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CN116184241A - 锂电池析锂检测方法、装置及系统 - Google Patents

锂电池析锂检测方法、装置及系统 Download PDF

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CN116184241A
CN116184241A CN202310202810.4A CN202310202810A CN116184241A CN 116184241 A CN116184241 A CN 116184241A CN 202310202810 A CN202310202810 A CN 202310202810A CN 116184241 A CN116184241 A CN 116184241A
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CN202310202810.4A
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童磊
杨亚龙
吴声本
林迎曦
王红
郑明清
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Zhejiang Liwei Energy Technology Co ltd
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Zhejiang Liwei Energy Technology Co ltd
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Abstract

本申请提供一种锂电池析锂检测方法、装置及系统，属于锂电池技术领域。该方法包括：对待测电池进行EIS测试，得到待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；根据正极频率响应数据和负极频率响应数据进行频率分析，得到待测电池的特征频率；根据特征频率和预设充电倍率对待测电池进行实时充电检测，得到待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；根据特征频率、电荷传递阻抗和电池电容计算待测电池的电场反馈值；根据电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。本申请的锂电池析锂检测方法能够及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较高。

Description

锂电池析锂检测方法、装置及系统
技术领域
本申请涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种锂电池析锂检测方法、装置及系统。
背景技术
相关技术中，通过直接检测电池充电及放电的容量、电压等电化学特性，从电化学特性信号中提取特征信号以分析电池性能变化特点，从而判断电池是否析锂。但由于电化学信号易受检测环境影响，提取的特征信号在信号处理过程中容易失真，因此难以及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较低。
发明内容
本申请实施例的主要目的在于提出一种锂电池析锂检测方法、装置及系统，在特征频率下对电池内部活性表面积进行实时监控，利用电池活性表面积受析锂显著影响的特性，对电池是否析锂进行识别，能够及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较高。
为实现上述目的，本申请实施例的第一方面提出了一种锂电池析锂检测方法，所述方法包括：
对待测电池进行E I S(E l ectrochemi ca l Impedance Spectroscopy，电化学阻抗谱)测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
根据所述正极频率响应数据和所述负极频率响应数据进行频率分析，得到所述待测电池的特征频率；其中，所述特征频率为所述待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
根据所述特征频率和预设充电倍率对所述待测电池进行实时充电检测，得到所述待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
根据所述特征频率、所述电荷传递阻抗和所述电池电容计算所述待测电池的电场反馈值；其中，所述电场反馈值的大小表征所述待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
根据所述电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
在一些实施例中，所述对待测电池进行E I S测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据的步骤之前，所述方法还包括：
通过对所述待测电池进行SOC测试以选择满足测试条件的测试电池电量；
通过对所述待测电池充放电以使所述待测电池的电量为所述测试电池电量。
在一些实施例中，所述E I S测试的激发频率范围为：0.01Hz至100000Hz。
在一些实施例中，所述预设充电倍率为0.2C至0.5C。
在一些实施例中，所述电场反馈值的计算公式为：
Figure BDA0004109647320000021
其中，Ca表示所述电场反馈值，ω表示所述特征频率，RCT表示所述电荷传递阻抗，Cd表示所述电池电容。
在一些实施例中，所述参考反馈值为所述待测电池的电量在额定容量的30％至70％范围内时对应的电场反馈值的平均值。
在一些实施例中，当所述电场反馈值大于所述参考反馈值的1.03倍时，所述析锂检测结果表征为电池析锂；
当所述电场反馈值小于或等于所述参考反馈值的1.03倍时，所述析锂检测结果表征为电池未析锂。
为实现上述目的，本申请的第二方面提出了一种锂电池析锂检测装置，包括：频率测试模块，用于对待测电池进行EI S测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
频率分析模块，用于根据所述正极频率响应数据和所述负极频率响应数据进行频率分析，得到所述待测电池的特征频率；其中，所述特征频率为所述待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
充电检测模块，用于根据所述特征频率和预设充电倍率对所述待测电池进行实时充电检测，得到所述待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
计算模块，用于根据所述特征频率、所述电荷传递阻抗和所述电池电容计算所述待测电池的电场反馈值；其中，所述电场反馈值的大小表征所述待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
析锂分析模块，用于根据所述电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
为实现上述目的，本申请的第三方面提出了一种锂电池析锂检测系统，包括：
上述第二方面的锂电池析锂检测装置；
充电设备，所述充电设备连接所述锂电池析锂检测装置，所述充电设备用于给待测电池充电；
电化学工作站，所述电化学工作站连接所述锂电池析锂检测装置，所述电化学工作站用于测试所述待测电池的性能参数。
本申请实施例提出的一种锂电池析锂检测方法、装置及系统，在特征频率下对电池内部活性表面积进行实时监控，利用电池活性表面积受析锂显著影响的特性，对电池是否析锂进行识别，能够及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较高。
附图说明
图1是本申请实施例提供的锂电池析锂检测方法的流程图；
图2是本申请另一实施例提供的锂电池析锂检测方法的流程图；
图3是本申请一个实施例待测电池的正负极频率曲线图；
图4是本申请一个实施例待测电池的电场反馈值与电池电量的关系图；
图5是本申请实施例提供的锂电池析锂检测装置的模块图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分，或流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其他的方法、组元、装置、步骤等。在其他情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
锂离子电池因为具有能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、环境友好等优点，在化学储能器件中脱颖而出，受到电动汽车、3C等产业的广泛关注。为满足市场对高存储能量的需求，电池的能量密度越来越高，但其在循环使用中由于析锂引起的容量衰减、电性能可靠性降低和安全风险增加等问题目前越来越备受关注。尤其电芯在长期使用过程后，电芯正极材料的锂离子并未脱嵌转移到负极材料内部中，而是在负极表面形成形貌不一的锂枝晶，锂枝晶易刺破隔膜造成内短路，是容量衰减且引发安全事故的主要因素，电芯析锂消耗了大量的活性锂离子，减少了电芯离子移动的传导介质，影响电芯寿命，从而导致不能正常满足用户需求。相关技术中，通过直接检测电池充电及放电的容量、电压等电化学特性，从电化学特性信号中提取特征信号以分析电池性能变化特点，从而判断电池是否析锂。但由于电化学信号易受检测环境影响，提取的特征信号在信号处理过程中容易失真，因此难以及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较低。
基于此，本申请提出一种锂电池析锂检测方法、装置及系统，旨在及时发现电池出现析锂的情况，并提高对电池析锂程度的判断准确性。
请参阅图1，本申请实施例的锂电池析锂检测方法包括但不限于包括步骤S100至步骤S500：
步骤S100，对待测电池进行E I S测试，得到待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
步骤S200，根据正极频率响应数据和负极频率响应数据进行频率分析，得到待测电池的特征频率；其中，特征频率为待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
步骤S300，根据特征频率和预设充电倍率对待测电池进行实时充电检测，得到待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
步骤S400，根据特征频率、电荷传递阻抗和电池电容计算待测电池的电场反馈值；其中，电场反馈值的大小表征待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
步骤S500，根据电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
本申请实施例所示意的步骤S100至步骤S500，根据电芯充放电原理，正极材料剥离出锂离子嵌入负极石墨中，使得负极活化表面积比微量增加，充电过程中负极因各种条件影响，锂离子附着在石墨表面，负极表面会极大增加化学活性表面积比。因此，在特征频率下对电池内部活性表面积进行实时监控，利用电池活性表面积受析锂显著影响的特性，对电池是否析锂进行识别，能够及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较高。
在一些实施例的步骤S100中，EI S测试的激发频率范围为：0.01Hz至100000Hz。EIS测试的激发频率范围可根据实际需要进行调整。
一些实施例，请参阅图2，步骤S100之前，本申请实施例的锂电池析锂检测方法还包括但不限于包括步骤S600和步骤S700：
步骤S600，通过对所述待测电池进行SOC测试以选择满足测试条件的测试电池电量；
步骤S700，通过对所述待测电池充放电以使所述待测电池的电量为所述测试电池电量。
本申请实施例所示意的步骤S600和步骤S700，通过对待测电池进行SOC(State ofcharge，荷电状态)测试以确定进行EI S测试时电池的合适电量。本申请实施例中，从0％的电池电量开始，每充电10％进行一次电池阻抗测试，选取电池阻抗基本保持不变(此为测试条件)的电量范围作为EI S测试时的可选电量范围，在实际进行EI S测试时，从可选电量范围中选取一个值并将待测电池充电或放电至该电量即可。示例，本实施例选用钴酸锂电池作为待测电池时，EI S测试时的可选电量范围为10％至70％，测试循环20至50次。
在一些实施例的步骤S200中，需要说明的是，在不同EI S激发频率下，待测电池的负极频率响应和正极频率相应不同。根据正极频率响应数据和负极频率响应数据进行频率筛选，选择待测电池的负极频率响应不受正极频率响应波动影响的最高频率，也即特征频率为待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率。此外，若以频率为横坐标、阻抗为纵坐标作图，则根据正极频率响应数据可得到正极频率曲线；根据负极频率响应数据可得到负极频率曲线。正极频率曲线与负极频率曲线相交，该交点的横坐标频率值，即为特征频率。
在一些实施例的步骤S300中，预设充电倍率为0.2C至0.5C。实时充电检测是指将电池从0％的电量充电至100％电量过程中对待测电池进行阻抗检测的过程。在析锂检测中，充电倍率会影响待测电池原有的析锂信号的有效程度，因此需根据不同充电倍率的影响情况选择测试时的充电倍率。示意性实施例，本实施例选用钴酸锂电池作为待测电池时，可选的充电倍率为0.2C至0.5C。
在一些实施例的步骤S400中，电场反馈值的计算公式为：
Figure BDA0004109647320000051
其中，Ca表示电场反馈值，ω表示特征频率，RCT表示电荷传递阻抗，Cd表示电池电容。在锂电池中，负极石墨表面因析锂形成的电场强度远大于石墨本身产生的电场强度，通过电场反馈值表征负极因活性表面积比增加而在电荷传递阻抗和电容的变化特性，从而能够准确地判断锂电池是否析锂。
在一些实施例的步骤S500中，参考反馈值为待测电池的电量在额定容量的30％至70％范围内时对应的电场反馈值的平均值。参考反馈值对应的待测电池的电量范围为实时充电检测过程中电荷传递阻抗和电池电容基本保持不变的电量范围，在其他实施例中不作具体限制。示意性实施例，当电场反馈值大于参考反馈值的1.03倍时，析锂检测结果表征为电池析锂；当电场反馈值小于或等于参考反馈值的1.03倍时，析锂检测结果表征为电池未析锂。
具体示例，请参阅图3和图4，本实施例中，待测电池为钴酸锂三极电池，电池总容量为5.3Ah。在70％电量的情况下进行E I S测试，正极频率曲线和负极频率曲线如图3所示，特征频率为446Hz。图4为电场反馈值与电池电量的关系图，图4中标准线为参考反馈值所对应的直线。在电池电量大于4.1Ah之后，电池出现析锂情况，当电场反馈值陡然增加时(对应图中拐点)，说明电池出现严重析锂。使用画网格法计算得到总析锂面积为3％，轻微析锂面积为0.8％，说明本申请方案检测析锂的准确度高，能检测出析锂面积小于1％的情况。
请参阅图5，本申请还提出了一种锂电池析锂检测装置，包括：频率测试模块，用于对待测电池进行E I S测试，得到待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
频率分析模块，用于根据正极频率响应数据和负极频率响应数据进行频率分析，得到待测电池的特征频率；其中，特征频率为待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
充电检测模块，用于根据特征频率和预设充电倍率对待测电池进行实时充电检测，得到待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
计算模块，用于根据特征频率、电荷传递阻抗和电池电容计算待测电池的电场反馈值；其中，电场反馈值的大小表征待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
析锂分析模块，用于根据电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
本申请实施例的锂电池析锂检测装置，在特征频率下对电池内部活性表面积进行实时监控，利用电池活性表面积受析锂显著影响的特性，对电池是否析锂进行识别，能够及时发现电池出现析锂的情况，且对电池析锂程度的判断准确性较高。
本申请还提出了一种锂电池析锂检测系统，包括：
上述实施例的锂电池析锂检测装置；
充电设备，充电设备连接锂电池析锂检测装置，充电设备用于给待测电池充电；
电化学工作站，电化学工作站连接锂电池析锂检测装置，电化学工作站用于测试待测电池的性能参数。电化学工作站是电化学测量系统的简称，是电化学研究用的测量设备。本申请实施例的锂电池析锂检测系统中，可将电化学工作站的测试接口与充电设备的接口组合使用。
本申请实施例描述的实施例是为了更加清楚地说明本申请实施例的技术方案，并不构成对于本申请实施例提供的技术方案的限定，本领域技术人员可知，随着技术的演变和新应用场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下做出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.一种锂电池析锂检测方法，其特征在于，所述方法包括：
对待测电池进行EIS测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
根据所述正极频率响应数据和所述负极频率响应数据进行频率分析，得到所述待测电池的特征频率；其中，所述特征频率为所述待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
根据所述特征频率和预设充电倍率对所述待测电池进行实时充电检测，得到所述待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
根据所述特征频率、所述电荷传递阻抗和所述电池电容计算所述待测电池的电场反馈值；其中，所述电场反馈值的大小表征所述待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
根据所述电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对待测电池进行EIS测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据的步骤之前，所述方法还包括：
通过对所述待测电池进行SOC测试以选择满足测试条件的测试电池电量；
通过对所述待测电池充放电以使所述待测电池的电量为所述测试电池电量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述EIS测试的激发频率范围为：0.01Hz至100000Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设充电倍率为0.2C至0.5C。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电场反馈值的计算公式为：
Figure FDA0004109647300000011
其中，Ca表示所述电场反馈值，ω表示所述特征频率，RCT表示所述电荷传递阻抗，Cd表示所述电池电容。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述参考反馈值为所述待测电池的电量在额定容量的30％至70％范围内时对应的电场反馈值的平均值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述电场反馈值大于所述参考反馈值的1.03倍时，所述析锂检测结果表征为电池析锂；
当所述电场反馈值小于或等于所述参考反馈值的1.03倍时，所述析锂检测结果表征为电池未析锂。
8.一种锂电池析锂检测装置，其特征在于，包括：
频率测试模块，用于对待测电池进行EIS测试，得到所述待测电池的正极频率响应数据和负极频率响应数据；
频率分析模块，用于根据所述正极频率响应数据和所述负极频率响应数据进行频率分析，得到所述待测电池的特征频率；其中，所述特征频率为所述待测电池的负极频率响应受正极频率响应干扰的临界频率；
充电检测模块，用于根据所述特征频率和预设充电倍率对所述待测电池进行实时充电检测，得到所述待测电池的电荷传递阻抗和电池电容；
计算模块，用于根据所述特征频率、所述电荷传递阻抗和所述电池电容计算所述待测电池的电场反馈值；其中，所述电场反馈值的大小表征所述待测电池负极的化学表面积活性比的大小；
析锂分析模块，用于根据所述电场反馈值和预设的参考反馈值进行析锂分析，得到析锂检测结果。
9.一种锂电池析锂检测系统，其特征在于，包括：
权利要求8所述的锂电池析锂检测装置；
充电设备，所述充电设备连接所述锂电池析锂检测装置，所述充电设备用于给待测电池充电；
电化学工作站，所述电化学工作站连接所述锂电池析锂检测装置，所述电化学工作站用于测试所述待测电池的性能参数。
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