各阶段工况反映不足；第二是电池在储能***或电动汽车等实际应用中的使用环境较为复杂，电池需要进行串并联以达到一定容量，且工况变化频繁，现有分选方法无法应对电池进行大容量成组后复杂***对电池一致性的要求；第三是电池在极端环境下的充放电过程会对电池造成损坏，严重时甚至会发生安全事故，而基于容量、SOC等参数的电池分选方法中，需要经过电池充放电过程，故而不适于电池处于高温低温等极端环境时的电池一致性分析。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法及装置，以解决现有技术中对电池不一致性检测存在局限，对于电芯内部工作状态反映不足的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，包括如下步骤：
对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试，获取二次电池的阻抗谱；
对所述阻抗谱进行拟合；
基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性。
进一步地，荷电状态一致的二次电池的获取方法，包括：按预设的充放电倍率对二次电池进行恒流充电或恒流放电，所述充放电倍率包括0.25～1C。
进一步地，在对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试之前，还包括：将预先获取的荷电状态一致的二次电池放置于恒温环境下保温至预设时长，所述恒温环境的温度包括－25～45℃。
进一步地，所述预设时长包括8～12小时。
进一步地，在对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试之前，还包括：
将保温至预设时长的二次电池连接至电化学工作站；
将连接至电化学工作站的二次电池放置于恒温环境下进行二次保温，所述二次保温的的持续时长包括15～60分钟。
进一步地，对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试，包括：包括：开启电化学工作站，按预先设定的频率对二次电池进行扫描，所述频率包括0.01～1000Hz。
进一步地，所述二次电池为电池模组；二次电池连接至电化学工作站的方法，包括：将各单体电池分别连接至电化学工作站。
进一步地，对所述阻抗谱进行拟合，包括：
对二次电池的阻抗谱进行解析，获取二次电池的EIS参数；
基于等效电路模型对二次电池的EIS参数进行拟合，获取二次电池所对应等效电路模型中等效电路元件的关键参数，所述关键参数包括电池欧姆内阻、电感、电化学极化内阻中的至少任一项。
进一步地，基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性，包括：
获取与关键参数相对应的比较参数，所述比较参数包括二次电池的出厂参考值或／和大样本测试平均值；
对关键参数与比较参数进行比对。
进一步地，所述二次电池包括锂电池。
为达到上述目的，本发明还提供了计算机处理控制装置，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行本发明提供的一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法的步骤。
为达到上述目的，本发明还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明提供的一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：本发明方法及装置使用交流阻抗作为电池分选的主要状态依据，对阻抗谱进行拟合后，生成电池欧姆内阻、电感、电化学极化内阻等关键参数，再与电池的出厂参考值或大样本测试平均值进行比对，从而能够将电池老化、内阻变化等电芯内部工作状态都体现出来。由于测试过程中可不对电池进行充放电，仅施加微量电流扰动，因而可避免极端环境充放电带来的电池损害和安全风险。由于能够在电池充放电过程中对电池动态阻抗变化情况进行检测，从而有利于反映电池动态工况。基于本发明方法及装置在电池内部布置接线单元，可以对电池模组内每一节电芯的状态进行跟踪监测。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明方法实施例中磷酸铁锂电池5℃时的阻抗图；
图3是本发明方法实施例中磷酸铁锂电池5℃时的阻抗图；
图4是本发明方法实施例中三元锂电池5℃时的阻抗图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明具体实施方式提供了一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，检测二次电池的交流阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）作为主要状态依据，在对阻抗谱进行拟合的基础上，基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性。如图1所示，是本发明方法的流程示意图，包括如下步骤：
步骤1，对待测二次电池进行恒流充电或恒流放电，充放电倍率为0.25～5C。本实施例中，该待测二次电池为锂电池。一般而言，当充放电倍率选择越接近0.25C，电池充放电速度越慢，此时电池更易接***衡状态。本实施例中，优选充放电倍率为0.25～1C，使得待测锂电池荷电状态一致。
步骤2，打开高低温测试箱柜门，将待测锂电池置入高低温测试箱中，关闭高低温测试箱柜门，开启高低温测试箱；
步骤3，将高低温测试箱设置为恒温状态，为了使待测锂电池的检测温度更符合其实际工作时的温度值，本实施例中，将高低温测试箱温度设于－25～45℃之间。
步骤4，待高低温测试箱温度恒定后，将待测锂电池放置于高低温测试箱内保温2～24小时。保温的目的是为了使待测锂电池达到预设的检测温度。保温时间可依据电池尺寸、导热性进行灵活调节，通常电池体积越大、导热性越差、所需保温时间越长，优选保温时间为8～12小时。
步骤6，达到预设的保温时间后，打开高低温测试箱柜门，将电化学工作站工作电极连接锂电池的正极，辅助电极和参比电极连接锂电池的负极，关闭高低温测试箱柜门。
步骤7，待高低温测试箱温度恒定后，对该锂电池再保温15～120分钟。对锂电池进行二次保温的目的，在于用于平衡锂电池接线操作时电池内部温度变化。本实施例中，优选二次保温时间为15～60分钟。
步骤8，开启电化学工作站，对锂电池进行恒电位EIS测试，逐一扫描锂电池中各单体电池的阻抗谱。本实施例中，设置电位值为开路电压，正弦电压幅值为1～10mV，扫描频率为0.01～1000Hz。其中电压幅值根据电池内部阻抗特性确定，通常电池内部阻抗越大，所选电压幅值越大。本实施例中的待测锂电池为方形硬壳磷酸铁锂电池，电压幅值优选5mV。对各单体电池进行扫描的扫描频率之所以选取0.01～1000Hz，是因为在该频率段内能够完整覆盖锂电池内部特征阻抗分布区间。
步骤9，采用电化学工作站中的ZView软件解析阻抗谱、绘制图形并记录锂电池中各单体电池的相关EIS参数。
步骤10，依据等效电路模型进对各单体电池的相关EIS参数进行拟合，重点拟合获取等效电路模型中等效电路元件的电池欧姆内阻、电感、电化学极化内阻等关键参数。其中，电池欧姆内阻为拟合阻抗谱一级半圆与横坐标轴的截距，电感、电化学极化内阻在电池欧姆内阻基础上进一步拟合，拟合误差需小于5%。
步骤11，首先，获取与前述关键参数相对应的比较参数，该比较参数包括二次电池中各单体电池的出厂参考值或／和大样本测试平均值。无论是出厂参考值还是大样本测试平均值，其测试获取的条件应当与本实施例中关键参数的检测获取条件相同或基本相同。然后，再对关键参数与比较参数进行比对，根据比对结果辨别该锂电池的不一致性。至于对比过程和根据对比结果判别锂电池不一致性的方法为本领域惯用手段，在此不做赘述。
本发明方法可以解决现有锂离子电池分选中存在的四个方面问题，分别是：（1）电芯内部工作状态反映不足；（2）电芯动态工作状态反映不足；（3）不能反映大容量成组后复杂***的一致性；（4）难以测量电池在极端环境下的工作状态。
针对电芯内部工作状态反映不足的问题，本发明方法使用交流阻抗作为锂离子电池分选的主要状态依据，锂离子电池中的电池老化情况、内阻变化情况等都会通过电池交流阻抗体现出来。例如，针对同款型号的新旧状态不同的电池，由于旧电池的内部老化情况要大于新电池（例如活性锂数量、电解液杂质、SEI膜厚度等），因而造成旧电池在充放电过程中的能量损失较大，这些损失的能量会以内阻的形式体现出来，因而旧电池的内阻也要要明显高于新电池。
针对电芯动态工况反映不足的问题，本发明方法也作出了对应改进。常规的电压法分选一般利用电池静态电压对电池状态进行电池状态检测，而本发明方法可以在电池充放电过程中对电池动态阻抗变化情况进行检测，通过电池欧姆内阻和极化内阻的大小反映电池动态工作过程中的内部性能，从而实现对其动态工况的很好反映。
针对不能反映大容量成组后复杂***一致性的问题，电池成组后，本发明方法可在电池模块内部多处位置布置接线单元，可以对模组内部每一节电芯的状态进行跟踪监测。
针对电池在极端环境下的工作状态难以测量的问题，本发明方法在测试过程中并不对电池进行充放电，而仅对电池施加微量电流扰动，可以避免极端环境充放电带来的电池损害与安全风险。
下面，结合实施例对本发明方法所记载的技术方案进行描述。
实施例1，我们将8块运行现场拆卸下来的40Ah方形磷酸铁锂电池连接到充放电测试仪上，电池经过一整年的现场运行，其一致性方面已经有了差异。在该条件下，我们将这8块电池置入高低温测试箱中，测试箱温度设置为5℃，并保温5小时。然后开启电化学工作站，对电池进行恒电位EIS测试，并逐一扫描电池阻抗谱，设置电位值为开路电压，正弦电压幅值为5mV，扫描频率为0.01～1000Hz。具体如图2所示，是本发明方法实施例中磷酸铁锂电池5℃时的阻抗图。图2中，阻抗谱横坐标为实部阻抗，纵坐标为虚部阻抗。电池1～8号的欧姆内阻、极化内阻、电容分别进行拟合。由图2可以看出，6号电池的欧姆内阻远远高于其余电池，可认为该电池不满足于一致性要求。其余参数的比较可按照上述步骤重复进行。
实施例2，我们将8块运行现场拆卸下来的72Ah方形磷酸铁锂电池连接到充放电测试仪上，电池经过一整年的现场运行，其一致性方面已经有了差异。在该条件下，我们将这8块电池置入高低温测试箱中，测试箱温度设置为5℃，并保温8小时。然后开启电化学工作站，对电池进行恒电位EIS测试，并逐一扫描电池阻抗谱，设置电位值为开路电压，正弦电压幅值为5mV，扫描频率为0.01～1000Hz。具体如图3所示，是本发明方法实施例中磷酸铁锂电池5℃时的阻抗图。对电池1～8号的欧姆内阻、极化内阻、电容分别进行拟合。由图3可以看出，8号电池的欧姆内阻远远高于其余电池，可认为该电池不满足于一致性要求。其余参数的比较可按照上述步骤重复进行。
实施例3，我们将8块新出厂5Ah圆柱形三元锂电池电池连接到充放电测试仪上。将这8块电池置入高低温测试箱中，测试箱温度设置为5℃，并保温24小时。然后开启电化学工作站，对电池进行恒电位EIS测试，并逐一扫描电池阻抗谱，设置电位值为开路电压，正弦电压幅值为5mV，扫描频率为0.01～1000Hz。具体如图4所示，是本发明方法实施例中三元锂电池5℃时的阻抗图。对电池1～8号的欧姆内阻、极化内阻、电容分别进行拟合。由图4可以看出，7号电池的欧姆内阻远远高于其余电池，可认为该电池不满足于一致性要求。其余参数的比较可按照上述步骤重复进行。
本发明具体实施方式还提供了计算机处理控制装置，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行本发明提供的一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法的步骤。
本发明具体实施方式还提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明提供的一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，包括如下步骤：
对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试，获取二次电池的阻抗谱；
对所述阻抗谱进行拟合；
基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性。
2.根据权利要求1所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，荷电状态一致的二次电池的获取方法，包括：按预设的充放电倍率对二次电池进行恒流充电或恒流放电，所述充放电倍率包括0.25～1C。
3.根据权利要求1所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，在对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试之前，还包括：将预先获取的荷电状态一致的二次电池放置于恒温环境下保温至预设时长，所述恒温环境的温度包括－25～45℃。
4.根据权利要求3所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，所述预设时长包括8～12小时。
5.根据权利要求3所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，在对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试之前，还包括：
将保温至预设时长的二次电池连接至电化学工作站；
将连接至电化学工作站的二次电池放置于恒温环境下进行二次保温，所述二次保温的的持续时长包括15～60分钟。
6.根据权利要求5所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，对预先获取的荷电状态一致的二次电池进行恒电位EIS测试，包括：包括：开启电化学工作站，按预先设定的频率对二次电池进行扫描，所述频率包括0.01～1000Hz。
7.根据权利要求5所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，所述二次电池为电池模组；二次电池连接至电化学工作站的方法，包括：将各单体电池分别连接至电化学工作站。
8.根据权利要求1所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，对所述阻抗谱进行拟合，包括：
对二次电池的阻抗谱进行解析，获取二次电池的EIS参数；
基于等效电路模型对二次电池的EIS参数进行拟合，获取二次电池所对应等效电路模型中等效电路元件的关键参数，所述关键参数包括电池欧姆内阻、电感、电化学极化内阻中的至少任一项。
9.根据权利要求8所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，基于拟合结果鉴别二次电池的不一致性，包括：
获取与关键参数相对应的比较参数，所述比较参数包括二次电池的出厂参考值或／和大样本测试平均值；
对关键参数与比较参数进行比对。
10.根据权利要求1所述的基于阻抗谱的二次电池不一致性鉴别方法，其特征是，所述二次电池包括锂电池。
11.计算机处理控制装置，其特征是，包括：
存储器：用于存储指令；
处理器：用于根据所述指令进行操作以执行权利要求1至10中任一项所述方法的步骤。
12.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至10中任一项所述方法的步骤。
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