CN111123148A - 一种判断金属二次电池内短路的方法及设备 - Google Patents

一种判断金属二次电池内短路的方法及设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种判断金属二次电池内短路的方法，通过利用运算逻辑进行判断，预先获取运算逻辑所需要的充电容量数据和库伦效率数据，将获得的数据带入运算逻辑中，如发现第n圈的库伦效率相比第n‑1圈的库伦效率下降了0.7％以上，而且充电容量有所提升，则满足第一步的运算逻辑；继续进行下一步的运算，当第n+1圈的库伦效率相比第n圈的库伦效率继续下降，且充电容量继续上升，则表明电池内部已出现微短路的情况，停止检测对电池做出处理。本发明的运算逻辑所需要获取的数据量小，判断准确，为金属二次电池内短路情况进行提前预警，大大提高了金属二次电池的安全性。此外，本发明还提供了一种判断金属二次电池内短路的方法用设备。

Description

一种判断金属二次电池内短路的方法及设备
技术领域
本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种判断金属二次电池内短路的方法及设备。
背景技术
随着社会的发展和人类的进步，对二次电源提出了越来越高的要求。目前，最广泛应用的二次电源当为锂离子电池，锂离子电池也是目前商用电池中能量密度最高的电池。但锂离子电池虽然容量大大高于传统铅酸电池，由于正负极容量的限制，目前的锂电池容量已经难以有大幅度提升。而随着电子设备的使用时间要求的提高，电动交通工具对续航里程要求的提升，锂离子电池已经难以满足未来高能量密度的需求。
而金属负极电池由于负极具有非常高的理论比容量、原料广泛、原材料价格低廉等优势而备受瞩目，近些年逐渐成为研究的热点。目前，金属锂负极电池获得了广泛深入的研究，其中的锂硫电池、锂空气电池均具有非常可观的容量，大幅度提升了电池的能量密度，具有非常诱人的前景。但金属锂负极材料依然存在不可避免的问题，由于很难控制充放电过程中锂金属表面电流的均匀性，很容易导致金属沉积过程出现一定的不均匀；而且随着循环次数的增多，这种效应会逐渐放大，锂离子优先在枝晶表面析出，导致枝晶逐渐长大，而枝晶容易导致死锂或刺穿隔膜导致短路，造成严重的安全事故。
为了解决锂枝晶存在的安全隐患，人们针对锂枝晶进行了大量深入的研究。目前解决的方法主要有(1)对金属锂表面进行涂层或包覆处理，减少锂枝晶的生成；(2)在电池电解质中加入一些添加剂，使电池负极表面形成一层致密的钝化层；(3)在电解液中加入铷、铯等盐，这些原子会优先于锂离子在锂金属表面沉积，减少锂枝晶。但是，这些方法仅能在一定程度上改善锂枝晶问题，即使是采用改善措施以后，电池依然存在内短路与爆炸起火的安全隐患，给用户带来潜在危险。另外，由于锂离子电池是一个封闭的系统，在测试过程中难以直观对电池内部锂枝晶问题进行表征，无法准确判断电池内部锂枝晶的生长情况，目前也并没有能对金属锂电池短路爆炸进行预警防范的方法。
中国专利申请(CN108318775A)提供了一种在线诊断电池短路故障的方法及装置，包括：获得电池单体的充电数据和放电数据；根据所述充电数据确定充电容量的电压区间段；确定与所述充电容量的电压区间段对应的充电时间；根据电池单体的充电容量增长曲线确定所述电池单体当前的充电容量；根据所述放电数据确定放电容量的电压区间段；确定与所述放电容量的电压区间段对应的放电时间；根据所述电池单体的放电曲线确定当前的放电容量；根据所述充电时间和放电时间计算短路故障诊断阈值；确定所述充电容量是否大于所述放电容量，若所述充电容量大于所述放电容量，且所述充电容量与所述放电容量的差值大于或等于所述短路故障诊断阈值，确定所述电池单体出现短路故障；若所述充电容量大于所述放电容量，且所述充电容量与所述放电容量的差值小于所述短路故障诊断阈值，确定所述电池单体为正常单体。虽然该方法可用于检测电池短路的情况，但是对于金属锂负极电池的检测存在极大的不确定性，并不能准确预测金属锂电池内部的情况。
有鉴于此，确有必要提供一种解决上述问题的技术方案。
发明内容
本发明的目的之一在于：通过提供一种判断金属二次电池内短路的方法，解决目前的电池短路检测方法无法准确判断金属二次电池内部情况的问题，本发明通过检测数据可以对金属二次电池在循环过程中可能产生的容量衰减及安全问题进行预警。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种判断金属二次电池内短路的方法，包括以下步骤：
S1，获取循环过程中金属二次电池的库伦效率x和充电容量y；
S2，当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)；则继续进行第n+1圈循环，如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；其中，n为正整数。
本发明提供一种判断金属二次电池内短路的方法，利用库伦效率和充电容量，将两者带入运算逻辑中，进而判断电池内部是否出现了短路的情况。当金属二次电池在循环过程中第n圈突然下降至0.7％以上，且充电容量变高，则预示着电芯内部发生了微短路或者是电芯外部环境发生了变化，如温度变化或是测试停机；继续观察第n+1圈的循环情况，如果是电芯内部发生了微短路，则在第n+1圈中，锂会在原短路点继续沉积，导致短路点继续变大，库伦效率将继续下降，而充电容量也将继续增高，由此可确定电芯内部已出现了微短路的情况；而如果只是电芯外部的环境发生了变化，那么在第n+1圈循环中，库伦效率和充电容量则恢复正常，并不会出现上述运算逻辑中的情况，可继续对电池进行检测，直至其满足上述的逻辑运算，达到一定圈数后仍不满足上述运算逻辑，则认为该金属二次电池并不会发生微短路的情况。其中，上述x(n)表示第n圈时的库伦效率，y(n)表示第n圈时的充电容量，以此类推。本发明人通过大量的电池测试验证了该运算逻辑的准确性，确定了0.7％判断值带来的准确性；解决了目前的电池短路检测方法无法准确判断金属二次电池内部情况的问题，通过检测数据对金属二次电池在循环过程中可能产生的容量衰减及安全问题进行了准确预警。
优选的，S2步骤中，当循环第n圈后，如出现x(n-1)-x(n)>0.9％，y(n)>y(n-1)；且继续进行第n+1圈循环后，出现x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路。
优选的，S1步骤中，先获取所述金属二次电池的充电容量y和放电容量z，由所述充电容量y和所述放电容量z计算得到所述库伦效率x。
优选的，所述充电容量y等于充电电流乘以对应的充电时间；所述放电容量z等于放电电流乘以对应的放电时间。
优选的，所述金属二次电池包括金属锂二次电池、金属锡二次电池和金属锌二次电池中的一种。更优选的，所述金属二次电池为金属锂二次电池。
本发明的目的之二在于：提供一种判断金属二次电池内短路的方法用设备，包括：
获取模块，用于获取金属二次电池的充电容量y和库伦效率x；
确定模块，与所述获取模块连接，用于判断是否停止对所述金属二次电池的测试，若当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)，则继续进行第n+1圈循环；如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路，停止对所述金属二次电池的检测；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测。
本设备主要配合本发明的判断方法，包括两大模块，主要为获取模块和确定模块。先利用获取模块得到运算逻辑所需要的初始数据，为充电容量数据和库伦效率数据，然后再将该数据传入确定模块中，利用确定模块中的运算逻辑对电池内部的情况进行判断，以确定下一步的动作指示。
优选的，所述获取模块包括容量获取块和与所述容量获取块连接的第一分析块，所述第一分析块用于计算所述金属二次电池的库伦效率x；
优选的，所述容量获取块包括电流获取小块、时间获取小块和第二分析块，所述电流获取小块和所述时间获取小块均与所述第二分析块连接，所述第二分析块与所述第一分析块连接，所述电流获取小块用于获取充电电流和放电电流，所述时间获取小块用于获取充电时间和放电时间，所述第二分析块用于计算所述金属二次电池的充电容量y和放电容量z。通过电流获取小块和时间获取小块获得的数据计算充电容量y和放电容量z，其中，充电容量为充电电流乘以对应的充电时间，放电容量为放电电流乘以对应的放电时间。
优选的，利用所述获取模块绘制所述库伦效率x与循环圈数的关系曲线图。通过该关系曲线可以更加直观的进行判断，更加有利于人工的下一步操作。
优选的，利用所述获取模块绘制所述充电容量y与循环圈数的关系曲线图。通过该关系曲线可以更加直观的进行判断，更加有利于人工的下一步操作。
优选的，利用所述获取模块绘制所述金属二次电池的容量保持率与循环圈数的关系曲线图。
本发明的有益效果在于：
1)本发明提供一种判断金属二次电池内短路的方法，包括以下步骤：S1，获取循环过程中金属二次电池的库伦效率x和充电容量y；S2，当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)；则继续进行第n+1圈循环，如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；其中，n为正整数。相比于现有技术，本发明利用该运算逻辑进行判断，预先获取运算逻辑所需要的数据，通过将获得的数据带入运算逻辑中，如发现第n圈的库伦效率相比第n-1圈的库伦效率下降了0.7％以上，而且充电容量有所提升，则满足第一步的运算逻辑；继续进行下一步的运算，当第n+1圈的库伦效率相比第n圈的库伦效率继续下降，且充电容量继续上升，则表明电池内部已出现微短路的情况，停止检测对电池做出处理。本发明的运算逻辑所需要获取的数据量小，判断准确，为金属二次电池内短路情况进行提前预警，大大提高了金属二次电池的安全性。
2)本发明还提供一种判断金属二次电池内短路的方法用设备，通过该设备配合判断逻辑的运算，可以对电池内部是否发生短路情况做出准确的判断，为保证电池的安全性提前做出了预警，同时也可以对电池的容量衰减情况进行预警，设备运行成本低，适用于工业化的生产应用。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
图2为本发明用设备的功能模块示意图。
图3为实施例1所列举的电池的库伦效率与循环圈数的关系曲线图。
图4为实施例1所列举的电池的充电容量与循环圈数的关系曲线图。
图5为对比例1所列举的电池的容量保持率与循环圈数的关系曲线图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施方式和说明书附图，对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种判断金属二次电池内短路的方法，包括以下步骤：
S1，分别获取金属二次电池的充电电流和对应的充电时间，以及放电电流和对应的放电时间，由充电容量y等于充电电流乘以对应的充电时间、放电容量z等于放电电流乘以对应的放电时间的计算式得到充电容量和放电容量，然后再由充电容量y和放电容量z得到库伦效率x；
S2，当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)；则继续进行第n+1圈循环，如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路，停止对所述金属二次电池的检测；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；其中，n为正整数。如图1所示。
例如，当一金属二次电池在第45圈之前处于正常的波动范围，第45圈的库伦效率为x(45)＝98.7％，充电容量y(45)＝0.871Ah；继续第46圈循环，库伦效率x(46)＝97.7％，充电容量y(46)＝0.878Ah，代入运算逻辑中发现：x(45)-x(46)＝1％>0.7％，且y(46)>y(45)，满足第一步的运算逻辑；再继续第47圈循环，库伦效率x(47)＝96.5％，充电容量y(47)＝0.883Ah，代入运算第二步运算逻辑中发现：x(46)>x(47)，y(47)>y(46)，满足第二步的运算逻辑，由此可以预测电池内部发生了微短路的情况，有起火爆炸的风险，停止对该电池继续检测。该电池的库伦效率x与循环圈数的关系曲线图可如图3所示，充电容量y与循环圈数的关系曲线图如图4所示，金属二次电池的容量保持率与循环圈数的关系曲线图如图5所示。
实施例2
一种判断金属二次电池内短路的方法用设备，包括：
获取模块，用于获取金属二次电池的充电容量y和库伦效率x；其中，获取模块包括容量获取块和与容量获取块连接的第一分析块，第一分析块用于计算所述金属二次电池的库伦效率x，而容量获取块又包括电流获取小块、时间获取小块和第二分析块，电流获取小块和时间获取小块均与第二分析块连接，第二分析块与第一分析块连接，电流获取小块用于获取充电电流和放电电流，时间获取小块用于获取充电时间和放电时间，第二分析块用于计算所述金属二次电池的充电容量y和放电容量z；先是利用电流获取小块和时间获取小块获得电流和对应的时间数据，然后利用该数据计算充电容量y和放电容量z，其中，充电容量为充电电流乘以对应的充电时间，放电容量为放电电流乘以对应的放电时间；接着再通过充电容量y和放电容量z计算库伦效率x；此外，可以利用获取模块绘制库伦效率x与循环圈数的关系曲线图、充电容量y与循环圈数的关系曲线图、金属二次电池的容量保持率与循环圈数的关系曲线图，通过关系曲线图更加直观的对电池内部的情况进行判断；
确定模块，与所述获取模块连接，用于判断是否停止对所述金属二次电池的测试，若当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)，则继续进行第n+1圈循环；如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路，停止对所述金属二次电池的检测；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测。如图2所示。
取足够数量的相同种类、不同种类的电池对本发明的测试方法进行验证，以下列举其中9个相同种类电池的验证结果，验证结果见表1。
表1
Figure BDA0002327472840000081
由表1的测试结果可知，本发明的运算逻辑正确，可以对电池内是否发生短路的情况进行预警，且预警结果100％准确，符合工业上的结果预测要求。此外，在对有短路预警的电池进行下一步验证时，发现即使是前期容量保持率还可以，但是经过几圈循环后就发生了起火爆炸的情况，例如实施例1中所举例的电池，在达到第47圈时其容量保持率仍是87％，但第49圈之后，就发生了起火爆炸的情况。由此可见，本发明的运算逻辑准确，有效防止了由于电池内部短路而引起的安全事故，为金属二次电池的应用提供了一个有力的后备支撑。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
此外，在本发明的设备所述的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

Claims (10)

1.一种判断金属二次电池内短路的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，获取循环过程中金属二次电池的库伦效率x和充电容量y；
S2，当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)，则继续进行第n+1圈循环；如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况；其中，n为正整数。
2.根据权利要求1所述的一种判断金属二次电池内短路的方法，其特征在于，S2步骤中，当循环第n圈后，如出现x(n-1)-x(n)>0.9％，y(n)>y(n-1)；且继续进行第n+1圈循环后，出现x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路。
3.根据权利要求1所述的一种判断金属二次电池内短路的方法，其特征在于，S1步骤中，先获取所述金属二次电池的充电容量y和放电容量z，由所述充电容量y和所述放电容量z计算得到所述库伦效率x。
4.根据权利要求3所述的一种判断金属二次电池内短路的方法，其特征在于，所述充电容量y等于充电电流乘以对应的充电时间；所述放电容量z等于放电电流乘以对应的放电时间。
5.根据权利要求1所述的一种判断金属二次电池内短路的方法，其特征在于，所述金属二次电池包括金属锂二次电池、金属钠二次电池、金属锡二次电池和金属锌二次电池中的一种。
6.一种根据权利要求1～5任一项所述的判断金属二次电池内短路的方法用设备，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取金属二次电池的充电容量y和库伦效率x；
确定模块，与所述获取模块连接，用于判断是否停止对所述金属二次电池的测试，若当循环第n圈后，如满足x(n-1)-x(n)>0.7％，y(n)>y(n-1)，则继续进行第n+1圈循环；如不满足则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测；当继续进行第n+1圈循环后，又满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池出现微短路，停止对所述金属二次电池的检测；反之，如果循环n+1圈后，没有满足x(n)>x(n+1)，y(n+1)>y(n)，则认为所述金属二次电池没有出现微短路的情况，继续对所述金属二次电池进行检测。
7.根据权利要求6所述的判断金属二次电池内短路的方法用设备，其特征在于，所述获取模块包括容量获取块和与所述容量获取块连接的第一分析块，所述第一分析块用于计算所述金属二次电池的库伦效率x。
8.根据权利要求7所述的判断金属二次电池内短路的方法用设备，其特征在于，所述容量获取块包括电流获取小块、时间获取小块和第二分析块，所述电流获取小块和所述时间获取小块均与所述第二分析块连接，所述第二分析块与所述第一分析块连接，所述电流获取小块用于获取充电电流和放电电流，所述时间获取小块用于获取充电时间和放电时间，所述第二分析块用于计算所述金属二次电池的充电容量y和放电容量z。
9.根据权利要求6所述的判断金属二次电池内短路的方法用设备，其特征在于，利用所述获取模块绘制所述库伦效率x与循环圈数的关系曲线图。
10.根据权利要求6所述的判断金属二次电池内短路的方法用设备，其特征在于，利用所述获取模块绘制所述充电容量y与循环圈数的关系曲线图。
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