CN112394289A - 一种锂离子电池充电时析锂检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池充电时析锂检测方法，包括以下步骤：1)获取特征频率集f；2)获取使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U；3)将待检测锂离子电池和充电装置连接；4)进行恒流充电，并在充电电流I_DC上叠加包含特征频率集f的扰动信号；5)采集电压和电流信号；6)进行时频分析获得特征频率集f下的阻抗Z；7)采用等效电路模型对获取的阻抗Z进行拟合后获取电路模型参数Rct；8)重复步骤3)～6)，以获取不同荷电状态下的阻抗参数Rct，得到阻抗在充电过程中随荷电状态的变化趋势；9)判断是否发生析锂。与现有技术相比，本发明具有很好的实时性和动态性，对于析锂的及时检测和充电策略的及时调整具有重要意义。

Description

一种锂离子电池充电时析锂检测方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车电池管理领域，尤其是涉及一种锂离子电池充电时析锂检测方法。

背景技术

锂离子电池因其高比能量、环保、无记忆效应等优点在交通工具、消费电子产品中大量采用。在锂离子电池使用过程中锂枝晶的产生将有可能刺穿隔膜，造成内短路。析锂是产生锂枝晶的必要条件，特别是充电过程中，大倍率或者低温充电极易导致析锂，进而诱发锂枝晶的发生，轻者造成电池寿命下降，重者造成内短路导致热失控。事故分析表明，多数电动汽车的自燃事故发生在充电过程中。因此，对动力电池充电过程中的析锂的有效检测将为锂枝晶和内短路的产生做出预警，具有重要意义。

发明专利CN111198328A公开了一种利用恒压充电过程中电流变化进行析锂检测的方法，但是，该方法需要采集电池长时间恒压充电下的电流数据，对于析锂的检测也不够及时、高效，而且，实际的电动汽车充电过程中，充电的恒压阶段由于效率低经常被省去，这也为基于此方法进行充电过程中的析锂检测造成了障碍。

发明专利CN108398649B和公开了一种电池放电过程中的析锂检测方法，其无法适用于大倍率或低温充电过程中。

发明专利CN111175656A和CN111273180A分别公开了利用充电过程中温度变化和压力变化进行析锂检测的方法。在电动汽车中，由于成本所限并不是所有的单体电池都会进行温度检测且温度易受环境影响，因此，CN111175656A公开的方法存在难度；另外CN111273180A公开的基于压力检测的方法存在成本高、复杂度高问题，也难以实车应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用动力锂离子电池充电时析锂检测方法，将有助于大倍率快充和低温充电时的充电策略及时调整，以避免析锂带来的电池加速衰减和安全性问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂离子电池充电时析锂检测方法，用以在蓄电池充电过程中判断是否产生析锂，包括以下步骤：

1)获取特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]；

2)在不同电池荷电状态下重复步骤1)，获取使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U；

3)将待检测锂离子电池和充电装置连接；

4)利用充电装置对锂离子电池进行直流分量大小为I_DC的恒流充电，并在充电电流I_DC上叠加包含特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]的扰动信号；

5)采集锂离子电池单体上的电压和电流信号；

6)分别对采集到的蓄电池电压和电流进行时频分析，获得特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]下对应的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；

7)建立锂离子电池的等效电路模型，并采用等效电路模型对获取的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]进行拟合后获取描述中频传荷段圆弧大小的电路模型参数Rct；

8)在蓄电池恒流充电过程中，重复步骤3)～6)，以获取不同荷电状态下的阻抗参数Rct，从而得到阻抗在充电过程中随荷电状态的变化趋势；

9)根据变化趋势判断是否发生析锂。

所述的步骤1)具体为：采用电化学工作站测量锂离子电池在0.01Hz～10kHz频率下的阻抗，获取电化学阻抗谱上用于确定中频圆弧段大小的特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]，且f₁>f₂,…,>f_n。

所述的步骤4)中，在充电电流I_DC上叠加的扰动信号特征为由多个频率的正弦波叠加生成，且其均值为0。

所述的步骤5)中，采集的电压和电流信号时长不小于2/f_n，且电压和电流为同步采样或具有明确的采样延迟时间，以便于进行相位补偿以准确获取不同频率下的阻抗。

所述的步骤6)中，采用的时频分析法包括Morlet小波变换法和加窗傅里叶变换法。

所述的步骤7)中，等效电路模型的阻抗表达式如下：

其中，Z为等效电路模型的阻抗，L₀为等效串联电感，R₀为等效欧姆电阻，R_film为等效固体电解质膜电阻，T_film为等效固体电解质膜电容，p_film为考虑固体电解质膜的多孔特性引入的修正因子，T_dl为电双层等效电容，p_dl为考虑电双层多孔特性引入的修正因子，R_W、p_W、T_W均为韦伯电阻参数，ω为角频率，j为虚数单位。

所述的步骤9)具体为：

在0～SOC_U荷电状态区间内，Rct随荷电状态呈下降趋势，若在荷电状态SOC_U之后，电路模型参数Rct继续呈下降趋势，则判断充电过程中发生析锂，若在荷电状态SOC_U之后，电路模型参数Rct呈现增长趋势，则判断充电过程中未发生析锂。

所述的步骤2)中，使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U取值为50％。

所述的步骤4)中，每隔5s在直流充电电流上注入扰动信号。

所述的步骤6)中，如果采用同步采样的方式采集电压和电流信号，则直接利用快速傅里叶方法对得到的电池电流和电压信号进行频率分析，获取特征频率集f下的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；如果采用非同步采样的方式采集电压和电流信号，且电压和电流信号之间的采样延迟被控制为t_delay，即电压采样相比于电流采样延迟t_delay，则利用该延迟时间对得到的各个频率下的阻抗进行相位修正，从而得到阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明提出的析锂检测方法可在电池恒流充电过程中进行，与现有技术相比，具有鲜明的创新性和独创性；

二、本发明提出的析锂检测方法可以在恒流充电过程中实时进行，无需打断正常充电过程，且可以依据本发明的析锂判断结果实时优化调整最佳充电电流。

综上，本发明所提出的析锂检测方法具有很好的实车可操作性和高实时性，对于延长电池寿命以及避免析锂带来的安全性问题具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的总体流程框图。

图2为动力电池不同频率下的阻抗随着荷电状态的变化。

图3为等效电路模型。

图4为实施例中根据阻抗变化实现充电过程中的析锂检测结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供一种锂离子电池充电时析锂检测方法，用以在蓄电池充电过程中判断是否产生析锂，包括以下步骤：

1)采用电化学工作站测量电池在10kHz～0.01Hz的频率下的阻抗，明确电化学阻抗谱上用于确定中频圆弧段大小的特征频率f＝[f₁,f₂,…,f_n]，其中f₁>f₂,…,>f_n；

2)在不同电池荷电状态下重复步骤1，明确使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U(单位：％)；

3)将待检测蓄电池和充电装置连接；

4)利用充电装置对蓄电池进行直流分量为I_DC的恒流充电，并在充电电流I_DC上叠加包含下述频率f＝[f₁,f₂,…,f_n]的扰动信号；

5)采集蓄电池单体上的电压和电流信号；

6)分别对采集到的蓄电池电压和电流进行时频分析，获得频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]下的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；

7)确定电池的等效电路模型，并采用等效电路模型对获取的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]进行拟合以获取描述中频传荷段圆弧大小的电路模型参数Rct；

8)在蓄电池恒流充电过程中，重复步骤3～6以获取不同荷电状态的阻抗参数Rct，从而得到阻抗在充电过程中随荷电状态的变化趋势；

9)在0～SOC_U荷电状态区间，Rct随荷电状态呈现下降趋势，若在SOC_U荷电状态之后Rct继续呈现下降趋势，则判断充电过程中发生析锂；若在SOC_U荷电状态之后Rct呈现增长趋势，则判断充电过程中未发生析锂。

本发明的实现原理如下：

动力电池不同频率下的阻抗随着荷电状态(state of charge，SOC)的变化具有明显的规律性，如图2所示，可以看到在SOC为50％时，中频圆弧最小，也即SOC_U＝50％。中频圆弧对应的是电池内部的传荷过程，即锂离子参与在活性颗粒嵌入脱出反应的过程，在析锂发生时，该中频圆弧将缩小。

采用图3所示的等效电路模型对图2中的电化学阻抗谱进行拟合便可得到描述中频圆弧大小的模型参数Rct，图3所示的等效电路模型的阻抗表达式如下：

电池的等效电路模型种类很多，具体采用哪一种需要根据电池的阻抗特性来进行选择，为了准确拟合图3中的等效电路模型，确定用于拟合等效电路模型的阻抗频率范围为500Hz-0.1Hz，宽于中频圆弧对应的频率范围，得到频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]。

车载充电机可通过控制策略更新和系统带宽重新设计，在充电时可产生包含丰富谐波成分的扰动信号，对于电动汽车应用场景，在电池充电时，利用车载充电机在充电电流上叠加多频率正弦合成后的扰动信号，与充电直流分量共同注入到动力电池中，当然，此扰动信号也可以为方波或阶跃信号等，相比较而言，多频率正弦合成的扰动信号更易保证扰动中感兴趣频率成分的信噪比，有利于更加精确地计算得到电池阻抗。

每隔5s在直流充电电流上注入扰动信号，对于大电流充电下，也可缩短扰动间隔时间，从而更及时准确地检测析锂状态。但是间隔时间不能无限制调整，而是要确保扰动中的频率为f_n的谐波有效检测。

在充电过程中，利用车载电池管理系统中的单体电池电流和电压采样装置得到在电流注入下的电池电压和电流，采样频率为f_s。为了有效分析信号频率，由香农采样定理可知被采集的电压和电流信号时长至少为2/f_n，实际中为了抑制噪声，可取时长为(10～20)/f_n。

对于采集得到的电压和电流信号，若是同步采样，则可以直接利用快速傅里叶方法对计算得到的电池电流和电压信号进行频率分析，得到相应频率f下的电池阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；若是非同步采样且电压和电流信号之间的采样延迟被准确控制为t_delay，即电压采样相比于电流采样延迟t_delay，则可以利用该延迟时间对算得的各个频率下的阻抗进行相位修正，即2πft_delay(弧度)，从而得到阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]。

在获取电池阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]后，利用如图3所示的等效电路模型对不同频率下阻抗进行拟合，得到描述中频圆弧大小的Rct。在利用等效电路模型拟合阻抗的过程中，可以采用非线性最小二乘类方法(如LM法)或随机优化算法(如粒子群优化算法)等。

上述过程在整个充电过程中重复执行，以获取Rct在整个充电过程中的变化规律，如图4所示，若描述中频圆弧的Rct随着SOC增长持续下降，则可认为发生了析锂；若Rct在SOC_U以后再次增加，则认为未发生析锂。

Claims (10)

1.一种锂离子电池充电时析锂检测方法，用以在蓄电池充电过程中判断是否产生析锂，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]；

2)在不同电池荷电状态下重复步骤1)，获取使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U；

3)将待检测锂离子电池和充电装置连接；

4)利用充电装置对锂离子电池进行直流分量大小为I_DC的恒流充电，并在充电电流I_DC上叠加包含特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]的扰动信号；

5)采集锂离子电池单体上的电压和电流信号；

6)分别对采集到的蓄电池电压和电流进行时频分析，获得特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]下对应的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；

7)建立锂离子电池的等效电路模型，并采用等效电路模型对获取的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]进行拟合后获取描述中频传荷段圆弧大小的电路模型参数Rct；

8)在蓄电池恒流充电过程中，重复步骤3)～6)，以获取不同荷电状态下的阻抗参数Rct，从而得到阻抗在充电过程中随荷电状态的变化趋势；

9)根据变化趋势判断是否发生析锂。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：采用电化学工作站测量锂离子电池在0.01Hz～10kHz频率下的阻抗，获取电化学阻抗谱上用于确定中频圆弧段大小的特征频率集f＝[f₁,f₂,…,f_n]，且f₁>f₂,…,>f_n。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤4)中，在充电电流I_DC上叠加的扰动信号特征为由多个频率的正弦波叠加生成，且其均值为0。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤5)中，采集的电压和电流信号时长不小于2/f_n，且电压和电流为同步采样或具有明确的采样延迟时间，以便于进行相位补偿以准确获取不同频率下的阻抗。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤6)中，采用的时频分析法包括Morlet小波变换法和加窗傅里叶变换法。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤7)中，等效电路模型的阻抗表达式如下：

其中，Z为等效电路模型的阻抗，L₀为等效串联电感，R₀为等效欧姆电阻，R_film为等效固体电解质膜电阻，T_film为等效固体电解质膜电容，p_film为考虑固体电解质膜的多孔特性引入的修正因子，T_dl为电双层等效电容，p_dl为考虑电双层多孔特性引入的修正因子，R_W、p_W、T_W均为韦伯电阻参数，ω为角频率，j为虚数单位。

7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤9)具体为：

在0～SOC_U荷电状态区间内，Rct随荷电状态呈下降趋势，若在荷电状态SOC_U之后，电路模型参数Rct继续呈下降趋势，则判断充电过程中发生析锂，若在荷电状态SOC_U之后，电路模型参数Rct呈现增长趋势，则判断充电过程中未发生析锂。

8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤2)中，使得中频圆弧最小的转折荷电状态SOC_U取值为50％。

9.根据权利要求3所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤4)中，每隔5s在直流充电电流上注入扰动信号。

10.根据权利要求5所述的一种锂离子电池充电时析锂检测方法，其特征在于，所述的步骤6)中，如果采用同步采样的方式采集电压和电流信号，则直接利用快速傅里叶方法对得到的电池电流和电压信号进行频率分析，获取特征频率集f下的阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]；如果采用非同步采样的方式采集电压和电流信号，且电压和电流信号之间的采样延迟被控制为t_delay，即电压采样相比于电流采样延迟t_delay，则利用该延迟时间对得到的各个频率下的阻抗进行相位修正，从而得到阻抗Z＝[Z₁,Z₂,…,Z_n]。

Images