CN106814319A - 一种锂离子电池自放电检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池自放电检测系统，包括层析成像测量系统、数据采集系统、电化学特性测量系统和检测控制系统，所述层析成像测量系统用于获得重建锂离子电池三维层析图像所需的完整数据；数据采集系统用于将层析成像测量系统的输出信号进行放大、AD转换等处理；所述电化学特性测量系统用于获取锂离子电池电压、电流、容量等基本参数；所述检测控制系统用于采集数据过程的扫描控制以及得到锂离子电池自放电率并进行显示和存储等处理。本发明实现了锂离子电池自放电率的实时、无损、精准检测，用于锂离子电池生产过程中的自放电率检测和基于自放电率的锂离子电池自动分选，对于提升我国在电池自放电检测领域技术水平具有重要现实意义。

Description

一种锂离子电池自放电检测系统

技术领域

本发明涉及电池自放电检测技术领域，尤其涉及一种锂离子电池自放电检测系统。

背景技术

随着全球能源紧缺的加剧，新能源产业悄然兴起，具有较好应用前景的二次电池技术被争相研究。锂离子电池因其本身无污染、比能量高、循环寿命长等特性被广泛应用在各种仪表和电动汽车上作为能源系统。而锂离子电池自放电现象的存在不仅造成电池本身能量的损失，还会因各电池间自放电的不一致性导致锂电池组寿命减少，容量迅速衰减，引起电池管理系统(BMS)对电池荷电状态(SOC)的预测出现较大误差，电动车控制策略失效，致使电动车电池系统出现过放电等严重问题。

然而，由于自放电发生在电池内部，目前国内外现有测量手段都不能对电池自放电进行实时检测与诊断。这是因为电池自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。电池自放电按照反应类型的不同可以分为物理自放电和化学自放电。物理自放电主要是由于在制造工艺和储存条件过程中，电池隔膜上的正负极的金属杂质经过充电反应后在负极析出物和粉尘、集流体毛刺击穿隔膜而造成物理微短路所致。而化学自放电是由电池内部自发的化学反应导致的容量减小的现象。理论与实验证明，电池内部的自放电过程是非常复杂的，往往伴随着两种自放电同时进行。

由于以副反应和微短路为特征的自放电现象，会引发电芯内部结构及其物理与化学性能的变化，因此，综合检查电芯内部结构及其物理与化学性能是测量电池自放电的关键技术之一。然而，国内外现有的容量损耗直接测量的定义法、开路电压衰减率测量法和容量保持法仅以电池的物理特性，如电池容量，充放电压与电流和内阻，来作为自放电的唯一测量参数，而忽略了对其结构形态的实时测量与分析，增加了测量数据的随机性，从而导致这些方法出现了测量周期长和数据可靠性差的问题。

尽管，有些国内外学者采用电子显微镜微区、表面分析术，X射线衍射术、红外光谱和小角激光散射等方法对自放电的电芯材料微观形态与结构进行分析，但其具有制样的破环性、观察范围窄、代表性差和两维性等不足，难以完整而定量地表现出生产过程中的电芯材料内部结构多维形态的变化与其自放电的关系，极大地阻碍了电池自放电测技术发展和动力电池技术水平的提高。为此，本发明在已有的研究工作上，根据高能量密度电池系统工程和计算机断层扫描理论，综合利用基于电池电参数(容量、电压与电流特性、内阻)的检测和面向物质衰减系数的数字X射线层析成像术，开发基于介观尺度的锂离子电池自放电智能检测系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂离子电池自放电检测系统。通过锂离子电池的X射线层析结构形态图像及其电化学特性参数信息，系统而定量的分析锂离子电池层析图像信息与其电化学特性同电池自放电之间的关系，解决锂离子电池自放电难于实时、精准检测难题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池自放电检测系统，包括层析成像测量系统、数据采集系统、电化学特性测量系统和检测控制系统，其中：

所述层析成像测量系统用于获得重建锂离子电池三维层析图像所需的完整数据；

所述数据采集系统用于将所述层析成像测量系统的输出信号进行放大、AD转换处理；

所述电化学特性测量系统用于获取锂离子电池电压、电流、容量参数，以及体现电池反应机理的电化学特性信息，所述电化学特性信息包括交流阻抗；

所述检测控制系统主要用于采集数据过程的扫描控制以及综合锂离子电池层析结构形态图像信息与其电化学特性参数得到锂离子电池的自放电率，并对得到的自放电率信息进行显示和存储处理。

进一步地，所述层析成像测量系统包括X射线源、锂离子电池、光电探测器、样品扫描机械系统及辅助系统，

所述层析成像测量系统利用X射线的光子流与锂离子电池结构中的原子相互作用，光电探测器对扫描过程中的光电信号作连续地记录。

进一步地，所述数据采集系统包括信号放大器、AD转换器，

所述数据采集系统主要指的是从光电探测器输出直到数据采集系统中计算机读入之间的电子电路，用于将从光电探测器输出信号进行放大、AD转换处理。

进一步地，所述电化学特性测量系统包括恒电位仪、恒电流仪、电化学交流阻抗分析仪，

所述电化学特性测量系统用于检测电池电压、电流、容量基本参数，以及检测体现电池反应机理的交流阻抗参数，从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。

进一步地，所述检测控制系统包括扫描控制模块、图像处理模块、智能检测模块、LCD显示模块，

所述扫描控制模块的用于按照预定的扫描模式对控制各运动分系统的电机驱动器发出命令、测定运动的实际位置并通过反馈系统保证运动准确性符合预定的技术要求、同步地控制射线源及射线测量系统按照预定的位置读出测量投影数据；

所述图像处理模块用于锂离子电池的三维层析图像的重建，从电池零部件层析图像中提取电芯极板、隔膜、电解液、杂质和单体电池层析图像以及对层析图像的分析处理；

所述智能检测模块用于综合考虑电池零部件层析结构形态及其物理化学特性，分析出电池层析结构形态及其电化学特性参数与电池自放电之间的关系，从而得到锂离子电池的自放电率，并对其进行存储处理；

所述LCD显示模块用于对自放电率信息进行显示。

进一步地，所述辅助系统包括辅助电源和辐射安全系统，用于提供备用电源和隔离辐射。

与现有技术相比，本发明具有如下效果:

该系统对锂离子电池综合运用层析结构图像化测量和电化学特性参数检测，克服现有检测方法不足，如：国内外现有的容量损耗直接测量的定义法、开路电压衰减率测量法和容量保持法仅以电池的物理特性，如电池容量，充放电压与电流和内阻，来作为自放电的唯一测量参数；有些国内外学者采用电子显微镜微区、表面分析术，X射线衍射术、红外光谱和小角激光散射等方法对自放电的电芯材料微观形态与结构进行分析，但其具有制样的破环性、观察范围窄、代表性差和两维性。该系统通过锂离子电池的X射线层析结构形态图像及其电化学特性参数信息，揭示锂离子电池的正、负电极、隔膜和电解液性能等与其自放电相互作用的机理，分析电池层析图像信息与其电化学特性同电池自放电之间的关系，解决锂离子电池自放电难于实时、无损、精准预测难题。

附图说明

图1是本发明一种锂离子电池自放电系统的模块示意图。

图2是图1中层析成像测量系统的模块示意图。

图3是图1中数据采集系统系统的模块示意图。

图4是图1中电化学特性测量系统的模块示意图。

图5是图1中检测控制系统的模块示意图。

图6是图1中层析成像测量系统的工作原理示意图。

图7是图1中检测控制系统的工作原理示意图。

图8是本发明一种锂离子电池自放电系统的工作原理示意图。

具体实施方式

本专利提出的一种锂离子电池自放电检测系统,结合附图说明如下：

请参阅图1, 一种锂离子电池自放电检测系统，包括层析成像测量系统1、数据采集系统2、电化学特性测量系统3、和检测控制系统4。

如图2，所述层析成像测量系统1包括X射线源11、锂离子电池12、光电探测器13、样品扫描机械系统14及辅助系统15(如辅助电源和辐射安全系统等），用于获得重建锂离子电池三维层析图像所需的完整数据。

如图3，所述数据采集系统2包括信号放大器21、AD转换器22，用于将从光电探测器13输出信号进行放大、AD转换等处理。

如图4，所述电化学特性测量系统3包括恒电位仪31、恒电流仪32、电化学交流阻抗分析仪33，用于获取电池电压、电流、容量等基本参数，以及体现电池反应机理的交流阻抗参数等电化学特性信息。

如图5，所述检测控制系统4包括扫描控制模块41、图像处理模块42、智能检测模块43、LCD显示模块44，主要用于采集数据过程的扫描控制，锂离子电池三维层析图像的重建、分析和处理以及锂离子电池的自放电率检测、显示以及存储等。

本发明在锂离子电池自放电检测具体实施步骤如下：

参照图6、图7及图8，检测开始时，待测锂离子电池被传送到样品扫描机械系统14的测量台上，检测控制系统4中的扫描控制模块41使层析成像测量系统1中的X射线源11发出的X射线，穿过位于样品扫描机械系统14测量台上的被测锂离子电池12。根据原子核物理学的原理，当X射线穿越锂离子电池12时，其光子流将与锂离子电池12中的原子发生相互作用，产生光电效应、康普顿和电子对效应，并发出相应的光电信号，这些光电信号携带了锂离子电池结构形态的信息。

为了获取锂离子电池的三维截面信息，还需通过扫描控制模块41使样品扫描机械系统14带动锂离子电池12做连续地扫描运动以及通过控制光电探测器13对扫描过程中的光电信号作连续地记录。

接着，这些光电信号经过数据采集系统2，信号进行放大、AD转换等处理，将以数字信号形式进入图像处理模块42。

在图像处理模块42中，对该数字信号进行数字图像处理和重建，从电池零部件层析图像中提取电芯极板、隔膜、电解液、杂质和单体电池层析图像。结合电池零部件组分及其杂质组分形态、浓度、温度和自放电的分析和相关电池充放电性能实验结果，给出具有自放电特征的各种电池零部件及其杂质层析图像信息，进而获得介观尺度的电池零部件及其杂质组分层析结构形态图像，该图像表现了电池零部件及其杂质层析结构形态及其物理化学特性。

同时，电化学特性测量系统3获取锂离子电池12电压、电流、容量等基本参数，以及体现电池反应机理的交流阻抗参数等电化学特性信息。

智能检测模块43通过锂离子电池的电芯极板、隔膜、电解液和杂质的层析结构形态图像及其电化学特性信息，获取电池零部件及其杂质的物理与化学状态的数字及其图像信息。接着，从测量信息中分析电池零部件物理与化学状态与单体电池自放电率和内阻之间关系，得到电池零部件及杂质层析结构形态与电化学特性同锂离子电池自放电定量关系，从而实时、精确的获得锂离子电池的自放电特性，得到锂离子电池的自放电率，对其进行存储等处理，并通过LCD显示模块44进行显示。

根据得到的电池的自放电率，可直观地将自放电率较大的单体电池剔除，同时对自放电率满足要求的单体电池作进一步分类，有利于提升单体电池在配组中的一致性。

需要说明的是,上文只是对本发明进行示意性说明和阐述,本领域的技术人员应当明白,对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于，包括层析成像测量系统、数据采集系统、电化学特性测量系统和检测控制系统，其中：

所述层析成像测量系统用于获得重建锂离子电池三维层析图像所需的完整数据；

所述数据采集系统用于将所述层析成像测量系统的输出信号进行放大、AD转换处理；

所述电化学特性测量系统用于获取锂离子电池电压、电流、容量参数，以及体现电池反应机理的电化学特性信息，所述电化学特性信息包括交流阻抗；

所述检测控制系统主要用于采集数据过程的扫描控制以及综合锂离子电池层析结构形态图像信息与其电化学特性参数得到锂离子电池的自放电率，并对得到的自放电率信息进行显示和存储处理。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于：所述层析成像测量系统包括X射线源、锂离子电池、光电探测器、样品扫描机械系统及辅助系统，

所述层析成像测量系统利用X射线的光子流与锂离子电池结构中的原子相互作用，光电探测器对扫描过程中的光电信号作连续地记录。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于：所述数据采集系统包括信号放大器、AD转换器，

所述数据采集系统主要指的是从光电探测器输出直到数据采集系统中计算机读入之间的电子电路，用于将从光电探测器输出信号进行放大、AD转换处理。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于：所述电化学特性测量系统包括恒电位仪、恒电流仪、电化学交流阻抗分析仪，

所述电化学特性测量系统用于检测电池电压、电流、容量基本参数，以及检测体现电池反应机理的交流阻抗参数，从而完成对多种状态下电池参数的跟踪和分析。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于：所述检测控制系统包括扫描控制模块、图像处理模块、智能检测模块、LCD显示模块，

所述扫描控制模块的用于按照预定的扫描模式对控制各运动分系统的电机驱动器发出命令、测定运动的实际位置并通过反馈系统保证运动准确性符合预定的技术要求、同步地控制射线源及射线测量系统按照预定的位置读出测量投影数据；

所述图像处理模块用于锂离子电池的三维层析图像的重建，从电池零部件层析图像中提取电芯极板、隔膜、电解液、杂质和单体电池层析图像以及对层析图像的分析处理；

所述智能检测模块用于综合考虑电池零部件层析结构形态及其物理化学特性，分析出电池层析结构形态及其电化学特性参数与电池自放电之间的关系，从而得到锂离子电池的自放电率，并对其进行存储处理；

所述LCD显示模块用于对自放电率信息进行显示。

6.根据权利要求2所述的一种锂离子电池自放电检测系统，其特征在于：所述辅助系统包括辅助电源和辐射安全系统，用于提供备用电源和隔离辐射。