CN107490764B - 电池内压的检测方法及电池体积的检测方法 - Google Patents

电池内压的检测方法及电池体积的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电池内压的检测方法及电池体积的检测方法，其利用实验采集的数据建立内压模型方程或体积模型方程，并将内压模型方程或体积模型方程导入到检测系统中，并利用检测系统采集电池的温度、电压及时间得到电池的内压或体积。在本发明的电池内压的检测方法及电池体积的检测方法中，无需增加额外的内压的测量装置或体积的测量装置，仅需直接利用检测系统采集电池的温度、电压及时间，就能够准确地得到电池的内压或体积；当检测的内压或体积达到警戒值时，能够及时发出警报，也可以在监控过程中提醒客户及时更换电池；所以本发明的电池内压的检测方法及电池体积的检测方法极大地提高了电池的安全性，降低了监控电池内压或体积的设备成本。

Description

电池内压的检测方法及电池体积的检测方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种电池内压的检测方法及电池体积的检测方法。
背景技术
锂离子电池在使用过程中，特别是在高温高压存储过程中，会产生大量的气体，导致电池内压增大，致使电池失效，甚至发生破损漏液等安全问题。
为了检测电池内压的变化，现有技术中在电池内部设置压力传感器，但压力传感器一方面占用电池内部空间，影响电池能量密度；另一方面，压力传感器在电池内部会有被腐蚀的风险，影响检测的可靠性，成本极高，且仍处于研发阶段。
现有技术中还可在电池外部设置间隙检测装置，通过检测壳体膨胀时的位移来判断电池内部压强，但壳体的膨胀需要足够的气压，当气压较低时，不能准确判断电池内部气压大小，只有在电池内部气压很高，导致电池壳体膨胀较严重时才可以判断电池产气是否异常；这种方法的灵敏度和时效性都无法保证电池的安全使用。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种电池内压的检测方法，其能提高电池的安全性，并降低监控电池内压的设备成本。
为了实现上述第一目的，在第一方面，本发明提供了一种电池内压的检测方法，首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的内压模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的内压的增量ΔP；其中，U基为电池设定的基准电压，ap、bp、cp为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的内压增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的内压的总增量，电池的原始内压与内压总增量的和即为电池的当前内压；
其中，内压模型方程中的ap、bp、cp的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的内压增量ΔP，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与内压增量ΔP之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到内压模型方程中的ap、bp、cp的值。
在根据本发明的电池内压的检测方法中，无需增加额外的内压测量装置，仅需直接利用检测系统采集电池的温度、电压及时间，就能够准确地得到电池的内压；当检测的内压达到警戒值时，能够及时发出警报，也可以在监控过程中提醒客户及时更换电池；所以根据本发明的电池内压的检测方法极大地提高了电池的安全性，降低了监控电池内压的设备成本。
本发明的第二目的在于提供一种电池体积的检测方法，其能提高电池的安全性，并降低监控电池体积的设备成本。
为了实现上述第二目的，在第二方面，本发明提供了一种电池体积的检测方法，首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的体积模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的体积的增量ΔV；其中，U基为电池设定的基准电压，av、bv、cv为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的体积增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的体积的总增量，电池的原始体积与体积总增量的和即为电池的当前体积；
其中，体积模型方程中的av、bv、cv的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的体积增量ΔV，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与体积增量ΔV之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到体积模型方程中的av、bv、cv的值。
在根据本发明的电池体积的检测方法中，无需增加额外的体积测量装置，仅需直接利用检测系统采集电池的温度、电压及时间，就能够准确地得到电池的体积；当检测的体积达到警戒值时，能够及时发出警报，也可以在监控过程中提醒客户及时更换电池；所以根据本发明的电池体积的检测方法极大地提高了电池的安全性，降低了监控电池体积的设备成本。
具体实施方式
下面详细说明本发明的电池内压检测方法及电池体积的检测方法。
首先说明根据本发明的第一方面的电池内压的检测方法。
根据本发明的电池内压的检测方法首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的内压模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的内压的增量ΔP；其中，U基为电池设定的基准电压，ap、bp、cp为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的内压增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的内压的总增量，电池的原始内压与内压总增量的和即为电池的当前内压；
其中，内压模型方程中的ap、bp、cp的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的内压增量ΔP，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与内压增量ΔP之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到内压模型方程中的ap、bp、cp的值。
在根据本发明的电池内压的检测方法中，无需增加额外的内压测量装置，仅需直接利用检测系统采集电池的温度、电压及时间，就能够准确的得到电池的内压；当检测的内压达到警戒值时，能够及时发出警报，也可以在监控过程中提醒客户及时更换电池；所以根据本发明的电池内压的检测方法极大的提高了电池的安全性，降低了监控电池内压的设备成本。
在此补充的是，电池的基准电压U基可为电池的放电截止电压U放与电池的充电截止电压U充之间的任意值，优选U基＝U充，温度T的单位为K，电压U的单位为V，时间段t的单位为d。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，在实验过程中，检测不同电池分别在不同温度T、恒定电压U0条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的内压增量ΔP，得到在恒定电压U0、恒定时间段t0的条件下示出温度T与内压增量ΔP之间关系的第一组数据，优选U0＝U基；在实验过程中，检测不同电池分别在恒定温度T0、不同电压U条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的内压增量ΔP，得到在恒定温度T0、恒定时间段t0的条件下示出电压U与内压增量ΔP之间关系的第二组数据。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，利用所述第一组数据建立lnΔP与1/T的模型，并以lnΔP对1/T做线性回归；利用所述第二组数据建立lnΔP与U-U基的模型，并以lnΔP对U-U基做线性回归；通过两次线性回归得到的斜率和截距，求得ap、bp及cp的值。
在根据本发明的电池内压的检测方法中，先将lnΔP对U-U基做线性回归后，得到的斜率为s1，则内压模型方程在以U-U基为变量时，ap/T＝s1，所以可以求得ap＝T·s1；然后将lnΔP对1/T做线性回归，得到的斜率为s2，截距为f，则内压模型方程在以1/T为变量时，ap·(U0-U基)-bp＝s2，lnt+cp＝f，由于U0-U基、ap及lnt已知，因此可以求出bp＝T·s1·(U0-U基)-s2，cp＝f–lnt。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，温度T的取值范围为25℃-80℃，且恒定温度T0为该范围内的某一温度；电压U的取值范围为U放～U充+0.2V，且恒定电压U0为该范围内的某一电压，其中，U放为电池的放电截止电压，U充为电池的充电截止电压；恒定时间段t0的取值范围为0.1d～15d。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，使用压力传感器测量实验过程中中各个电池的内压增量ΔP。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，在检测系统采集的过程中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t的长短依据采集的温度T及电压U变化，温度T或电压U越高，则时间段t越短，温度T和电压U越低，则时间段t越长。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t优选为1h～24h。当然，为了检测需要，时间段t也可以小于1h或大于24h。比如，在实际使用过程中，根据电池所处环境及状态，选择合适的时间段。如电池所处温度或电压过高，电池产气量会迅速增大，可选择更小的时间段采集；如电池所处温度或电压较低，电池产气量很小，可选择更大的时间段采集。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，在检测系统采集的过程中，当采集的温度T大于45℃或U大于U额时，时间段t优选1h～6h；在检测系统采集的过程中，当采集的温度T小于等于45℃且U小于等于U额时，时间段t优选6h～24h。其中，U额为电池的额定工作电压。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，所述电池为硬壳电池。
在根据本发明的电池内压的检测方法的一实施例中，所述检测系统为电池管理系统(BMS)。检测系统可包括数据采集模块和数据处理模块，其中，数据采集模块对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，数据处理模块将采集的数据输入到内压模型方程并进行处理，以得到电池的内压。
其次说明根据本发明的第二方面的电池体积的检测方法。
根据本发明的电池体积的检测方法首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的体积模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的体积的增量ΔV；其中，U基为电池设定的基准电压，av、bv、cv为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的体积增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的体积的总增量，电池的原始体积与体积总增量的和即为电池的当前体积；
其中，体积模型方程中的av、bv、cv的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的体积增量ΔV，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与体积增量ΔV之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到体积模型方程中的av、bv、cv的值。
在根据本发明的电池体积的检测方法中，无需增加额外的体积测量装置，仅需直接利用检测系统采集电池的温度、电压及时间，就能够准确的得到电池的体积；当检测的体积达到警戒值时，能够及时发出警报，也可以在监控过程中提醒客户及时更换电池；所以根据本发明的电池体积的检测方法极大的提高了电池的安全性，降低了监控电池体积的设备成本。
在此补充的是，电池的基准电压U基可为电池的放电截止电压U放与电池的充电截止电压U充之间的任意值，优选U基＝U充，温度T的单位为K，电压U的单位为V，时间段t的单位为d。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，在实验过程中，检测不同电池分别在不同温度T、恒定电压U0条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的体积增量ΔV，得到在恒定电压U0、恒定时间段t0的条件下示出温度T与体积增量ΔV之间关系的第一组数据，优选U0＝U基；在实验过程中，检测不同电池分别在恒定温度T0、不同电压U条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的体积增量ΔV，得到在恒定温度T0、恒定时间段t0的条件下示出电压U与体积增量ΔV之间关系的第二组数据。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，利用所述第一组数据建立lnΔV与1/T的模型，并以lnΔV对1/T做线性回归；利用所述第二组数据建立lnΔV与U-U基的模型，并以lnΔV对U-U基做线性回归；通过两次线性回归得到的斜率和截距，求得av、bv及cv的值。av、bv及cv的具体算法与ap、bp及cp的算法相同。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，温度T的取值范围为25℃-80℃，且恒定温度T0为该范围内的某一温度；电压U的取值范围为U放～U充+0.2V，且恒定电压U0为该范围内的某一电压，其中，U放为电池的放电截止电压，U充为电池的充电截止电压；恒定时间段t0的取值范围为0.1d～15d。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，使用排水法测量实验过程中各个电池的当前体积或体积增量ΔV。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，在检测系统采集的过程中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t的长短依据采集的温度T及电压U变化，温度T或电压U越高，则时间段t越短，温度T和电压U越低，则时间段t越长。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t优选为1h～24h。当然，为了检测需要，时间段t也可以小于1h或大于24h。比如，在实际使用过程中，根据电池所处环境及状态，选择合适的时间段。如电池所处温度或电压过高，电池产气量会迅速增大，可选择更小的时间段采集；如电池所处温度或电压较低，电池产气量很小，可选择更大的时间段采集。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，在检测系统采集的过程中，当采集的温度T大于45℃或U大于U额时，时间段t优选1h～6h；在检测系统采集的过程中，当采集的温度T小于等于45℃且U小于等于U额时，时间段t优选6h～24h。其中，U额为电池的额定工作电压。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，所述电池为软包电池。
在根据本发明的电池体积的检测方法的一实施例中，所述检测系统为电池管理系统(BMS)。检测系统可包括数据采集模块和数据处理模块，其中，数据采集模块对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，数据处理模块将采集的数据输入到体积模型方程并进行处理，以得到电池的体积。
在此补充体积模型方程的推导过程：
体积模型方程主要依据阿伦尼乌斯(Arrhenius)公式：
其中k为反应速率系数，E为活化能，R为摩尔气体常数，T为绝对温度，A为指前因子；
变形可得公式1：
电极电势对电化学步骤反应速度的影响主要是通过影响反应活化能E来实现的。电池的基准电压为U基，基准活化能为E基，在电池使用过程中，产气反应基本上都属于氧化反应，当失去n个电子时，伴随着每一摩尔物质的变化总有数值为n mol的电荷转移，结合电化学原理(查全性.电极过程动力学导论(第三版)[M].科学出版社.2002.06.129-133.)可知反应的基准活化能E基减小了nFΔU的某一倍数，即改变电极电势后产气反应的活化能为：
E＝E基-βnFΔU，ΔU＝U-U基；
其中，E为当前活化能，U为当前电压，F为法拉第常数，β为交换系数。
因此，将上式代入公式1，即可得到电池在任意时刻的反应速率k，即得到公式2：
电池的体积变化量ΔV＝k·t，t为时间；所以
由于及lnA均为常数，所以分别以常数av、bv、cv代替，由此可得体积模型方程：
内压模型方程的推导过程与体积模型方程的推导过程相同，电池的内压变化量ΔP＝k·t，所以
由于及lnA均为常数，所以分别以常数ap、bp、cp代替，由此可得体积模型方程：
实施例1：
取多个电池进行实验，各电池的基准电压U基为4.2V，实验时间段t为8d，电池的原始体积为26ml，并用排水法测量各电池的体积变化。
首先，测量在基准电压U基时不同电池分别在不同的温度T(45℃、55℃、65℃、70℃及75℃，也就是318K、328K、338K、343K及348K)下实验8d后各电池的实际体积，并计算出各电池的体积增量ΔV，测得的数据如表1所示：
表1
温度T(K) 348 343 338 328 318
实际体积(ml) 45.80 37.06 30.62 26.83 26.46
体积增量ΔV(ml) 19.80 11.06 4.62 0.83 0.46
以lnΔV对1/T做线性回归，求得的斜率g1＝-14871，截距f1＝45.626，通过计算可知，体积模型方程中的bv＝14871，cv＝43.55。
然后，测量在65℃(即338K)时不同电池分别在不同的电压U(4.25V、4.20V、4.15V及4.10V)下实验8d后各电池的实际体积，并计算出各电池的体积增量ΔV，测得的数据如表2所示：
表2
电压U(V) 4.25 4.20 4.15 4.10
实际体积(ml) 32.43 30.62 27.41 26.46
体积增量ΔV(ml) 6.43 4.62 1.41 0.46
以lnΔV对U-U基做线性回归，求得的斜率g2＝18.202，通过计算可知，体积模型方程中的av＝6152。
所以，体积模型方程为：
电池在温度为65℃、电压4.25V的条件下工作5d后，通过上式计算该电池的体积增量ΔV为7.9ml，即此时电池的实际体积为33.9ml，而通过实验测得的实际体积为34.7ml，可见，本发明的电池体积的检测方法能够较为精确的检测出电池的体积。
实施例2：
取多个电池进行实验，各电池的基准电压U基为4.2V，实验时间段t为8d，并用压力传感器测量各电池的内压增量ΔP。
首先，测量在基准电压U基时不同电池分别在不同的温度T(45℃、55℃、65℃、70℃及75℃，也就是318K、328K、338K、343K及348K)下实验8d后各电池的内压增量ΔP，测得的数据如表3所示：
表3
温度T(K) 348 343 338 328 318
内压增量ΔP(pa) 171900 78400 35000 6500 1100
以lnΔP对1/T做线性回归，求得的斜率g3＝-18863，截距f2＝66.278，通过计算可知，内压模型方程中的bp＝18863，cp＝64.20。
然后，测量在65℃(即338K)时不同电池分别在不同的电压U(4.25V、4.20V、4.15V及4.10V)下实验8d后各电池的内压增量ΔP，测得的数据如表4所示：
表4
电压U(V) 4.25 4.20 4.15 4.10
内压增量ΔP(pa) 71400 35000 17100 8400
以lnΔP对U-U基做线性回归，求得的斜率g4＝14.272，通过计算可知，内压模型方程中的ap＝4824。
所以，内压模型方程为：
电池在温度为65℃、电压4.15V的条件下工作5d后，通过上式计算该电池的内压增量ΔP为10807pa，而通过实验测得的内压增量为11709pa，可见，本发明的电池内压的检测方法能够较为精确的检测出电池的内压。

Claims (12)

1.一种电池内压的检测方法，其特征在于，
首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的内压模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的内压的增量ΔP；其中，U基为电池设定的基准电压，ap、bp、cp为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的内压增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的内压的总增量，工作任意时长是多个连续时间段所对应的总时长，电池的原始内压与内压总增量的和即为电池的当前内压；
其中，内压模型方程中的ap、bp、cp的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的内压增量ΔP，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与内压增量ΔP之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到内压模型方程中的ap、bp、cp的值。
2.根据权利要求1所述的电池内压的检测方法，其特征在于，
在实验过程中，检测不同电池分别在不同温度T、恒定电压U0条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的内压增量ΔP，得到在恒定电压U0、恒定时间段t0的条件下示出温度T与内压增量ΔP之间关系的第一组数据，优选U0＝U基；
在实验过程中，检测不同电池分别在恒定温度T0、不同电压U条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的内压增量ΔP，得到在恒定温度T0、恒定时间段t0的条件下示出电压U与内压增量ΔP之间关系的第二组数据。
3.根据权利要求2所述的电池内压的检测方法，其特征在于，
利用所述第一组数据建立lnΔP与1/T的模型，并以lnΔP对1/T做线性回归；利用所述第二组数据建立lnΔP与U-U基的模型，并以lnΔP对U-U基做线性回归；通过两次线性回归得到的斜率和截距，求得ap、bp及cp的值。
4.根据权利要求1所述的电池内压的检测方法，其特征在于，在检测系统采集的过程中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t的长短依据采集的温度T及电压U变化，温度T或电压U越高，则时间段t越短，温度T和电压U越低，则时间段t越长。
5.根据权利要求4所述的电池内压的检测方法，其特征在于，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t为1h～24h。
6.根据权利要求4所述的电池内压的检测方法，其特征在于，
在检测系统采集的过程中，当采集的温度T大于45℃或U大于U额时，时间段t为1h～6h；
在检测系统采集的过程中，当采集的温度T小于等于45℃且U小于等于U额时，时间段t为6h～24h；
其中，U额为电池的额定工作电压。
7.一种电池体积的检测方法，其特征在于，
首先利用检测系统对工作中的电池的温度、电压及时间进行采集，每间隔一定的时间段t采集一次电池的温度T及电压U，并将采集到的温度T、电压U及时间段t输入到检测系统中的体积模型方程：
就可以计算出经过时间段t后电池的体积的增量ΔV；其中，U基为电池设定的基准电压，av、bv、cv为常数；
然后通过多次采集并求出多个连续时间段的体积增量的和，即可得到出工作任意时长后电池的体积的总增量，工作任意时长是多个连续时间段所对应的总时长，电池的原始体积与体积总增量的和即为电池的当前体积；
其中，体积模型方程中的av、bv、cv的值通过实验和计算求出：首先通过实验检测电池在对应的温度T、电压U及时间段t的条件下电池的体积增量ΔV，进而得到多组示出温度T、电压U、时间段t与体积增量ΔV之间关系的数据，然后利用所述数据计算得到体积模型方程中的av、bv、cv的值。
8.根据权利要求7所述的电池体积的检测方法，其特征在于，
在实验过程中，检测不同电池分别在不同温度T、恒定电压U0条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的体积增量ΔV，得到在恒定电压U0、恒定时间段t0的条件下示出温度T与体积增量ΔV之间关系的第一组数据，优选U0＝U基；
在实验过程中，检测不同电池分别在恒定温度T0、不同电压U条件下保持恒定的时间段t0，得到在对应的条件下各电池的体积增量ΔV，得到在恒定温度T0、恒定时间段t0的条件下示出电压U与体积增量ΔV之间关系的第二组数据。
9.根据权利要求8所述的电池体积的检测方法，其特征在于，
利用所述第一组数据建立lnΔV与1/T的模型，并以lnΔV对1/T做线性回归；利用所述第二组数据建立lnΔV与U-U基的模型，并以lnΔV对U-U基做线性回归；通过两次线性回归得到的斜率和截距，求得av、bv及cv的值。
10.根据权利要求7所述的电池体积的检测方法，其特征在于，在检测系统采集的过程中，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t的长短依据采集的温度T及电压U变化，温度T或电压U越高，则时间段t越短，温度T和电压U越低，则时间段t越长。
11.根据权利要求10所述的电池体积的检测方法，其特征在于，检测系统采集温度T及电压U间隔的时间段t为1h～24h。
12.根据权利要求10所述的电池体积的检测方法，其特征在于，
在检测系统采集的过程中，当采集的温度T大于45℃或U大于U额时，时间段t为1h～6h；
在检测系统采集的过程中，当采集的温度T小于等于45℃且U小于等于U额时，时间段t为6h～24h；
其中，U额为电池的额定工作电压。
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