CN113296012B - 一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法及装置。该方法包括：在待测锂电池组恒流放电过程中，以等放电容量间隔测量锂电池组外部磁场分布；计算等容量间隔内，锂电池组外部磁场分布的相对变化；采用统计分析方法提取相对磁场变化的统计特征向量；采用统计学习方法对前述统计特征向量进行分析，根据分析结果实现电池组一致性检测评估以及性能异常电池定位。所述装置包括运动扫描设备、磁场采集设备、控制设备、电池测试设备和样品设备。该方法具有无损、无接触、高效率等优点，解决了现有的锂电池组一致性检测方法在线监测服役状态下电池组内部全部单体电池的难题，为锂电池组寿命预测、维护保养、安全评估等场景提供了技术支持。

Description

一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电池检测领域，具体涉及一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法及装置。

背景技术

锂离子电池是目前常用的二次电池，它具有能量密度高、输出功率大、无记忆效应以及充放电速度快等优点，被广泛应用于消费电子、电动汽车、电网储能和航空航天等领域。单体锂电池的输出电压以及容量有限，为了满足不同的应用场景需求，需要将单体锂电池通过串联连接提高输出功率、以及通过并联连接提高输出容量。然而，实践表明在使用过程中电池组中单体电池的一致性会逐渐变差，包括容量、内阻、自放电率等方面。电池组内的单体电池性能不一致会降低电池组整体性能，加速电池组容量衰减，导致电池组提前退役。此外，电池组中低性能电池更容易发生极化和异常电流，从而产生更多的热量，造成热失控等潜在安全问题。因此，检测和最小化电池组内单体电池不一致是保证电池组安全运行的关键技术手段。

目前，国内外在线检测电池组一致性的主要方法是通过测量电池端电压，基于电池之间的电压差进行一致性评价，这种方法适用于串联连接的电池，但同时也会受到电池测量精度、电池极化效应的影响。而对于由大量电池并联连接的电池模块，其中的单体电池具有相同的端电压，当一个单体电池发生异常时引起的电压变化非常小，因此难以通过电压变化检测出故障电池。此外，电池组内单体电池之间的不平衡电流可以用于检测电池组性能一致性，但是针对每个单体电池添加一个电流传感器是不切实际的并且投入成本较高，因此在实际应用中很少使用这种方法。

由此可见，由于受到环境因素和复杂工况的影响以及方法自身的局限性，现有的电池组一致性检测方法不能针对电池组内所有单体电池实时监测并在线评估电池组一致性状况，同时也不能在串并联电池组中准确定位性能异常单体电池位置，而这不利于电池组安全维护。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供了一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法及装置，通过测量的磁场变化来分析电池组内不均衡电流变化，进一步实现电池组性能一致性检测以及性能异常电池准确定位。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法，原位检测指在不破坏、不改变待测电池组的情况下，监测运行中的锂电池组。该方法具体包括：

(1)在待测锂电池组恒流放电过程中，以等放电容量间隔测量锂电池组外部磁场分布；

(2)计算等容量间隔内，锂电池组外部磁场分布的相对变化；

(3)采用统计分析方法提取相对磁场变化的统计特征向量；

(4)采用统计学习方法对前述统计特征向量进行分析，根据分析结果实现电池组一致性检测评估以及性能异常电池定位。

所述的磁场分布的相对变化计算方法，具体为：

ΔB_n＝B_n-B_n-1

B_n表示第n次测量得到的磁场分布，B_n包含B_x,n,B_y,n,B_z,n三个矢量分量。

所述的特征统计方法可以采用算数平均计算，磁场分布特征与电池位置有相关性，将总的磁场图划分为若干子区域进行统计分析。假设磁场图的维度为m×n，那么它的m维统计特征向量为：

所述的统计学习方法可以采用主成分分析方法，假设共有i幅磁场图，x₁,x₂…,x_i分别表示每幅图的统计特征向量，然后可以获得样本矩阵X:

对样本矩阵X标准化运算之后，进行主成分分析计算，根据主成分分析得分结果评估电池组一致性以及定位性能异常电池位置。

一种实现上述锂电池组一致性检测方法的装置，它包括运动扫描设备10、磁场采集设备20、控制设备50、电池测试设备40和样品设备30，具体描述如下；

运动扫描设备10用于带动磁场传感器21基于设定的方式移动，实现磁场扫描成像，主要包括三个正交安装的电动线性位移台、电机控制器18、手动三维旋转自由度工作台16和支撑连接件。

磁场采集设备20用于测量待测电池组31外部磁场分布，主要包括磁场传感器21和磁场数据采集系统22，磁场传感器21为三维磁通门计，磁场数据采集系统22提供控制信号来驱动磁通门计和处理磁通门计输出的信号。

电池测试设备40用于设置待测电池组31充放电策略，测量电池组充放电过程中的电压、电流数据。

控制设备50用于设置运动扫描设备扫描方式和磁场采集设备20数据采集方式，也用于设置电池测试设备40充放电工步以及电压电流数据存储形式，还用于处理分析已获得的磁场数据。

样品设备30，用于放置待测电池组31，包括样品台32和磁屏蔽装置。

优点和积极效果：

该测量方法通过测量锂电池组在放电过程中的磁场分布实现锂电池组一致性实时监测，通过分析电池组外部相对磁场变化识别电池组内微小的电流变化并且可以准确定位性能异常电池位置，该方法具有无损、无接触、高效率等优点，解决了现有的锂电池组一致性检测方法难以在线监测服役状态下电池组内部全部单体电池的难题，为锂电池组寿命预测、维护保养、安全评估等场景提供了技术支持。

附图说明

图1为本发明方法的工作流程图；

图2为本发明方法提供的一种磁场检测装置总体示意图；

图3为本发明方法提供的一种磁场检测装置实施例示意图；

图4为本发明方法提供的一种磁场测量平面位置示意图；

图5为本发明实施例提供的一种电池组磁场测量结果；

图6为本发明实施例提供的一种电池组一致性主成分分析结果；

图7为本发明实施例提供的一种电池组中性能异常电池定位分析结果；

图8为本发明实施例提供的一种在环境磁场中检测的主成分分析结果。

图中，10运动扫描设备；11电动线性位移平台a；12电动线性位移平台b；14电动线性位移平台c；13可移动支撑件a；15可移动支撑件b；16手动三维旋转自由度工作台；17磁场传感器夹具；18电机控制器；20磁场采集设备；21磁场传感器；22磁场数据采集系统；30样品设备；31待测电池组；32样品台；33磁屏蔽筒；34磁屏蔽端盖；35端盖夹具；40电池测试设备；41电池测试系统；50控制设备；51计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种锂电池组一致性检测方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤1：在待测锂电池组恒流放电过程中，通过磁场扫描装置，以等放电容量间隔测量电池组外部磁场分布，获得一系列磁场图B₀,B₁,B₂,…,B_n，B₀表示初始参考磁场，B₁,B₂,…,B_n表示第1,2,…,n次测量得到的磁场图。

步骤2：计算等容量间隔内，电池组外部磁场的相对变化量，ΔB_n＝B_n-B_n-1，ΔB_n表示第n次测量时的相对磁场变化，然后得到一系列相对磁场变化图。

步骤3：针对步骤2中的一系列相对磁场变化图进行特征提取，一种可选的特征提取方法是采用算数平均计算，统计磁场图强度分布特征。磁场分布特征与电池位置具有明显的相关性，因此按照电池位置关系将总的磁场图划分为若干子区域进行统计分析。一种可选的子区域划分方法是按行划分，假设磁场图的维度为m×n，那么它的m维统计特征向量为：

步骤4：采用统计学习方法分析步骤3中统计特征向量，一种可以采用的方法是主成分分析方法，假设共有i幅磁场图，x₁,x₂…,x_i分别表示每幅图的统计特征向量，然后可以获得样本矩阵X:

对样本矩阵X进行标准化运算之后，进行主成分分析计算，得到各种主成分得分。

步骤5：根据步骤4中的主成分分析计算结果，以第一主成分得分和第二主成分得分结果评估电池组一致性以及定位异常电池位置。

本发明实施例提供了一种磁场扫描测量装置，总体示意图如图2所示，具体包括：运动扫描设备10，用于带动磁场传感器基于设定的扫描方式完成磁场测量；磁场采集设备20用于采集电池组外部磁场分布；样品设备30用于放置待测电池组；电池测试设备40用于设置电池组充放电策略以及采集电压电流数据；控制设备50用于控制运动扫描设备10、磁场采集设备20和电池测试设备40，以及完成磁场数据分析工作。

图3为本发明实施例提供的一种磁场测量装置结构示意图。

运动扫描设备10包括电动线性位移平台a11、电动线性位移平台b12和电动线性位移平台c14，可移动支撑件a13和可移动支撑件b15，手动三维旋转自由度工作台16，磁场传感器夹具17,电机控制器18。电动线性位移平台a11和电动线性位移平台b 12正交叠加安装，电动线性位移平台b12位于电动线性位移平台a11的上方。电动线性位移平台c14通过可移动支撑件a13安装在电动线性位移平台b12上，形成XYZ三轴正交扫描系统。电动线性位移平台a11、电动线性位移平台b12和电动线性位移平台c14与电机控制器18连接，电机控制器18具有控制手轮，可以手动控制电动线性位移平台移动，调整磁场传感器21位置。电机控制器18接受控制设备50发出的控制命令，使电动线性位移平台a11、电动线性位移平台b12和电动线性位移平台c14按照预设的参数做扫描运动。可移动支撑件b15安装在电动线性位移平台c14上，手动三维旋转自由度工作台16安装在可移动支撑件b15上，磁场传感器夹具17安装在手动三维旋转自由度工作台16上，通过手动三维旋转自由度工作台16可以校准磁场传感器21空间姿态。

磁场采集设备20包括磁场传感器21和磁场数据采集系统22。磁场传感器21可以选择但不限于三维磁通门计。磁场传感器21采集磁场信息并将其转化为模拟信号，磁场数据采集系统22将采集的磁场模拟信号处理为数字信号并传输到控制设备50。磁场传感器21通过磁场传感器夹具17固定在运动扫描设备10上，使得磁场传感器21按照预设的扫描方式采集空间中不同位置的磁场数据，获得待测电池组的磁场分布图。磁场传感器21的扫描平面、扫描范围、扫描间隔、扫描速度和稳定时间是预设的，具体的，比如设置扫描平面为XY平面，扫描范围为60毫米×40毫米，扫描间隔为10毫米，扫描速度为5毫米/秒，稳定时间为1秒。实施例中磁场传感器21使用的是单个磁通门计，此外也可以选择组合的线阵传感器、面阵传感器。磁场采集设备20扫描测量的磁场分布数据在控制设备50中按照实际空间位置重建，得到电池组的磁场分布图。

样品设备30包括待测电池组31、样品台32、磁屏蔽筒33、磁屏蔽端盖34和端盖夹具35。待测电池组31在测试之前被放置在样品台32上，参照基准面固定下来，获得与磁场传感器21的空间相对位置，因此在测量的磁场图上可以确定待测电池组31的实际位置。样品台32固定在磁屏蔽筒33底部，每次扫描之前校准磁场传感器21与样品台32上基准面的空间相对位置。磁屏蔽筒33用于隔离环境磁场，避免环境磁场波动对测量结果的干扰。这里具体实施时的磁屏蔽筒33的结构包含中间三层坡莫合金圆柱层和内外两层铝合金圆柱层，内部磁场波动小于0.1nT。磁屏蔽筒33顶部开有方形窗，用于磁场传感器21进入其内部实现扫描测量磁场。磁屏蔽端盖34用于防止环境磁场通过方形窗进入磁屏蔽筒33内部，磁屏蔽端盖34采用的是坡莫合金。磁屏蔽端盖34通过端盖夹具35固定在磁通门夹具17上，随着磁场传感器21同步做扫描移动。

电池测试设备40可以是一套电池测试系统41，包括负载电路、电源电路、信号采集电路，可以实现电池组充电和放电循环工步设置，以及采集待测电池组31的电压电流数据。电池测试系统41通过负载线和信号线与待测电池组31连接。

控制设备50包括向各设备发出控制指令的终端和磁场数据处理单元。在具体实施时，可以是计算机51。计算机51内装有电机控制器18和磁场数据采集系统22控制软件，用于设置磁场扫描参数、采集磁场数据。计算机51内还装有电池测试系统41控制软件，用于设置充放电工步策略。计算机51内还装有MATLAB软件，用于处理分析磁场数据，完成电池组一致性评估和性能异常电池定位。

图4为本发明实施例提供的一种电池组磁场分布测量平面位置示意图，这里选择测量电池组侧面，此时B_y分量最能反映电池组内部电流变化，并且受电池材料变化等干扰因素的影响最小，因此选择B_y分量作为磁场分析对象。

图5为本发明实施例提供的一种电池组磁场测量结果。通过将两块容量近似和两块容量不一致的电池分别并联连接，然后分别以250mAh等容量间隔测量它们放电过程中相对磁场变化，其中，电池1和电池2实际容量近似，电池1和电池3容量相差约500mAh，被测电池的额定容量为2500mAh。从图5可以看出，随着放电深度增加，容量不一致性电池组内出现了异常的不平衡电流，引起了磁场较大变化。当相对电流变化约大于20mA时，磁场变化特征开始变得明显。而容量近似的电池组磁场没有十分明显的变化。

图6为本发明实施例中图5实验采集的系列磁场图分析结果，通过主成分分析计算，可以看出容量不一致电池组的系列磁场图出现了较大的异常变化，而容量近似电池组变化不明显，因此可以通过测量磁场评估电池组的一致性。

图7为本发明实施例提供的锂电池组性能异常电池定位主成分分析结果图。为了具有一般代表性，选择一个两串两并电池组作为待测对象。将低容量电池放置于电池组中不同位置，在放电过程中以250mAh等容量间隔测量相对磁场变化图，各选择3000mAh至4250mAh之间6幅磁场图进行分析。通过主成分分析结果可以看出，在不同位置的性能异常电池组磁场变化特征具有明显的区别，因此可以通过磁场图分布特征定位故障电池位置。

图8为在环境磁场中测量磁场的主成分分析结果。测量时在样品设备中移除磁屏蔽筒33、磁屏蔽端盖34和端盖夹具35。由于受到环境磁场影响，当电池组中相对电流变化达到50mA时，才能看到明显的相对磁场变化。本发明实施例中测量的电池容量较小，电流变化较小。商用大功率电池电流变化较大，因此实际应用中可以直接在环境磁场中测量电池组磁场变化，这提高了本发明方法的测量效率，扩展了本发明方法的适用范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于原位磁场成像的锂电池组一致性检测方法，原位检测指在不破坏、不改变待测电池组的情况下，监测运行中的锂电池组；其特征在于，

该方法具体包括：

(1)在待测锂电池组恒流放电过程中，以等放电容量间隔测量锂电池组外部磁场分布；

(2)计算等容量间隔内，锂电池组外部磁场分布的相对变化；

(3)采用统计分析方法提取相对磁场变化的统计特征向量；所述的统计分析方法采用算数平均计算，磁场分布特征与电池位置有相关性，将总的磁场图划分为子区域进行统计分析；假设磁场图的维度为m×n，那么它的m维统计特征向量为：

(4)采用统计学习方法对前述统计特征向量进行分析，根据分析结果实现电池组一致性检测评估以及性能异常电池定位；所述的统计学习方法采用主成分分析方法，假设共有i幅磁场图，x₁,x₂…,x_i分别表示每幅图的统计特征向量，然后可以获得样本矩阵X:

对样本矩阵X标准化运算之后，进行主成分分析计算，根据主成分分析得分结果评估电池组一致性以及定位性能异常电池位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的磁场分布的相对变化计算方法，具体为：

ΔB_n＝B_n-B_n-1

B_n表示第n次测量得到的磁场分布，B_n包含B_x,n,B_y,n,B_z,n三个矢量分量。

3.一种实现权利要求1-2中任一项所述的锂电池组一致性检测方法的装置，其特征在于，它包括运动扫描设备(10)、磁场采集设备(20)、控制设备(50)、电池测试设备(40)和样品设备(30)，运动扫描设备(10)用于带动磁场传感器(21)基于设定的方式移动，实现磁场扫描成像，主要包括三个正交安装的电动线性位移台、电机控制器(18)、手动三维旋转自由度工作台(16)和支撑连接件；

磁场采集设备(20)用于测量待测电池组外部磁场分布，主要包括磁场传感器(21)和磁场数据采集系统(22)，磁场传感器(21)为三维磁通门计，磁场数据采集系统(22)提供控制信号来驱动磁通门计和处理磁通门计输出的信号；

电池测试设备(40)用于设置待测电池组(31)充放电策略，测量电池组充放电过程中的电压、电流数据；

控制设备(50)用于设置运动扫描设备扫描方式和磁场采集设备(20)数据采集方式，也用于设置电池测试设备(40)充放电工步以及电压电流数据存储形式，还用于处理分析已获得的磁场数据；

样品设备(30)，用于放置待测电池组(31)，包括样品台(32)和磁屏蔽装置。

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