CN118884260B - 一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：电池自放电判定；步骤二：电池自放电检测装置搭建；步骤三：电池自放电检测工步设置及测试；步骤四：电池自放电电流结果输出。该方法的主要原理是电荷守恒公式，通过短时反向激励电流，在不影响电池安全状态的前提下快速充入少量容量，再利用自放电电流对其进行清除，从而实现对自放电电流的准确计算。本发明无需长时间的电流电压测试，同时结合能斯特方程的温度修正方案避免了环境变化导致的测量精度下降，为进一步明晰电池内部的健康状态信息及助力下一代电池开发提供了有效方案。
Description
技术领域
本发明属于电池检测技术领域，涉及一种电池自放电检测方法，具体涉及一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法。
背景技术
锂离子电池因具有高电压、高功率、长循环的特点而被广泛应用于3C数码、交通物流、特种作业等领域。但是其在充电完成后通常存在自发的放电行为，导致电池电量在未使用的情况下逐渐耗散，因此监测电池的自放电电流对维护电池系统稳定运行至关重要。目前锂离子电池自放电的监测方法主要集中在对电流电压的持续检测，虽然可以得到电池的自放电电流，但是其检测时间较长，通常为10～20天，同时受温度影响较大，检测精度低。因此亟需开发一种新型电池自放电检测方法在提升精度的同时缩短检测时间。
现有的技术大多是在电池上施加小幅度的电流信号，同时监测电池电压变化，当电池电势稳定不发生变化后，认为此时的电流值为自放电电流。这种方法受外部环境干扰明显，易产生较大的测试误差。
发明内容
针对背景技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，用于缩短自放电电流测试时间并提升测试精度。该方法通过阶跃电流与弛豫电压测试得到自放电电流，同时基于传感数据对环境温度噪声进行修正，具有应用范围广、测试时间段、检测精度好的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，包括如下步骤：
步骤一：电池自放电判定
(1)取充电后经搁置的待检测电池，对当前电压值进行测试并与搁置前的电池电压对比；
(2)当电压发生下降的同时其下降幅度≥0.05V，利用自放电估计方法初步判定电池发生自放电，反之无需进行下一步测试；
(3)对于发生自放电的电池，读取当前电压值，结合理论公式对自放电电流值x进行估计；
步骤二：电池自放电检测装置搭建
(1)将步骤一中检测到的发生自放电行为的电池与温度传感器相连，并固定在电池充放电测试模具上；
(2)设置恒温箱温度为25～30℃间的一个固定值，待箱体温度稳定后，将步骤二(1)中的电池及其模具转移至箱体中，箱体密封备用；
步骤三：电池自放电检测工步设置及测试
(1)记录测试开始时电池电压为y值，并根据步骤一(3)中估计得到的自放电电流x，设置恒流充电步骤，其中：电流设置为10～100倍的x，恒流充电时间设置为10～20s，数据采集时间设置为10～30s，保持温度传感器与恒电流充电同步开启，温度采集频率与充放电测试仪采集频率相同，为0.03～0.10Hz；
(2)恒流充电完成后转入搁置步骤，同步监测电池电压变化，当电池电压回落至测试开始时电压y值时，停止测试并记录搁置时间，保持温度传感器同步开启，同时输出温度检测结果；
(3)由于自放电电流造成的电压变化较小，为降低温度波动引起的电压测量误差，将步骤三(1)和步骤三(2)得到的温度输出结果，根据数据修正方程对测试电压值进行温度修正后，进一步修正时间采集结果；
步骤四：电池自放电电流结果输出
(1)采集步骤三(1)中恒电流充电电流值I1，充电时间开始时间t以及经修正后结束时间t1，根据公式Q＝I1*(t1-t)，计算短时动态电流激励得到的充电容量；
(2)采集步骤三(2)中修正后的搁置结束时间t2，根据电荷守恒公式I1*(t1-t)＝I2*(t2-t1)，计算得到搁置时间内消耗动态激励容量的自放电电流I2。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明首次提出一种可快速检测自放电电流的新型电池测试方法，相较于传统K值检测法极大的缩短了检测时间。
2、本发明利用短时的动态电流激励，快速输入少量容量，通过电压平衡实现对自放电的精准检测，有效解决了传统检测方法自放电电流寻找困难，测试时间过长问题。
3、本发明基于电荷守恒原理与能斯特方程，将能斯特方程与温度传感联用，能够大幅度缩短测试时间，降低外部环境对测试结果的干扰，有效缓解传统方法受环境温度影响大的问题，进一步提升了测试精度。
4、本发明属于无损检测方法，无需对电池结构进行破坏，可用于大规模贮存电池健康状态的快速批量筛选。
5、本发明测试整体流程简便，易于操作，可适用于多种电池体系研究，为下一代电池开发及电池运维管理提供了新型检测手段。
附图说明
图1是反向动态电流激励测试原理示意图；
图2是实验测试装置图；
图3是实测电池电压及温度曲线图
图4是基于温度传感的数据修正对比图；
图5是自放电电流检测效果验证图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，用于快速批量化检测贮存电池或新鲜电池的自放电电流。该方法的主要原理是电荷守恒公式，通过短时反向激励电流，在不影响电池安全状态的前提下快速充入少量容量，再利用自放电电流对其进行清除，从而实现对自放电电流的准确计算。本发明无需长时间的电流电压测试，同时结合能斯特方程的温度修正方案避免了环境变化导致的测量精度下降，为进一步明晰电池内部的健康状态信息及助力下一代电池开发提供了有效方案。具体原理如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤一：电池自放电判定
(1)取充电后经搁置的待检测电池，对当前电压值进行测试并与搁置前的电池电压对比，其中：待检测电池的尺寸及类型为圆柱电池18650、圆柱电池21700、圆柱电池4680、软包电池、方形电池、扣式电池中的一种；待检测电池的电池体系为锂离子电池、钠离子电池、锂金属电池、钠金属电池、铅酸电池中的一种；
(2)当电压发生下降的同时其下降幅度≥0.05V，利用自放电估计方法初步判定电池发生自放电，反之无需进行下一步测试，其中：自放电估计方法包括基于电压差值与搁置时间的理论计算法、理论自放电电流直接读取法、短时恒电势法、短时恒电流法中的一种或多种；
(3)对于发生自放电的电池，读取当前电压值，结合理论公式对自放电电流值x进行估计；
步骤二：电池自放电检测装置搭建
(1)将步骤一中检测到的发生自放电行为的电池与温度传感器相连，并固定在电池充放电测试模具上，其中：电池与温度传感器的连接方式为外部贴合式连接、内部植入式连接中的一种，温度传感器为热敏电阻型、热电偶型、电阻型、IC型中的一种；
(2)设置恒温箱温度为25～30℃间的一个固定值，待箱体温度稳定后，将步骤二(1)中的电池及其模具转移至箱体中，箱体密封备用；
步骤三：电池自放电检测工步设置及测试
(1)记录测试开始时电池电压为y值，并根据步骤一(3)中估计得到的自放电电流x，设置恒流充电步骤，其中：电流设置为10～100倍的x，恒流充电时间设置为10～20s，数据采集时间设置为10～30s，保持温度传感器与恒电流充电同步开启，温度采集频率与充放电测试仪采集频率相同，为0.03～0.10Hz；
(2)恒流充电完成后转入搁置步骤，同步监测电池电压变化，当电池电压回落至测试开始时电压y值时，停止测试并记录搁置时间，保持温度传感器同步开启，同时输出温度检测结果；
(3)由于自放电电流造成的电压变化较小，为降低温度波动引起的电压测量误差，将步骤三(1)和步骤三(2)得到的温度输出结果，根据数据修正方程对测试电压值进行温度修正后，进一步修正时间采集结果，其中：数据修正方程为能斯特方程、阿伦尼乌斯方程中的一种；
步骤四：电池自放电电流结果输出
(1)采集步骤三(1)中恒电流充电电流值I1，充电时间开始时间t以及经修正后结束时间t1，根据公式Q＝I1*(t1-t)，计算短时动态电流激励得到的充电容量；
(2)采集步骤三(2)中修正后的搁置结束时间t2，根据电荷守恒公式I1*(t1-t)＝I2*(t2-t1)，计算得到搁置时间内消耗动态激励容量的自放电电流I2。
实施例：
(1)电池自放电判定及理论值估计：取充电至4.3V并经过48h搁置的商用18650三元锂离子电池，去除充电极化后搁置前其电压为4.03V，对电池电压进行测试后，其电压值为3.97V。计算得到两者的电池差值为0.06V，大于设定的0.05V判定标准，判定电池在搁置时间内发生了自放电现象。实验采用三元811材料为正极材料，石墨为负极的18650锂离子电池，理论容量为1500mAh，查询得到其理论自放电区间为1/5000C～1/50000C，取最小值作为理论自放电值x。
(2)电池自放电检测装置测试端搭建：将上述电池装配在图2所示的电池模具上，调节卡具长度至20cm，电池两侧以导电铜柱卡紧，模具底部为绝缘塑料。模具两端以导线连接至充放电测试装置。测试开路电压，判定回路连接正常无短路、虚接问题后，连接基于热敏电阻的温度传感器，传感器热敏电阻端以krafton胶带粘接与电池壳体上，位置选择在电池中部，另一端连接计算机USB通信端口。打开温度传感测试，温度传输无误后完成测试端装置连接。
(3)电池自放电检测装置环境端搭建：设置保温箱温度为25℃，将上述电池测试端模具、温度传感器及其连接线路平稳搁置在箱体内部，关闭箱体，并对走线端口进行胶塞密封后，打开温度传感器及箱体温度监测器。同时观察两者数值，待两者数值均达到25℃，且温度波动稳定在±0.1℃范围时，关闭温度传感器，准备测试。
(4)电池自放电检测工步设置及测试流程：打开电池充放电测试装置，测试开路电压，得到检测结果为3.96V，记录其数值为y后，开启充电模块，对电池进行恒电流充电。充电电流设置为100倍的理论自放电电流值x，即1/500C，结合电池理论容量设置电流值大小为3mA并记录为I1，同时设置恒电流充电时间为20s，记录恒流冲电池开始时间t＝65s，设置电压电流数据采集时间间隔为10s。恒电流模块开启同步开启温度传感模块，温度采样时间保持与电压采样时间相同，采样频率设置为0.1Hz。
(5)电池自放电测试数据采集工步：恒电流充电步骤完成后，记录充电结束时间t1＝85s的同时将测试电池转入搁置工步，开始记录电池电压变化，设置电压数据采集时间间隔为10s，同时保持温度传感器开启，温度采集频率为0.1Hz，保证温度数据与电压数据的同步输出。当电池电压回降至≤3.96V时结束测试。输出电压曲线同时输出温度变化曲线备用，结果如图3所示。
(6)电池自放电测试数据修正：将(5)中得到的温度输出及搁置电压输出结果，根据能斯特方程E＝E(标准)-(RT)/(nF)ln(([C]c·[D]d)/([A]a·[B]b)进行测试电压值修正，结果如图4所示。根据修正后的电池电压曲线，准确判定电压回落至3.96V时对应的时间值并记录为t2＝1195s。
(7)电池自放电电流结果输出：根据步骤(4)中恒电流充电电流值I1，充电时间开始时间t以及经修正后结束时间t1，根据公式Q＝I1*(t1-t)，计算短时动态电流激励得到的充电容量Q＝0.0167mAh。根据步骤(6)中修正后的搁置结束时间t2，根据电荷守恒公式I1*(t1-t)＝I2*(t2-t1)，计算得到搁置时间内消耗动态激励容量的自放电电流I2＝1/27750C。
(8)电池自放电检测结果验证：将上述电池设置恒流充电工步，电流大小为步骤(7)检测得到的自放电电流值I2，检测电池电压变化，持续记录50000s输出电压曲线，如图5所示，发现电压维持在稳定的范围内，不发生下降，验证效果良好。
Claims (9)
1.一种基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一：电池自放电判定
(1)取充电后经搁置的待检测电池，对当前电压值进行测试并与搁置前的电池电压对比；
(2)当电压发生下降的同时其下降幅度≥0.05V，利用自放电估计方法初步判定电池发生自放电，反之无需进行下一步测试；
(3)对于发生自放电的电池，读取当前电压值，结合理论公式对自放电电流值x进行估计；
步骤二：电池自放电检测装置搭建
(1)将步骤一中检测到的发生自放电行为的电池与温度传感器相连，并固定在电池充放电测试模具上；
(2)设置恒温箱温度为25～30℃间的一个固定值，待箱体温度稳定后，将步骤二(1)中的电池及其模具转移至箱体中，箱体密封备用；
步骤三：电池自放电检测工步设置及测试
(1)记录测试开始时电池电压为y值，并根据步骤一(3)中估计得到的自放电电流x，设置恒流充电步骤；
(2)恒流充电完成后转入搁置步骤，同步监测电池电压变化，当电池电压回落至测试开始时电压y值时，停止测试并记录搁置时间，保持温度传感器同步开启，同时输出温度检测结果；
(3)由于自放电电流造成的电压变化较小，为降低温度波动引起的电压测量误差，将步骤三(1)和步骤三(2)得到的温度输出结果，根据数据修正方程对测试电压值进行温度修正后，进一步修正时间采集结果；
步骤四：电池自放电电流结果输出
(1)采集步骤三(1)中恒电流充电电流值I1，充电时间开始时间t以及经修正后结束时间t1，根据公式Q＝I1*(t1-t)，计算短时动态电流激励得到的充电容量；
(2)采集步骤三(2)中修正后的搁置结束时间t2，根据电荷守恒公式I1*(t1-t)＝I2*(t2-t1)，计算得到搁置时间内消耗动态激励容量的自放电电流I2。
2.根据权利要求1所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述待检测电池的类型为圆柱电池、软包电池、方形电池、扣式电池中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述待检测电池的电池体系为锂离子电池、钠离子电池、锂金属电池、钠金属电池、铅酸电池中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述自放电估计方法包括基于电压差值与搁置时间的理论计算法、理论自放电电流直接读取法、短时恒电势法、短时恒电流法中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述电池与温度传感器的连接方式为外部贴合式连接、内部植入式连接中的一种。
6.根据权利要求1或5所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述温度传感器为热敏电阻型、热电偶型、电阻型、IC型中的一种。
7.根据权利要求1所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述恒流充电步骤中，电流设置为10～100倍的x，恒流充电时间设置为10～20s，数据采集时间设置为10～30s，保持温度传感器与恒电流充电同步开启，温度采集频率与充放电测试仪采集频率相同。
8.根据权利要求7所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述温度采集频率与充放电测试仪采集频率为0.03～0.10Hz。
9.根据权利要求1所述的基于反向动态电流激励的电池自放电检测方法，其特征在于所述数据修正方程为能斯特方程、阿伦尼乌斯方程中的一种。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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