CN112415415B - 一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法，用以获得待检测锂离子电池的衰减程度，包括以下步骤：1)对锂离子电池进行降温；2)对锂离子电池进行电化学阻抗谱测试；3)获取电池电化学阻抗谱；4)利用弛豫时间分布对电池电化学阻抗谱进行计算，获取界面极化过程的时间常数的极化分布图；5)根据界面极化过程的时间常数的极化分布图，根据中心时间常数对应识别出电池内部四种界面极化过程；6)获取每个界面极化过程的界面电阻；7)根据界面电阻获取该锂离子电池阴极和阳极各界面极化过程的衰减程度，完成电池寿命诊断。与现有技术相比，本发明利用低温测量对电池内部反应过程进行放大，能够独立识别出电池阳极和阴极的衰减程度。

Description

一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法

技术领域

本发明涉及电池寿命诊断技术领域，尤其是涉及一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法。

背景技术

当前，大规模的可再生能源发展以及对交通工具电气化需求的增加使得对储能系统的需求快速增长，锂离子电池由于具有高功率、高能量密度以及循环使用寿命长等优点，被广泛应用于储能系统，尤其是已经成为电动汽车的核心组件，对于锂离子电池使用寿命的估计和预测对于保证系统的正常运行以及避免因电池寿命衰减导致一些不必要的事故的发生具有重要的意义。

为了确保锂离子电池的效率和可靠性，非侵入式的评估方法是必需的，研究表明，当前车用锂离子电池在低温下具有内部反应过程变缓，扩散变慢等特点，外在的表现具有低温下电池阻抗变大，易于辨识的特点，电化学阻抗谱作为一种有效地电池阻抗测量技术，其蕴含着丰富的信息，已经被证明是表征电化学系统非常有前途的工具，现有研究证明弛豫时间分布在频域中具有很高的分辨率，能够用于锂离子电池的诊断和评估，但是，在锂离子电池(全电池)中，存在一些界面过程相互重叠的情况，这就给非侵入性识别带来困难。

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基于低温环境测量的电池寿命诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法，用以获得待检测锂离子电池的衰减程度，包括以下步骤：

1)对锂离子电池进行降温；

2)对锂离子电池进行电化学阻抗谱测试；

3)获取电池电化学阻抗谱；

4)利用弛豫时间分布对电池电化学阻抗谱进行计算，获取界面极化过程的时间常数的极化分布图；

5)根据界面极化过程的时间常数的极化分布图，根据中心时间常数对应识别出电池内部四种界面极化过程；

6)获取每个界面极化过程的界面电阻；

7)根据界面电阻获取该锂离子电池阴极和阳极各界面极化过程的衰减程度，完成电池寿命诊断。

所述的步骤1)中，锂离子电池降温的温度不高于5℃。

所述的步骤2)中，电化学阻抗谱测试具体为：

对锂离子电池施加交流激励，在全频范围内进行电化学阻抗谱测试。

所述的步骤4)中，利用弛豫时间分布对电池电化学阻抗谱进行计算具体为：

将描述锂离子电池的RQ并联电路的极化分布分为N个RC并联电路的极化分布之和，则有：

其中，γ(τ)为时间常数的极化分布，δ(τ)为狄拉克函数表达式，R_c,n为第n个极化分布的高度，τ_n为第n个极化分布的中心时间常数，且n的取值为1、2、3、4。

每个极化分布的中心时间常数对应一种界面极化过程的RC并行单元。

所述的步骤5)中，四种界面极化过程分别为接触过程、钝化膜过程、阳极电荷转移过程和阴极电荷转移过程。

所述的步骤5)中，接触过程、钝化膜过程、阳极电荷转移过程和阴极电荷转移过程对应的中心时间常数依次增大，并以此识别各界面极化过程。

所述的步骤7)中，以每种界面极化过程对应的时间常数的极化分布曲线积分得到的面积作为该界面极化过程对应的界面电阻。

第k种界面电阻R_c,k的计算式为：

其中，τ₁,τ_N分别为中心时间常数的积分下上限。

电池的阳极和阴极的衰减程度的计算式为：

其中，R_c,ini为新电池的界面电阻。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明利用低温环境能够“放大”电池内部反应过程，从而对电池内部反应过程进行准确识别；

二、本发明采用交流阻抗分析技术，解决动力电池中界面重叠的问题，能够对电池内部四种界面极化过程进行准确的识别，能够独立识别出电池阳极和阴极的衰减程度。

附图说明

图1为本发明的总体流程框图。

图2为界面极化过程的弛豫时间分布与等效电路的对应关系。

图3为不同循环周期下锂离子电池低温交流阻抗谱。

图4为不同循环周期下锂离子电池弛豫时间分布图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法做进一步说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中实施例中所提到定义如下：

弛豫时间分布：弛豫时间分布是一种对交流阻抗谱进行解析的技术，其不依赖于研究对象先验知识，可用于分离和解析阻抗谱中重叠的物理化学过程。

本发明所提出的一种电池寿命诊断方法为基于低温测量实现的，电池的阳极和阴极在不同的温度下电化学阻抗响应不同，通过降低温度不仅能够“放大”电池内部的化学反应，而且能够根据阳极和阴极的不同响应有效地分离出锂离子电池的界面过程，从而能够有效地独立识别出电池阳极和阴极的衰减程度，具体实施例的实施步骤如下：

1)对锂离子电池进行降温，本例中降温至-5℃；

2)在低温条件下，对锂离子电池进行电化学阻抗谱测试，对锂离子电池施加幅值为1A的交流电，频率测量范围10kHz～0.01Hz；

3)获取低温条件下的电化学阻抗谱；

4)利用弛豫时间分布对锂离子电池交流阻抗谱进行计算，具体包括以下内容：

41)理想的电阻R和电容C的并联电路的弛豫时间分布曲线显示狄拉克脉冲，峰值高度R_c等于电阻R，时间常数τ可以表示为：

其中，f为频率，R为并联电路的电阻，C为并联电路的电容；

42)RQ并联电路的极化分布分为N个RC并联电路的极化分布之和：

其中，δ(τ)为狄拉克函数表达式，R_c,n为该极化分布的高度,由划分的N的个数即拟合得到，τ_n是第n个极化分布的中心时间常数，n＝1,2,3,4；

5)根据界面极化过程的中心时间常数，识别锂离子电池内部四种界面极化过程，分别为接触过程、钝化膜过程(阳极固体电解质界面膜过程和阴极固体电解质界面膜过程)、阳极电荷转移过程和阴极电荷转移过程；

6)以每种界面极化过程对应的时间常数的极化分布曲线积分得到的面积作为该界面极化过程对应的界面电阻，每个界面极化过程的电阻计算方式为：

其中，R_c为界面电阻，γ(τ)为时间常数的极化分布；

7)在特定工况下对电池进行循环老化；

8)在锂离子电池历经特定循环老化后，重复步骤1)至步骤5)；

9)对比新电池和老化电池的界面极化过程的中心时间常数和界面电阻；

10)分别评估老化锂离子电池阴极和阳极的衰减程度，具体为：

根据计算获得的中心时间常数分别确定每个电池的阳极或阴极的界面极化过程，根据每个阴极或阳极电荷迁移界面电阻R_c的变化，

电池的阳极和阴极的衰减程度的计算式为：

其中，R_c,ini为新电池的界面电阻。

本实施例中的实验对象是2.5Ah的18650型锂离子电池，电池内部四种界面极化过程的弛豫时间分布及等效电路的对应关系如图2所示，锂离子电池内部四种界面极化过程的弛豫时间分布各个峰对应的含义如表1所示，在恒流恒压充电和恒流放电的循环充放电工况下，锂离子电池在循环100周、300周、700周后，在低温-5℃下进行交流阻抗测试，交流阻抗的测试结果如图3所示，利用弛豫时间分布对不同循环周期下锂离子电池交流阻抗谱的计算结果如图4所示。通过计算得出在不同的循环周期下，锂离子电池阳极和阴极的衰减程度如表2所示。

表1：锂离子电池每个弛豫时间峰的含义

表2：锂离子电池阳极和阴极的衰减程度

循环周期	阴极衰减％	阳极衰减％
			100	0.63	0.05
300	1.66	0.11
			700	4.30	1.73

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不能限制本发明，凡是在本发明的精神与原则之内，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法，用以获得待检测锂离子电池的衰减程度，其特征在于，包括以下步骤：

1)对锂离子电池进行降温；

2)对锂离子电池进行电化学阻抗谱测试；

3)获取电池电化学阻抗谱；

4)利用弛豫时间分布对电池电化学阻抗谱进行计算，获取界面极化过程的时间常数的极化分布图，利用弛豫时间分布对电池电化学阻抗谱进行计算具体为：

将描述锂离子电池的RQ并联电路的极化分布分为N个RC并联电路的极化分布之和，则有：

其中，γ(τ)为时间常数的极化分布，δ(τ)为狄拉克函数表达式，R_c,n为第n个极化分布的高度，τ_n为第n个极化分布的中心时间常数，且n的取值为1、2、3、4，每个极化分布的中心时间常数对应一种界面极化过程的RC并行单元；

5)根据界面极化过程的时间常数的极化分布图，根据中心时间常数对应识别出电池内部四种界面极化过程，四种界面极化过程分别为接触过程、钝化膜过程、阳极电荷转移过程和阴极电荷转移过程，接触过程、钝化膜过程、阳极电荷转移过程和阴极电荷转移过程对应的中心时间常数依次增大，并以此识别各界面极化过程；

6)获取每个界面极化过程的界面电阻；

7)根据界面电阻获取该锂离子电池阴极和阳极各界面极化过程的衰减程度，完成电池寿命诊断，以每种界面极化过程对应的时间常数的极化分布曲线积分得到的面积作为该界面极化过程对应的界面电阻，第k种界面电阻R_c,k的计算式为：

其中，τ₁,τ_N分别为中心时间常数的积分下上限；

电池的阳极和阴极的衰减程度的计算式为：

其中，R_c,ini为新电池的界面电阻。

2.根据权利要求1所述的一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法，其特征在于，所述的步骤1)中，锂离子电池降温的温度不高于5℃。

3.根据权利要求1所述的一种基于低温环境测量的电池寿命诊断方法，其特征在于，所述的步骤2)中，电化学阻抗谱测试具体为：

对锂离子电池施加交流激励，在全频范围内进行电化学阻抗谱测试。

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