CN118131051B - 一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置，属于电池检测技术领域，包括：在单体锂电池以单位电流恒流放电过程中，建立单体锂电池一维磁场分布函数；依据待测锂电池组内单体锂电池空间位置，建立锂电池组一维磁场分布函数；对待测锂电池组进行短时脉冲放电，测量锂电池组外部磁场分布瞬态变化；构建锂电池组电流分布反演模型并求解，获得锂电池组实际电流分布变化；融合锂电池组等效电路模型进行锂电池组多参数辨识，根据分析结果进行锂电池组多参数一致性快速精准评估。本发明采用上述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置，解决了现有的锂电池组一致性检测方法难以快速精准评估锂电池组多参数一致性的难题。
Description
技术领域
本发明涉及电池检测技术领域，尤其是涉及一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置。
背景技术
锂离子电池凭借比能量大、比功率高、循环寿命长等优势成为目前新能源汽车和储能等领域应用最广泛的二次电池。由于单个电池的输出电压和输出容量是有限的，无法满足实际应用场景需求，因此需要将大量单体电池通过串并联连接组成大型电池模组。然而，受电池初始制造工艺差异、实际服役工况不同等因素影响，同一电池组中的单体电芯的实际退化速率不同，电池间的性能差异逐渐增大，体现为电池的容量、内阻、荷电状态等参数一致性变差。这些电池参数不一致会造成电池间输出电流、放电深度和温度分布不同，进而导致部分电池出现过充/放、过热等现象，缩短电池组服役寿命并带来热失控等安全风险。因此，快速精准检测电池组多参数一致性对于锂离子电池组出厂前检测、车载电池组定期检修维护、换电站电池性能定期检测、退役电池梯次利用检测等场景具有重要应用价值。
目前，针对电池组一致性检测，单点阻抗诊断方法和增量容量分析方法的检测效果受电池数量影响；电化学阻抗谱测量的商业设备价格昂贵、单次测量耗时长；基于电池端电压的检测方法在检测并联电池模组时受到限制，因为并联连接电池都具有相同端电压，无法检测到单体电池性能参数；电池组参数不一致会直接引起并联模组中产生非均衡电流分布，因此直接测量电池电流可以评估电池组一致性。但是受限于传感器精度、体积和使用成本等因素限制，目前难以直接在电池组中给所有电芯配置一个电流传感器。
申请号为202110550511.0的专利中公开了原位磁场测量是一种非侵入、非接触式无损检测手段，可以通过持续监测电池组外部磁场分布分析电池组内部电流分布，进而评估电池组性能一致性。但是现有方法存在检测时间长、评估参数单一、测量装置复杂等特点，这不利于大规模电池模组性能一致性快速检测与维护。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置，通过测量短时脉冲电流下的瞬态磁场变化来分析锂电池组内电流分布变化，进而实现锂电池组多参数一致性检测。
为实现上述目的，本发明提供了一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，包括以下步骤：
S1、在单体锂电池以单位电流恒流放电过程中，测量单体锂电池在线性磁场阵列上的磁场分布，建立单体锂电池一维磁场分布函数；
S2、在步骤S1建立的单体锂电池一维磁场分布函数基础上，根据锂电池组内单体锂电池空间位置，建立锂电池组一维磁场分布函数；
S3、对待测锂电池组进行短时脉冲放电，通过磁场采集设备，采集线性磁场测量阵列上锂电池组磁场分布变化数据；
S4、使用步骤S2建立的锂电池组一维磁场分布函数和步骤S3中锂电池组磁场分布变化数据，构建锂电池组电流分布反演模型并进行求解，获得锂电池组实际电流分布变化；
S5、使用步骤S4构建的锂电池组电流分布反演模型获得的电流分布变化，融合锂电池组等效电路模型进行锂电池组多参数辨识，获取锂电池组等效电路模型中多参数辨识结果，根据多参数辨识结果评估锂电池组性能一致性。
优选的，步骤S1中，单体锂电池一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻单体锂电池在处的电流感应磁场，包含、和三个磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的x方向磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的y方向磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的z方向磁场分量；表示线性磁场阵列上单体锂电池单位电流产生的感应磁场；表示单体锂电池电流；表示磁场测量系统中定义的线性磁场阵列空间位置坐标；表示时间；
的表达式如下：
；
式中，表示第个单体锂电池的单位电流感应磁场。
优选的，步骤S2中，锂电池组一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻锂电池组在处的电流感应磁场；表示第个单体锂电池电流感应磁场；表示第个单体锂电池在磁场测量系统中定义线性磁场阵列的空间位置坐标；为单体锂电池电流，。
优选的，步骤S3中，短时脉冲放电电流，波形采用方波，脉冲幅度采用待测锂电池组标准1C电流，脉冲宽度采用60秒。
优选的，步骤S4中，对锂电池组电流分布反演模型求解包括以下步骤：
S41、在磁场测量系统中，获取线性磁场阵列上单体锂电池单位电流产生的感应磁场；
S42、获取磁场测量系统中定义的线性磁场阵列空间位置坐标，结合锂电池组一维磁场分布函数构建电流反演模型；
S43、采用粒子群优化算法求解电流反演模型中的锂电池组内电流分布变化。
优选的，等效电路模型为：将单体电芯等效为一个电压源和一个串联连接的内阻，然后进行串并联连接，构建锂电池组等效电路模型；
多参数辨识采用粒子群优化算法，多参数辨识结果为锂电池组内所有单体锂电池的实际容量、欧姆内阻，最后根据多参数分析结果准确评估锂电池组性能一致性。
本发明还提供了一种具有实现一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法的装置，其特征在于，包括磁场采集设备、样品设备、锂电池测试设备、控制设备；
磁场采集设备用于测量待测锂电池组外部瞬态磁场分布变化，包括线性传感器阵列数据同步采集系统、传感器固定夹具和线性磁场传感器阵列；
线性磁场传感器阵列中的传感单元为三维磁通门计，线性传感器阵列数据同步采集系统控制线性磁场传感器阵列采集和处理多通道瞬态磁场信号；
样品设备包括待测锂电池组和样品台；
锂电池测试设备用于设置待测锂电池组的短时脉冲放电工步，并记录锂电池组的电压、电流数据；
控制设备用于设置磁场采集设备的数据采集、存储方式，并处理分析磁场数据、评估电池组多参数一致性；
控制设备还用于设置锂电池测试设备的短时脉冲放电工步参数和锂电池组电压、电流的数据采集、存储方式。
因此，本发明采用上述一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置，通过测量锂电池组在短时脉冲放电过程中的瞬态磁场分布变化分析其非均衡电流分布变化，进而分析锂电池组多参数一致性，实现被测电池组多参数一致性快速精准评估，该方法具有无损伤、耗时短、准确性高等优点，解决了现有的锂电池组一致性检测方法难以快速精准评估锂电池组多参数一致性的难题，为锂电池组出厂前检测、服役定期维护保养、退役电池梯次利用性能评估等场景提供了技术支持。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明方法的工作流程图；
图2为本发明方法提供的一种磁场阵列检测装置总体示意图；
图3为本发明方法提供的一种磁场检测装置实施例示意图；
图4为本发明方法提供的一种磁场测量阵列位置示意图；
图5为本发明实施例提供的一种电池一维磁场分布函数结果；
图6为本发明实施例提供的一种电池组一维磁场分布函数结果；
图7为本发明实施例提供的一种电池组电流分布反演分析结果。
附图标记
10、磁场采集设备；11、线性传感器阵列数据同步采集系统；12、传感器固定夹具；13、线性磁场传感器阵列；14、传感单元；20、样品设备；21、待测锂电池组；22、样品台；30、电池测试设备；31、锂电池组测试系统；40、控制设备；41、计算机。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
实施例一
如图1所示，为一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法的工作流程图，具体包括以下步骤：
S1、在单体锂电池以单位电流恒流放电过程中，测量单体锂电池在线性磁场阵列上的磁场分布，建立单体锂电池一维磁场分布函数；
单体锂电池一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻单体锂电池在处的电流感应磁场，包含、和三个磁场分量；为由三维磁通门计三维笛卡尔坐标定义的x方向磁场分量；为由三维磁通门计三维笛卡尔坐标定义的y方向磁场分量；为由三维磁通门计三维笛卡尔坐标定义的z方向磁场分量；表示线性磁场阵列上单体锂电池单位电流产生的感应磁场；表示单体锂电池电流；表示磁场测量系统中定义的线性磁场阵列空间位置坐标；表示时间；
的表达式如下：
；
式中，表示第个单体锂电池的单位电流感应磁场。
S2、在步骤S1建立的单体锂电池一维磁场分布函数基础上，根据锂电池组内单体锂电池空间位置，建立锂电池组一维磁场分布函数；
锂电池组一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻锂电池组在处的电流感应磁场；表示第个单体锂电池电流感应磁场；表示第个单体锂电池在磁场测量系统中定义线性磁场阵列的空间位置坐标；为单体锂电池电流，。
S3、对待测锂电池组进行短时脉冲放电，通过磁场采集设备，采集线性磁场测量阵列上锂电池组场分布变化数据；
短时脉冲放电电流，波形采用方波，脉冲幅度采用待测电池组标准1C电流，脉冲宽度采用60秒。
S4、使用步骤S2建立的锂电池组一维磁场分布函数和步骤S3中锂电池组外部磁场分布变化数据，构建锂电池组电流分布反演模型并进行求解，获得锂电池组实际电流分布变化；
对锂电池组电流分布反演模型求解包括以下步骤：
S41、在磁场测量系统中，获取磁场测量阵列上被测单体锂电池的单位电流感应磁场；
S42、获取锂电池组内单体锂电池位置坐标，结合锂电池组一维磁场分布函数构建电流反演模型；
S43、采用粒子群优化算法求解电流反演模型中的锂电池组内电流分布变化；
粒子群优化算法具体步骤为：
初始化所有粒子，给所有粒子赋予初始速度和初始位置，将个体的历史最优pbest设为设为当前位置，群体中的最优个体作为当前gbest；
在每一次进化中，计算每个粒子的适应度函数值；
如果当前适应度函数值优于历史最优值，则更新pbest。
如果当前适应度函数值优于全局历史最优值，则更新gbest。
每个粒子的速度和位置分别按照下式进行更新：
；
；
式中，为粒子序号，，为粒子群规模；为粒子维度序号，，为粒子维度；为迭代次数；为惯性权重；为个体学习因子；为群体学习因子；为区间内的随机数；为粒子在第次迭代中第维的速度向量；为粒子在第次迭代中第维的位置向量；为粒子在第次迭代中第维的历史最优位置；为群体在第次迭代中第维的历史最优位置。
本实施例中，针对2s2p电池组，采用粒子群优化算法求解电流反演模型中的锂电池组内电流分布变化时，取50，取4，最大迭代次数取100，取1.5，取1.5，最大值取0.8、最小值取0.4，位置最大值取0.5、最小值取-0.5，速度最大值取0.2、最小值取-0.2。
采用粒子群优化算法求解锂电池组容量和内阻参数时，取100，取8，最大迭代次数取200，取1.2，取2，最大值取0.8、最小值取0.4，位置最大值取2.5、最小值取0，速度最大值取0.1、最小值取-0.1。
S5、使用步骤S4构建的锂电池组电流分布反演模型获得的电流分布变化，融合锂电池组等效电路模型进行锂电池组多参数辨识，获取锂电池组等效电路模型中多参数辨识结果，根据多参数辨识结果评估锂电池组性能一致性。
等效电路模型为：将单体电芯等效为一个电压源和一个串联连接的内阻，然后进行串并联连接，构建锂电池组等效电路模型；
多参数辨识采用粒子群优化算法，多参数辨识结果为锂电池组内所有单体锂电池的实际容量、欧姆内阻，最后根据多参数分析结果准确评估锂电池组性能一致性。
本发明实施例提供了一种磁场阵列测量装置，总体示意图如图2所示，具体包括：磁场采集设备10用于采集锂电池组外部瞬态磁场分布变化；样品设备20用于放置和定位待测锂电池组21；电池测试设备30用于设置待测锂电池组21短时脉冲放电工步以及采集锂电池组整体电压电流变化；控制设备40用于控制磁场采集设备10和电池测试设备30，以及分析采集的磁场数据并评估锂电池组多参数一致性。
图3为本发明实施例提供的一种磁场测量装置结构示意图。
磁场采集设备10包括线性传感器阵列数据同步采集系统11、传感器固定夹具12和线性磁场传感器阵列13。线性传感器阵列数据同步采集系统11可实现多通道瞬态磁场数据同步采集，并进行磁场数据去噪预处理；线性磁场传感器阵列13包含若干传感单元14，本实施例中传感单元14数量为6、类型为三维磁通门计。传感器固定夹具12用于固定线性磁场传感器阵列13，确定传感器传感中心空间位置坐标。
样品设备20包括待测锂电池组21和样品台22。检测时待测锂电池组21被放置在样品台22的夹具上，进行固定和定位，确定锂电池组空间位置坐标。
电池测试设备30可以是一套锂电池组测试系统31，用于实现设置短时脉冲放电电流测试工步，以及采集待测锂电池组21的电路参量。
控制设备40包括向磁场采集设备10和电池测试设备30发出指令的控制单元和磁场数据处理分析单元。在具体实施时，控制设备可以是计算机41。计算机41内装有线性传感器阵列数据同步采集系统11和锂电池组测试系统31集成控制软件，实时采集、存储、处理被测的磁场数据，并给出待测电池组多参数一致性分析结果。
图4为本发明方法提供的一种磁场测量路径位置示意图，这里选择测量电池组侧面，此时和分量最能反映电池组瞬态电流分布变化，因此选择和分量作为瞬态磁场分析对象。
图5为本发明实施例提供的一种电池一维磁场分布函数结果。通过将10块被测批次电池组中的单体电池分别测量在单位电流下的磁场分布，然后进行进行算术平均拟合，获得和磁场分布。可以看出，和具有不同的分布特点，能全面反应出电池电流分布变化。
图6为本发明实施例提供的一种电池组一维磁场分布函数结果。为了具有一般代表性，选取四块退化程度不同的单体电池，容量参数分别为2057 mAh、2523 mAh、2187 mAh和2389mAh，欧姆内阻参数分别为、、和。将这4块电池连接组成一个两串两并电池组进行测试，测量短时脉冲放电工步下被测电池组外部磁场分布变化。
图7为本发明实施例中图6所示磁场分布的电流变化反演分析结果，进一步融合等效电路模型进行多参数反演，得到被测电池组容量参数辨识结果分别为2051 mAh、2512mAh、2195 mAh和2375mAh，欧姆内阻参数辨识结果分别为、、和。从多参数一致性分析结果可以看出，被测电池组参数辨识结果较为精准，可以很好评估被测电池组性能一致性，因此本发明方法具有很好的应用效果。
因此，本发明采用上述一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法及装置，解决了现有的锂电池组一致性检测方法难以快速精准评估锂电池组多参数一致性的难题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在单体锂电池以单位电流恒流放电过程中，测量单体锂电池在线性磁场传感器阵列上的磁场分布，建立单体锂电池一维磁场分布函数；
S2、在步骤S1建立的单体锂电池一维磁场分布函数基础上，根据锂电池组内单体锂电池空间位置，建立锂电池组一维磁场分布函数；
S3、对待测锂电池组进行短时脉冲放电，通过磁场采集设备，采集线性磁场传感器阵列上锂电池组磁场分布变化数据；
S4、使用步骤S2建立的锂电池组一维磁场分布函数和步骤S3中锂电池组磁场分布变化数据，构建锂电池组电流分布反演模型并进行求解，获得锂电池组实际电流分布变化；
S5、使用步骤S4构建的锂电池组电流分布反演模型获得的电流分布变化，融合锂电池组等效电路模型进行锂电池组多参数辨识，获取锂电池组等效电路模型中多参数辨识结果，根据多参数辨识结果评估锂电池组性能一致性。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，步骤S1中，单体锂电池一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻单体锂电池在处的电流感应磁场，包含、和三个磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的x方向磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的y方向磁场分量；为由线性磁场传感器阵列三维笛卡尔坐标定义的z方向磁场分量；表示线性磁场传感器阵列上单体锂电池单位电流产生的感应磁场；表示单体锂电池电流；表示磁场测量系统中定义的线性磁场传感器阵列空间位置坐标；表示时间；
的表达式如下：
；
式中，表示第个单体锂电池的单位电流感应磁场。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，步骤S2中，锂电池组一维磁场分布函数的表达式如下：
；
式中，表示t时刻锂电池组在处的电流感应磁场；表示第个单体锂电池电流感应磁场；表示第个单体锂电池在磁场测量系统中定义线性磁场传感器阵列的空间位置坐标；为单体锂电池电流，。
4.根据权利要求3所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，步骤S3中，短时脉冲放电电流，波形采用方波，脉冲幅度采用待测锂电池组标准1C电流，脉冲宽度采用60秒。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，步骤S4中，对锂电池组电流分布反演模型求解包括以下步骤：
S41、在磁场测量系统中，获取线性磁场传感器阵列上单体锂电池单位电流产生的感应磁场；
S42、获取磁场测量系统中定义的线性磁场传感器阵列空间位置坐标，结合锂电池组一维磁场分布函数构建电流反演模型；
S43、采用粒子群优化算法求解电流反演模型中的锂电池组内电流分布变化。
6.根据权利要求5所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法，其特征在于，步骤S5中，等效电路模型为：将单体电芯等效为一个电压源和一个串联连接的内阻，然后进行串并联连接，构建锂电池组等效电路模型；
多参数辨识采用粒子群优化算法，多参数辨识结果为锂电池组内所有单体锂电池的实际容量、欧姆内阻，最后根据多参数分析结果准确评估锂电池组性能一致性。
7.一种用于实现如权利要求1-6任一项所述的一种锂电池组多参数一致性原位无损检测方法的装置，其特征在于，包括磁场采集设备、样品设备、锂电池测试设备、控制设备；
磁场采集设备用于测量待测锂电池组外部瞬态磁场分布变化，包括线性传感器阵列数据同步采集系统、传感器固定夹具和线性磁场传感器阵列；
线性磁场传感器阵列中的传感单元为三维磁通门计，线性传感器阵列数据同步采集系统控制线性磁场传感器阵列采集和处理多通道瞬态磁场信号；
样品设备包括待测锂电池组和样品台；
锂电池测试设备用于设置待测锂电池组的短时脉冲放电工步，并记录锂电池组的电压、电流数据；
控制设备用于设置磁场采集设备的数据采集、存储方式，并处理分析磁场数据、评估电池组多参数一致性；
控制设备还用于设置锂电池测试设备的短时脉冲放电工步参数和锂电池组电压、电流的数据采集、存储方式。
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