CN112363069B - 一种锂离子电池极耳断裂检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种检测锂离子电池极耳断裂的方法,包括,S1:将电池进行充放电循环,记录循环数据;S2:计算待测电池每次充放电循环的充电或放电平均电压,获取异常循环;根据异常循环的充放电曲线,若存在数据点脱离充放电曲线差值大于第一预设阈值的充放电循环数据,则判定存在极耳断裂;若脱离充放电曲线差值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值,则检测dQ/dV曲线的峰谷间斜率;S3:若异常循环的dQ/dV曲线氧化或还原峰斜率绝对值有一个小于预设斜率阈值,则判定存在极耳断裂。本发明的有益效果为:可将电压‑容量曲线隐含的关系放大,便于观察和处理,更容易识别出叠片式锂离子电池内部极耳断裂;减少常规的分析方法不易检出和易漏检出的问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,涉及一种锂离子电池极耳断裂检测方法,特别涉及一种叠片式锂离子极耳断裂检测方法。
背景技术
叠片式锂离子电池与相同体系下的卷绕式锂离子电池相比具备能量密度更高、内阻低、循环寿命好、倍率性能好、电池变形和膨胀小等优点,在移动通信、储能和动力电源等领域得到广泛应用。但由于叠片焊接,装配极耳弯折和电池包装配等制造工序和工况下内部应力变化等原因,容易发生内部极耳单片或多片断裂等现象,造成电池内阻变大,容量衰减,甚至影响电池的安全性能。识别叠片式电池极耳一般有交流内阻法、直流内阻法、容量法和充放电曲线异常点观察法等,但只能识别明显的异常。
常见的极耳断裂的叠片式锂离子电池采用交流内阻、直流内阻和充放电容量等正常电池相比无明显差异,电池充放电曲线电压无波动或明显波动等时难以识别、判断,有时需要多次充放电才可以表现出来。如何有效识别锂离子电池极耳断裂问题,相关专利和文献鲜有报道。
发明内容
本发明要解决叠片式锂离子电池内部极耳断裂的难以识别、判断和容易遗漏的问题。
为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案为一种锂离子电池极耳断裂检测方法,包括如下步骤:
S1:将电池进行充放电循环,记录循环数据,所述循环数据包括循环次数、充放电容量及能量;
S2:计算待测电池每次充放电循环的充电或放电平均电压拟合平均电压与循环次数方程/>将ni次循环拟合/>与第ni次实际/>值相减,若绝对值大于第一预设阈值判定为异常循环;根据异常循环的充放电过程中电压值与电量值变化拟合充放电曲线QI-U,若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值大于第一预设阈值的充放电循环数据,则判定电池存在极耳断裂故障;若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值的充放电循环数据,则对充放电容量Q作微分处理,建立dQ/dV曲线,检测异常循环充放电过程的dQ/dV-V曲线的峰谷间斜率;
S3:若异常循环充放电过程的dQ/dV-V曲线氧化或还原峰斜率的绝对值有一个小于预设斜率阈值,则判定电池存在极耳断裂。
根据异常循环的充放电过程中电压值与电量值变化拟合充放电曲线QI-U;若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值大于第一预设阈值的充放电循环数据,则判定电池存在极耳断裂故障;
若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值的充放电循环数据,则对充电或放电容量Q微分处理,建立dQ/dV曲线,检测异常循环充放电过程的dQ/dV-V曲线还原峰的峰谷间斜率。对步骤S3中电压波动或跳变时的充电或放电容量Q微分处理,dQ/dV曲线上可明显看出dQ/dV<0或dQ/dV>0的异常峰。
本发明基于叠片式锂离子电池的充放电循环数据,并比较电池充放电循环中的平均电压找出其中充电或放电平均电压/>的异常数据,并对平均电压/>异常的充电或充放电曲线进行分析,当有电压波动或跳变时,极耳有断裂;当无明显电压波动或跳变时,对充电或放电容量Q微分处理,建立dQ/dV曲线,,并对相同循环次数ni正常电池dQ/dV曲线对比,当电池极耳断裂或微断裂时,dQ/dV曲线有波动,且电池电化学反应动力学性能变差;作为优选,可对步骤S3中电压波动或跳变时的充电或放电容量Q微分处理,dQ/dV曲线上可明显看出dQ/dV<0或dQ/dV>0的异常峰。以此筛选出内部极耳断裂的锂离子电池。
作为优选,充放电循环制式为:
充放电循环的充放电制式为:
充电过程包括:以C1恒流充电至电池电压为Vm,截止电流C2,静止t分钟后以C1放电至电池电压为Vn,
其中,C1、C2为设定电流,Vm、Vn分别任为电池的最高允许电压与放电截止电压;
放电过程为恒流放电。
通过设定标准充放电制式,在标准充放电制式下进行充放电循环获得的数据具有可信性。
本发明是通过对于充放电循环中的平均电压的比较获取锂离子电池内部极耳断裂情况,当电池内部存在极耳断裂时,电池内部的接触内阻变大,使得循环过程平均电压波动,电池充电或放电电压曲线出现波动或微波动,具体表现为充放电循环时偶然出现平均放电电压波动。
作为优选,获得异常循环的方法包括:
其中,σ1为第一预设阈值,i∈[1,n],n为充放电循环次数。
一般情况下,锂离子电池内部极耳无断裂的电池在充放电循环过程中,第n次循环充电或放电平均放电电压与/>和/>成线性关系,平均电压方程/>的图像大致呈一条直线。而对于锂离子电池内部极耳断裂时,电池充放电循环中会出现充电或放电平均放电电压异常的情况,表现为平均电压出现电压跳变。当实际测得充放电循环中某次平均电压与理论值差距大于设定的阈值时,判定该次充放电循环存在异常,作为异常循环进行下一步分析。
其中,Vn、Vn-1以及Vn+1分别表示第n个电压采样值、第n-1个电压采样值以及第n+1个电压采样值。
当电压变化小于σ1且大于σ2时,近一步对第n次充电或放电容量Q微分处理,得到dQ/dV曲线,并同相同循环次数的正常电池dQ/dV曲线做对比,当电池极耳断裂或微断裂时,dQ/dV曲线有微波动,和正常电池相比其电化学反应动力学性能变差。其中σ2为第二预设阈值。
对电池极耳断裂或微断裂时dQ/dV曲线有微波动的情况,近一步比较或计算dQ/dV曲线的氧化或还原峰斜率。
作为优选,计算氧化或还原峰斜率的方法包括:
获取dQ/dV曲线上的还原峰最小值点,分别表示为D1、D2…Dn,
获取dQ/dV曲线上每两个最小值点间的最大值点,分别表示为G1、G2…Gn-1;
作为优选,检测异常循环充放电过程的dQ/dV曲线的峰谷间斜率的方法包括:
建立式组A:
若式组A中满足至少一个条件,则判定电池内部存在极耳断裂故障,其中,σkn、σ′kn均为设定斜率阈值。
当电池极耳断裂或微断裂时,dQ/dV曲线有微波动,和正常电池相比其电化学反应动力学性能变差,氧化还原峰的斜率偏低。
本发明基于叠片式锂离子电池的充放电循环数据,计算电池充放电循环中的充电或放电平均电压,找出平均电压跳变的充放电循环次数,并对充电或放电曲线分析,平均电压大于设定第一阀值进行下一步分析;电压跳变或波动大于设定第二阀值,则判定为极耳断裂;电压跳变或波动不明显时,进行dQ/dV曲线分析,并同相同循环次数的正常电池进行比较,氧化或还原峰斜率超出设定的第三阀值时,则判定极耳断裂。
本发明的有益效果是:(1)以标准循环的充电或放电平均电压、充放电曲线和dQ/dV曲线分析相结合,更容易识别出锂离子电池内部极耳断裂;(2)适用范围广,不仅可检出断裂、虚焊,而且可检出电池内部极耳微断裂的问题,减少常规的分析方法不易检出和易漏检出的问题。
附图说明
图1为实施例一的标准循环放电平均电压-循环次数示意图。
图2为实施例一的平均电压跳变的充放电电压-电量关系示意图。
图3为实施例一的均电压跳变的放电dQ/dV曲线示意图。
图4为实施例二的标准循放电环平均电压--循环次数示意图。
图5为实施例二的第一个放电平均电压跳变的放电电压-容量关系示意图。
图6为实施例二的第一个放电平均电压跳变的放电dQ/dV曲线示意图。
图7为实施例二的第二个放电平均电压跳变的放电电压-容量关系示意图。
图8为实施例二的第二个放电平均电压跳变的放电dQ/dV曲线示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例,并结合附图,对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
实施例一:
一种锂离子电池极耳断裂检测方法,包括:
将一NCM/C体系的45Ah叠片式锂离子电池进行50次充放电循环,充放电制式为,以1C恒流充电至4.2V,恒压充电至电流0.05C,静止10分钟,以1C放电至2.7V。记录每次循环的放电能量及放电容量,计算得到每次放电的平均电压,放电平均电压的计算方法:其中,∫u(t)I(t)dt为放电能量,∫I(t)dt为电池容量。建立充放电曲线模型,经计算,如图1所示,循环第35次时平均电压发生4mV跳变。将第35次充放电循环作为异常充放电循环,对第35次充放电循环数据同对比例比较,其中,对比例中电池容量、化学体系及充放电制式同测试电池。
如图2所示,第35次充放电循环的充放电曲线不存在明显异常,则检测第35次充放电循环dQ/dV曲线。
如图3所示,在第35次充放电循环dQ/dV-V曲线中,第1个最高点与第2个最低点、第2个最低点与第2个最高点之间的斜率明显小于正常对比例中对应斜率,可判断为电池内部极耳存在断裂故障。对比例中放电dQ/dV-V曲线中有3个还原峰,对应NCM几种晶体相态转变,相态转变分别为H1(六方相)+M(单斜相)、M(单斜相)+H2(六方相)、H2(六方相)+H3(六方相)。同样的在图3中也可以看出,测试电池的充放电循环dQ/dV-V曲线与对比例相比,测试电池中的还原峰(M+H2)相比对比例有明显波动,可判断为电池内部极耳是否断裂和微断裂。
实施例二:
一种锂离子电池极耳断裂检测方法,包括:
一NCM/C体系的45Ah叠片式锂离子电池进行100次充放电循环,电池充放电电制式同实施例一,计算每次充放电循环的放电平均电压,充放电循环的放电平均电压的计算方法同实施例一。
如图4所示,在第60次循环后放电平均电压发生波动,第70次循环时平均电压波动最大,平均电压波动47.11%(容量波动41.46%),第75次循环后电压变化趋于平缓,第76次电压最大波动4mV。第73次循环放电时电压在3.550V~3.650V之间向下呈呈锯齿状波动,最大波动9mV,;第76次循环放电时电压在3.860V~4.920V之间向上波动4mV。
选择第73次充放电循环作为异常充放电循环,如图5所示,第73次充放电曲线上波动较为不明显,则对第73次循环放电曲线进行dQ/dV曲线分析,如图6所示,对比例相中还原峰(M+H2)位置应向下,而实施例2中M+H2对应峰尖锐凸起向上,dQ/dV值>0,明显有一部分能量消耗在电池内部接触电阻大上。
选择第76次充放电循环作为异常充放电循环,如图7所示,第76次充放电曲线上波动较为不明显,则对第73次循环放电曲线进行dQ/dV曲线分析,如图8所示,第1个最高点与第2个最低点之间的斜率明显过小,也可得出电池内部极耳有断裂故障的结论。
拆解实施例2的叠片式锂离子电池发现一个正极耳二层完全断裂,三层负极极耳3/5断裂。
Claims (7)
1.一种锂离子电池极耳断裂检测方法,其特征在于,具体方法包括:
S1:将电池进行充放电循环,记录循环数据,所述循环数据包括循环次数、充放电容量及能量;
S2:计算待测电池每次充放电循环的充电或放电平均电压拟合平均电压与循环次数方程/>将ni次循环拟合/>与第ni次实际/>值相减,若绝对值大于第一预设阈值判定为异常循环;根据异常循环的充放电过程中电压值与电量值变化拟合充放电曲线QI-U,若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值大于第一预设阈值的充放电循环数据,则判定电池存在极耳断裂故障;若存在数据点脱离充放电曲线QI-U差值小于第一预设阈值且大于第二预设阈值的充放电循环数据,则对充放电容量Q作微分处理,建立dQ/dV曲线,检测异常循环充放电过程的dQ/dV-V曲线的峰谷间斜率;
S3:若异常循环充放电过程的dQ/dV-V曲线氧化或还原峰斜率的绝对值有一个小于预设斜率阈值,则判定电池存在极耳断裂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池极耳断裂检测方法,其特征在于,所述充放电循环的充放电制式为:
充电过程包括:以C1恒流充电至电池电压为Vm,截止电流C2,静止t分钟后以C1放电至电池电压为Vn,
其中,C1、C2为设定电流,Vm、Vn分别任为电池的最高允许电压与放电截止电压;
放电过程为恒流放电。
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