CN114114026A - 一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,包括步骤:第一步,确定预设数量k的不同研究对象;第二步,采用“容量标定‑SOC标定和去极化”充放电流程,分别对每个研究对象充放电测试;第三步,对于每个研究对象,计算其电芯、正极和负极分别在不同SOC下的去极化内阻(集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻);第四步,绘制每个研究对象的电芯、正极和负极分别具有的去极化内阻随着SOC变化的曲线;第五步,当k≥2时,列出内阻增量和内阻增量贡献表,解析数据。本发明不借助电化学工作站,仅需对三电极电芯做充放电测试,即可获得电芯、正极和负极的去极化内阻随SOC、研究对象的变化规律,用于电芯差异和失效分析。
Description
技术领域
本发明涉及电池检测技术领域,特别是涉及一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法。
背景技术
电芯内阻是锂离子电池的一个重要参数,与电芯的电压平台、实际容量和产热量紧密相关,显著影响电芯的能量密度和功率密度,是评价电池的充放电能力、循环、倍率以及安全性能的先验性指标之一。电芯内阻具有丰富的物理内涵,它是一系列内阻的集合,如果划分角度不同,则构成该集合的子集也大相径庭。
例如,从电芯构成要素来看,电芯内阻可以简化为正极内阻和负极内阻等的集合;从极化角度看,电芯内阻又可以看作是欧姆内阻、活化内阻、浓差极化内阻等的集合。
将电芯内阻拆分为若干个子集,有助于解析正负极在反应过程中电子传导、电荷传递和离子传输的变化规律;研究人员热衷于通过这些变化规律来进一步认识电芯体系的反应特征。
目前,人们通常采用万用表测试电芯的交流内阻(近似于欧姆内阻),该方法简单直接,但是,该方法需要暂停电性能测试并取下电芯测试,无法区分正极、负极内阻,更无法提供其他维度的内阻信息。
此外,还可以利用交流阻抗谱(EIS)来拆分电芯内阻,当EIS图谱较为规则时,等效电路图容易拟合,各种极化内阻的拟合结果误差较小。该方法也存在一些问题。(1)通常,测试电池的EIS数据需要配置价格昂贵、精度较高的电化学工作站,因为精度较低的电化学工作站采集低频数据时,数据容易跳点;(2)EIS数据拟合,存在诸多不确定性,一部分拟合存在拟合精度低的问题:解析EIS依赖于专业的拟合计算,拟合电路的构建受控于主观因素,事实上,选择不同的拟合电路,拆解出的内阻信息也存在不同程度的差异;尤其是当EIS图谱形状不规则时,研究人员难以找到合适的拟合电路,拟合精度难以控制;采用不恰当的拟合电路,或将得出与客观事实相悖的拟合结果。
因此,目前有必要开发一种方法,其能够解决以上技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷,提供一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法。
为此,本发明提供了一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,其包括以下步骤:
第一步,确定预设数量k的不同研究对象,k为正整数;
研究对象为三电极电芯;
第二步,采用预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,分别对第一步中的每个研究对象进行充放电测试,并采集预设种类的测试数据;
第三步,对于每个研究对象,按照去极化内阻算法,根据预设种类的测试数据,计算其电芯、正极和负极分别在不同SOC下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;
第四步,对于每个研究对象,执行预设曲线图绘制操作:绘制每个研究对象的电芯、正极和负极分别具有的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,随着SOC变化的曲线;
第五步,当k≥2时,列出内阻增量和内阻增量贡献表,解析数据:对于任意两个不同的研究对象,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表;根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的差异点。
优选地,在第二步中,预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”流程,具体包括以下操作:
第一子步骤,容量标定制式操作:首先对作为研究对象的三电极电芯恒流和恒压充电,即,以预设大小的恒流充电电流(例如0.1C~1C),恒流充电至电芯的充电截止电压,接着在充电截止电压下进行恒压充电,恒压充电至电芯的充电截止电流;
然后静置5~10min;
然后,以预设大小的恒流放电电流,恒流放电至预设的放电截止电压,再静置5~10min,以此放电过程的整体放电电量,作为100%SOC下的三电极电芯对应的电量,完成三电极电芯的容量标定;
第二子步骤,SOC标定和去极化制式操作:以预设大小的电流I0对第一子步骤完成放电的作为研究对象的三电极电芯,持续进行多个充电阶段的恒流充电操作;
其中,在每个充电阶段中,三电极电芯分别恒流充电至一个预设大小的标定SOC,并且在充电结束后均静置预设时长t。
优选地,第三步具体包括以下处理操作:
对于任意一个研究对象i,计算其去极化内阻Rx_y(i)的计算公式如下:
其中,去极化内阻,包括集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻三种;
其中,下角标x=lum,tra或dyn,字符串lum、tra和dyn分别代表集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;
下角标y=F、C或A,字符串F、C和A分别代表电芯、正极和负极;
对于去极化内阻Rx_y(i)的计算公式,在第二步中第二子步骤的恒流充电操作中,对于任意一个充电阶段,任意一个研究对象i在恒流充电操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为在静置操作开始瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为 在静置操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为Ut,F(i)、Ut,C(i)、Ut,A(i);
i为正整数且1≤i≤k。
优选地,对于第四步,当预设数量k等于1,或者大于或等于2时,预设曲线图绘制操作具体包括以下步骤:
一、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC下的集总内阻,绘制研究对象的电芯、正极和负极集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;
其中,X轴为研究对象的SOC,三个Y轴分别为研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻;
二、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC下的瞬时内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;其中,X轴为研究对象的SOC,三个Y轴分别为研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻;
三、利用第三步计算获得的研究对象的动力学内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,其中,X轴为SOC,三个Y轴分别为电芯、正极和负极动力学内阻。
优选地,在第四步的预设曲线图绘制操作之后,当预设数量k大于或等于2时,第五步中的列出任意两个不同的研究对象相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表的操作,具体包括以下步骤:
首先,在第二步的第二子步骤的恒流充电操作中具有的任意一个充电阶段,对于任意两个不同的研究对象,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量,记作ΔRx_y(i,j),具体计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)=Rx_y(j)-Rx_y(i);
在上面的公式中,i,j为任意正整数,1≤i≤k,1≤j≤k,i≠j;
接着,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量贡献度,记作ΔRx_y(i,j)%,计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)%=ΔRx_y(i,j)/|ΔRlum_F(i,j)|·100%;
上式中的两条竖线为绝对值符号;
接着,根据研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量以及增量贡献度,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表;
然后,根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的具体内阻差异点。
由以上本发明提供的技术方案可见,与现有技术相比较,本发明提供了一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,其设计科学,不借助电化学工作站,仅需对三电极电芯做充放电测试,即可获得电芯、正极和负极的去极化内阻随SOC、研究对象的变化规律,用于电芯差异和失效分析,具有重大的实践意义。
对于本发明,可以方便、可靠地获得作为研究对象的三电极电芯具有的电芯、正极和负极在不同SOC(荷电状态)下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,并绘制随着SOC变化的相应曲线,从而可以根据曲线起伏变化特征,分析研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻等去极化电阻随不同SOC变化的规律。
此外,本发明的方法也不需要通过拟合计算内阻,计算结果具有唯一性。该方法可用于评估电芯体系或电芯结构的差异点,还可以探究电芯体系在电性能测试过程中内阻构成要素的变化特征,为电芯失效分析提供指向性信息,例如计算循环前后某个电芯的去极化内阻增量和增量贡献度,可以判断哪种内阻变化最为显著,研究人员可以利用这些信息来指导电芯体系的优化工作。
附图说明
图1为本发明提供的一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法的流程图;
图2为在本发明中,对于仅有一个研究对象的实施例1,所绘制的电芯、正极和负极的集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;
图3在本发明中,对于仅有一个研究对象的实施例1,所绘制的电芯、正极和负极的瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;
图4在本发明中,对于仅有一个研究对象的实施例1,所绘制的电芯、正极和负极的动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1,本发明提供了一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,包括以下步骤:
第一步,确定预设数量k的不同研究对象,k为正整数;
研究对象为三电极电芯;
需要说明的是,在第一步中,用正整数k表示研究对象的个数;k个研究对象分别为:研究对象1,研究对象2,…,研究对象k。
第二步,采用预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,分别对第一步中的每个研究对象进行充放电测试,并采集预设种类的测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据);
第三步,对于每个研究对象,按照去极化内阻算法,根据预设种类的测试数据,计算其电芯、正极和负极分别在不同SOC(荷电状态)下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;
第四步,绘制每个研究对象的电芯(即研究对象自身,也即电芯主体自身)、正极和负极分别具有的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,随着SOC(荷电状态)变化的曲线(即绘制每个研究对象具有的不同种类的去极化内阻随SOC变化的曲线);
第五步,当k≥2时,列出内阻增量和内阻增量贡献表,解析数据:对于任意两个不同的研究对象,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表;
根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的具体内阻差异点(即确定:两个研究对象存在差异的内阻具体是哪一种或者哪几种内阻,例如正极瞬时内阻)。
需要说明的是,对于不同的研究对象,根据内阻增量和内阻增量贡献表,可以比较和解析每种去极化内阻(包括集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻)随研究对象的变化规律,即可以确定任意两个不同的研究对象和研究对象之间的具体内阻差异点(即确定:两个研究对象存在显著差异的内阻具体是哪一种或者哪几种内阻,例如正极瞬时内阻)。
对于本发明,直接通过任意两个不同研究对象的内阻增量和内阻增量贡献表,即可确定这两个不同研究对象的具体内阻差异点。
需要说明的是,在本发明中,之所以需要确定任意两个不同的研究对象之间的具体内阻差异点。例如,相同的电芯体系放在不同的电池结构中,实际测得的性能表现存在较大差异。那么电池研究人员可以从内阻的角度分析,为什么电芯结构会造成性能的差异?电池研究人员又怎样拆解内阻,来实现这个分析?通过本发明的技术方案解析内阻,如下面的实施例2中,研究对象1和2的负极瞬时内阻差异最大,研究对象2比研究对象1的负极瞬时内阻小很多,这就是电芯结构造成性能差异的最主要原因(其他内阻也有贡献,但没那么显著)。
又例如:某个电芯,循环时容量快速衰降,究竟什么原因导致的容量衰降?电池研究人员通过分析循环前后的内阻变化,可以了解到底哪里出现了问题。设循环前是研究对象1,循环后是研究对象2,经过本发明可以计算出内阻增量贡献度,发现循环后负极的去极化内阻增长较小,正极的瞬时内阻显著增大而动力学内阻增长不显著,这就说明正极表界面出现问题,做改善实验时就要重点从调控正极表面结构、调整正极配方、改良正极-电解液界面特性等角度进行考虑。
在本发明中,在第一步中,研究对象指的是处于某种状态(例如荷电状态)的、具有某种电芯体系和某种电芯结构的三电极电芯。
研究对象具有三个属性:电芯体系、电芯结构和所处状态;任何一个属性不同,则归属为不同的研究对象。
其中,电芯体系,例如可以是具有某种配方的钴酸锂-石墨体系,具有某种配方的三元-石墨体系,或者具有某种配方的三元-石墨-硅氧体系。
其中,电芯结构,例如可以是极耳在极片内侧的卷绕式电芯,负极极耳在极片中间的卷绕式电芯,或者具有埋极耳结构的卷绕式电芯。
“状态”指的是电芯未经过任何测试处理或经过某种测试(例如充放电测试)处理后的性状和形态。“状态”例如可以为:未经过任何测试的新鲜状态、循环300次后的状态、在45℃存储30天后的状态等等。
在本发明中,在第二步中,预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”流程,具体包括以下操作:
第一子步骤,容量标定制式操作:首先对作为研究对象的三电极电芯恒流和恒压充电,即,以预设大小的恒流充电电流(例如0.1C~1C),恒流充电至电芯的充电截止电压,接着在充电截止电压下进行恒压充电,恒压充电至电芯的充电截止电流;
然后静置5~10min;
然后,以预设大小的恒流放电电流(例如0.1C~1C),恒流放电至预设的放电截止电压,再静置5~10min,以此放电过程的整体放电电量,作为100%SOC下的三电极电芯对应的电量(即100%SOC下三电极电芯具有的电量),完成三电极电芯的容量标定;
也就是说,通过采用“恒流+恒压充电”方式,来进行三电极电芯的容量标定。
需要说明的是,电芯的充电截止电压,在电芯设计时即已确定,是电芯的固定参数。例如:设计4.45V电池,那么充电截止电压就是4.45V。
需要说明的是,对于一个电芯来说,预设的放电截止电压,在电芯设计时即已确定,是电芯的固定参数。比如:钴酸锂-石墨体系的电芯,放电截至电压3V;用于动力方向的三元-石墨体系,放电截至电压可以是2.8V,也要参考客户要求。
第二子步骤,SOC标定和去极化制式操作:以预设大小的电流I0对第一子步骤完成放电的作为研究对象的三电极电芯,持续进行多个充电阶段的恒流充电操作;预设大小的电流I0为0.1C~0.5C;
其中,在每个充电阶段中,三电极电芯分别恒流充电至一个预设大小的标定SOC,并且在充电结束后均静置预设时长t。
需要说明的是,对于多个充电阶段中的三电极电芯,三电极电芯通过恒流充电所需要达到的标定SOC逐渐增大。例如,对于多个充电阶段中的三电极电芯,标定的SOC从小到大排序依次为SOC_1,SOC_2,…,SOC_n;其中,SOC指荷电状态,即电芯剩余电量,n为正整数。这时候,第二子步骤具体可以为:以预设大小的电流I0对第一子步骤完成放电的作为研究对象的三电极电芯,恒流充电至SOC_1,静置t分钟;以电流I0恒流充电至SOC_2,静置t分钟;…;以电流I0恒流充电至SOC_n,静置t分钟:完成n个SOC标定和去极化过程。
具体实现上,在第二步的第二子步骤中,预设时长t≥0.05分钟(即3秒),在静置开始后,在至少1s内需密集采集测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据),并且要求采集相邻数据的间隔时间≤0.02s,且采集相邻数据的间隔电压≤0.005V。
在本发明中,第三步,对于每个研究对象,按照去极化内阻算法,根据预设种类的测试数据,计算其电芯、正极和负极分别在不同SOC(荷电状态)下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,具体包括以下处理操作:
对于任意一个研究对象i(i为正整数且1≤i≤k),计算其去极化内阻Rx_y(i)的计算公式如下:
其中,去极化内阻,包括集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻三种;需要说明的是,集总内阻是瞬时内阻和动力学内阻之和,瞬时内阻主要受欧姆极化和活化极化控制,动力学内阻主要受到浓差极化控制。
其中,下角标x=lum,tra或dyn,字符串lum、tra和dyn分别代表集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;下角标y=F、C或A,字符串F、C和A分别代表电芯、正极和负极。以上六个字符串及其含义适用于全文。每次计算一个研究对象的某个去极化内阻Rx_y(i)时,x、y仅能各赋一个值。
关于去极化内阻Rx_y(i)的计算公式,其所根据的预设种类的测试数据的范围包括:在第二步中第二子步骤的恒流充电操作中,对于任意一个充电阶段(即任意一个标定SOC的充电阶段),任意一个研究对象i(i为正整数且1≤i≤k)在恒流充电操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为在静置操作开始瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为在静置操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为Ut,F(i)、Ut,C(i)、Ut,A(i)。在本发明中,电压单位为V,电流单位为A。在任意一个充电阶段的标定SOC下,研究对象i的电芯、正极或负极的某种去极化内阻,记作Rx_y(i),单位为mΩ。
在本发明中,对于第四步,当预设数量k等于1,或者大于或等于2时,对于每个研究对象,执行预设曲线图绘制操作,具体包括以下步骤:
一、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC(荷电状态)下的集总内阻,绘制研究对象的电芯、正极和负极集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;
其中,X轴(横轴)为研究对象的SOC,三个Y轴(纵轴)分别为研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻。
需要说明的是,对于该曲线图,要求三个Y轴的量程必须相等,即Y轴的最大值和最小值之差相等;所有数据要呈现在曲线图中。根据曲线起伏变化特征,可以分析研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻随不同SOC的变化规律。
二、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC(荷电状态)下的瞬时内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;其中,X轴为研究对象的SOC,三个Y轴分别为研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻。
需要说明的是,对于该曲线图,要求三个Y轴的量程必须相等,所有数据要呈现在曲线图中。根据曲线起伏变化特征,分析研究对象的电芯、正极和负极的瞬时内阻随SOC的变化规律。
三、利用第三步计算获得的研究对象的动力学内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,其中,X轴为SOC,三个Y轴分别为电芯、正极和负极动力学内阻。
需要说明的是,对于该曲线图,要求三个Y轴的量程必须相等,所有数据要呈现在曲线图中。根据曲线起伏变化特征,分析研究对象的电芯、正极和负极的动力学内阻随SOC的变化规律。
在本发明中,对于第四步,绘制每个研究对象的电芯、正极和负极分别具有的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,随着SOC(荷电状态)变化的曲线(即绘制每个研究对象具有的不同种类的去极化内阻随SOC变化的曲线)。当预设数量k大于或等于2时,还可以在预设曲线图绘制操作之后,在第五步中进一步继续执行以下内阻增量和内阻增量贡献表的绘制操作。
需要说明的是,预先通过执行上述预设曲线图绘制操作,分别绘制获得每个研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图、瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图、以及动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图。因此,对比分析不同研究对象之间的去极化内阻随SOC的变化规律是否一致;
需要说明的是,对于本发明,为了研究不同种类的去极化内阻随研究对象的变化规律,需要计算一个研究对象相对于另一个研究对象的电芯、正极和负极的不同种类的去极化内阻(集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻等三种内阻)的增量和增量贡献度。
在本发明中,第五步中列出任意两个不同的研究对象相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表的操作,具体包括以下步骤:
首先,在第二步的第二子步骤的恒流充电操作中具有的任意一个充电阶段(即任意一个标定SOC的充电阶段),对于任意两个不同的研究对象,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻(即集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻中的任意一种)的增量,记作ΔRx_y(i,j),具体计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)=Rx_y(j)-Rx_y(i);
在上面的公式中,i,j为任意正整数,1≤i≤k,1≤j≤k,i≠j;
接着,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻(即集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻中的任意一种)的增量贡献度,记作ΔRx_y(i,j)%,计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)%=ΔRx_y(i,j)/|ΔRlum_F(i,j)|·100%;
上式中的两条竖线为绝对值符号。
接着,根据研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量以及增量贡献度,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表,见下表1;
需要说明的是,对于本发明,通过将内阻增量ΔRx_y(i,j)以及内阻增量贡献度ΔRx_y(i,j)%数据填写在表格中,可以形成研究对象j相对于研究对象i具有的内阻增量和内阻增量贡献表,见下表1。
表1:内阻增量ΔRx_y(i,j)以及内阻增量贡献度ΔRx_y(i,j)%数据表。
内阻类型 | x | y | 增量ΔR<sub>x_y</sub>(i,j)(mΩ) | 增量贡献度ΔR<sub>x_y</sub>(i,j)% |
正极瞬时内阻 | tra | C | ||
正极动力学内阻 | dyn | C | ||
负极瞬时内阻 | tra | A | ||
负极动力学内阻 | dyn | A | ||
电芯瞬时内阻 | tra | F | ||
电芯动力学内阻 | dyn | F |
然后,根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的具体内阻差异点(即确定:两个研究对象存在差异的内阻具体是哪一种或者哪几种内阻,例如正极瞬时内阻)。
需要说明的是,对于本发明,通过比较和解析每种去极化内阻随研究对象的变化规律,即可以确定研究对象j和研究对象i之间的差异点。
基于以上技术方案可知,在本发明中,专利名称“一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法”中“变化特征”有两层含义:第一层:对于每一个研究对象,研究其电芯内阻构成要素随SOC的变化特征(以图线形式表达);第二层:对于同一个SOC,电芯内阻构成要素随研究对象的变化特征(以数据表格形式表达)。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案,下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
实施例1。
第一步,确定研究对象。
本实施例1仅有一个研究对象:一支未做过任何测试的4.48V钴酸锂-石墨三电极软包电芯,即研究对象的个数k=1,该研究对象称为研究对象1。1C=4.88A。
第二步,采用预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,分别对第一步中的研究对象进行充放电测试,并采集预设种类的测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据)。
在本实施例1中,预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”流程,具体包括以下操作:
流程第一部分:容量标定制式。首先,0.8C恒流充电至4.48V,4.48V恒压充电至0.05C,静置10min;然后,0.5C恒流放电至3V,静置10min,此圈的放电电量为100%SOC下的三电极电芯对应的电量。
流程第二部分:SOC标定和去极化制式。以电流I0恒流充电至8.3%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至16.7%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至25.0%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至33.3%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至41.7%SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至50.0%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至58.3%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至66.7%的SOC,静置10分钟;以电流I0恒流充电至75.0%的SOC,静置10分钟。恒流充电电流I0等于0.5C。
在“SOC标定和去极化流程”中,在静置开始后的0~2s采集数据的间隔时间0.01s,采集数据的间隔电压0.005V。
在实施例1中,采用“容量标定-SOC标定和去极化”流程对第一步中的研究对象1做测试。测试设备为Arbin电池测试系统,主通道连接正极和负极,辅助通道连接三电极软包电芯的正极、负极和参比电极。
在第二步中,收集测试数据预设种类的测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据);
第三步,按照去极化内阻算法,计算研究对象的电芯、正极和负极在不同SOC下集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻。
去极化内阻算法,具体操作如下:
在任意一个SOC下,对于第一步中的研究对象1,在恒流充电步骤结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为在静置步骤开始瞬间的电芯电压、正极电压和负极电分别为 在静置结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电分别为Ut,F(1)、Ut,C(1)、Ut,A(1)。在该SOC下,研究对象i的电芯或正极或负极的某种去极化内阻,记作Rx_y(1);
计算去极化内阻Rx_y(1)的定义式为:
其中,下角标x=lum,tra或dyn,字符串lum、tra、dyn分别代表集总内阻、瞬时内阻、动力学内阻;下角标y=F、C或A,字符串Fu、Ca和A分别代表电芯、正极、负极。每次计算某个去极化内阻Rx_y(1)时,x、y仅能各赋一个值,例如:研究对象1的负极的瞬时内阻如下:
第四步,绘制研究对象1具有的不同种去极化内阻随SOC的变化曲线,解析数据。具体操作如下:
如图2所示,绘制研究对象1的电芯、正极和负极集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,其中,X轴为SOC,左侧Y轴为电芯集总内阻,右侧两个Y轴分别为正极和负极集总内阻。调整三个Y轴的最大值和最小值,使三个Y轴的量程相等,且所有数据要呈现在曲线图中,同时Y轴的量程要尽可能小,以便于观察曲线变化规律。由图2可知,研究对象1的电芯集总内阻存在两个极小值,分别出现在20~30%的SOC和55~65%的SOC两个区间。负极集总内阻在20~30%的SOC区间出现了极小值,是导致电芯集总内阻在该区间出现极小值的主要原因。而电芯集总内阻在55~65%的SOC出现的极小值主要归因于正极集总内阻在该区间出现了极小值。
如图3所示,绘制研究对象1的电芯、正极和负极瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,要求三个Y轴的量程必须相等,所有数据要呈现在曲线图中。由图3可知,SOC越大,电芯瞬时内阻越小,正极是电芯瞬时内阻随SOC增大而减小的主要原因。负极瞬时内阻的波动比正极小,在25~60%SOC,负极瞬时内阻随SOC增大而减小;在60%SOC~80%SOC,负极瞬时内阻随SOC增大而增大。
如图4所示,绘制研究对象1的电芯、正极和负极动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图。要求三个Y轴的量程必须相等,所有数据要呈现在曲线图中。电芯动力学内阻在20~30%的SOC出现的极小值主要归因于正极动力学内阻在该区间出现了极小值,而在55~65%的SOC出现的极小值主要归因于正极动力学内阻在该区间出现了极小值。这些极小值的出现与活性材料的相变反应有关,可借助容量微分曲线做进一步分析。
实施例2。
本实施例2重点介绍研究对象的数量k≥2时,关于内阻增量和内阻增量贡献度的实际操作,本实施例2与实施例1无明显差异的内容,请参见实施例1。
第一步,确定研究对象。
本实施例2研究对象的个数k=2,研究对象依次为:研究对象1和研究对象2。两个研究对象具有相同的电芯体系,都处于未测试的状态,但两者的电芯结构不同。两个研究对象容量相同,1C=4.88A。
第二步,采用预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,分别对第一步中的研究对象进行充放电测试,并采集预设种类的测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据)。
在本实施例2的第二步中,对于预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,具体测试流程同实施例1。
在实施例2中,采用“容量标定-SOC标定和去极化”流程对步骤1中的研究对象1和研究对象2做测试。
在第二步中,收集测试数据预设种类的测试数据(即第三步的去极化内阻算法所需要的测试数据);
第三步,按照去极化内阻算法,计算研究对象1和研究对象2的电芯、正极和负极在不同SOC下集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻。计算方法参见实施例1。
第四步,绘制两个研究对象的各种去极化内阻随SOC的变化曲线。具体包括以下操作:
绘制两个研究对象的电芯、正极和负极集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,以及动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,具体操作方法参见实施例1。对比发现,两个研究对象的各种去极化内阻随SOC的起伏变化规律相近,但研究对象2的去极化内阻Rx_y(2)都小于研究对象1相应的去极化内阻Rx_y(1)。曲线图从略。
第五步,计算一个研究对象相对于另一个研究对象的电芯、正极和负极的瞬时内阻的增量和增量贡献度,列出内阻增量和内阻增量贡献表,解析数据。具体包括以下操作:
在41.7%SOC,研究对象2相对于研究对象1的电芯、正极或负极的某种去极化内阻的增量,记作ΔRx_y(1,2),计算公式如下:
ΔRx_y(1,2)=Rx_y(2)-Rx_y(1);
在41.7%SOC,研究对象2相对于研究对象1的电芯、正极或负极的某种去极化内阻的增量贡献度,记作ΔRx_y(1,2)%,计算公式如下:
ΔRx_y(1,2)%=ΔRx_y(1,2)/|ΔRlum_F(1,2)|·100%;
上式中的两条竖线为绝对值符号。
然后,将增量ΔRx_y(1,2)以及增量贡献度ΔRx_y(1,2)%数据填写在表1中,获得内阻增量和内阻增量贡献表,具体见表2。
表2:内阻增量ΔRx_y(i,j)以及内阻增量贡献度ΔRx_y(i,j)%数据表。
内阻类型 | x | y | 增量ΔR<sub>x_y</sub>(i,j)(mΩ) | 增量贡献度ΔR<sub>x_y</sub>(i,j)% |
正极瞬时内阻 | tra | C | -3 | -11% |
正极动力学内阻 | dyn | C | -3 | -11% |
负极瞬时内阻 | tra | A | -17 | -64% |
负极动力学内阻 | dyn | A | -4 | -14% |
电芯瞬时内阻 | tra | F | -20 | -75% |
电芯动力学内阻 | dyn | F | -7 | -25% |
在实施例2中,比较和解析每种去极化内阻随研究对象的变化规律,可知,相比于研究对象1,研究对象2的负极瞬时内阻有显著减小,其他内阻也有不同程度的减小(即可以根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的具体内阻差异点)。这说明,相对于研究对象1,研究对象2的电芯结构可以显著降低负极的瞬时内阻,同时也可以减小其他去极化内阻;因此,研究对象2的电芯结构具有更好的倍率和功率性能,得益于较小的负极瞬时内阻,研究对象2的充电能力优于研究对象1。
综上所述,与现有技术相比较,本发明提供的一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,其设计科学,不借助电化学工作站,仅需对三电极电芯做充放电测试,即可获得电芯、正极和负极的去极化内阻随SOC、研究对象的变化规律,用于电芯差异和失效分析,具有重大的实践意义。
对于本发明,可以方便、可靠地获得作为研究对象的三电极电芯具有的电芯、正极和负极在不同SOC(荷电状态)下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,并绘制随着SOC变化的相应曲线,从而可以根据曲线起伏变化特征,分析研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻等去极化电阻随不同SOC变化的规律。
此外,本发明的方法也不需要通过拟合计算内阻,计算结果具有唯一性。该方法可用于评估电芯体系或电芯结构的差异点,还可以探究电芯体系在电性能测试过程中内阻构成要素的变化特征,为电芯失效分析提供指向性信息,例如计算循环前后某个电芯的去极化内阻增量和增量贡献度,可以判断哪种内阻变化最为显著,研究人员可以利用这些信息来指导电芯体系的优化工作。
在本发明中,电芯失效分析提供指向性信息,指的是:为电芯失效原因提供判断依据。通过本技术,判断出失效点是出现在正极一侧、还是在负极一侧、还是兼而有之;失效的主要原因是正极(或负极)的瞬时内阻(衡量欧姆和活化极化)显著变化、动力学内阻(衡量浓差极化)显著变化、还是兼而有之。确定失效原因,明确改善电芯性能的方向。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种解析电芯内阻构成要素及其变化特征的方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步,确定预设数量k的不同研究对象,k为正整数;
研究对象为三电极电芯;
第二步,采用预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”充放电流程,分别对第一步中的每个研究对象进行充放电测试,并采集预设种类的测试数据;
第三步,对于每个研究对象,按照去极化内阻算法,根据预设种类的测试数据,计算其电芯、正极和负极分别在不同SOC下的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;
第四步,对于每个研究对象,执行预设曲线图绘制操作:绘制每个研究对象的电芯、正极和负极分别具有的集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻,随着SOC变化的曲线;
第五步,当k≥2时,列出内阻增量和内阻增量贡献表,解析数据:对于任意两个不同的研究对象,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表;根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的差异点。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在第二步中,预先编制的“容量标定-SOC标定和去极化”流程,具体包括以下操作:
第一子步骤,容量标定制式操作:首先对作为研究对象的三电极电芯恒流和恒压充电,即,以预设大小的恒流充电电流(例如0.1C~1C),恒流充电至电芯的充电截止电压,接着在充电截止电压下进行恒压充电,恒压充电至电芯的充电截止电流;
然后静置5~10min;
然后,以预设大小的恒流放电电流,恒流放电至预设的放电截止电压,再静置5~10min,以此放电过程的整体放电电量,作为100%SOC下的三电极电芯对应的电量,完成三电极电芯的容量标定;
第二子步骤,SOC标定和去极化制式操作:以预设大小的电流I0对第一子步骤完成放电的作为研究对象的三电极电芯,持续进行多个充电阶段的恒流充电操作;
其中,在每个充电阶段中,三电极电芯分别恒流充电至一个预设大小的标定SOC,并且在充电结束后均静置预设时长t。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,第三步具体包括以下处理操作:
对于任意一个研究对象i,计算其去极化内阻Rx_y(i)的计算公式如下:
其中,去极化内阻,包括集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻三种;
其中,下角标x=lum,tra或dyn,字符串lum、tra和dyn分别代表集总内阻、瞬时内阻和动力学内阻;
下角标y=F、C或A,字符串F、C和A分别代表电芯、正极和负极;
对于去极化内阻Rx_y(i)的计算公式,在第二步中第二子步骤的恒流充电操作中,对于任意一个充电阶段,任意一个研究对象i在恒流充电操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为U0 -,F(i)、U0 -,C(i)、U0 -,A(i),在静置操作开始瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为U0+,F(i)、U0+,C(i)、U0 + ,A(i),在静置操作结束瞬间的电芯电压、正极电压和负极电压分别为Ut,F(i)、Ut,C(i)、Ut,A(i);
i为正整数且1≤i≤k。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,对于第四步,当预设数量k等于1,或者大于或等于2时,预设曲线图绘制操作具体包括以下步骤:
一、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC下的集总内阻,绘制研究对象的电芯、正极和负极集总内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;
其中,X轴为研究对象的SOC,三个Y轴分别为研究对象的电芯、正极和负极的集总内阻;
二、利用第三步计算获得的研究对象的电芯、正极和负极分别在不同SOC下的瞬时内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图;其中,X轴为研究对象的SOC,三个Y轴分别为研究对象的电芯、正极和负极瞬时内阻;
三、利用第三步计算获得的研究对象的动力学内阻数据,绘制研究对象的电芯、正极和负极动力学内阻随SOC变化的X-3Y轴曲线图,其中,X轴为SOC,三个Y轴分别为电芯、正极和负极动力学内阻。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于,在第四步的预设曲线图绘制操作之后,当预设数量k大于或等于2时,第五步中的列出任意两个不同的研究对象相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表的操作,具体包括以下步骤:
首先,在第二步的第二子步骤的恒流充电操作中具有的任意一个充电阶段,对于任意两个不同的研究对象,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量,记作ΔRx_y(i,j),具体计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)=Rx_y(j)-Rx_y(i);
在上面的公式中,i,j为任意正整数,1≤i≤k,1≤j≤k,i≠j;
接着,计算研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量贡献度,记作ΔRx_y(i,j)%,计算公式如下:
ΔRx_y(i,j)%=ΔRx_y(i,j)/|ΔRlum_F(i,j)|·100%;
上式中的两条竖线为绝对值符号;
接着,根据研究对象j相对于研究对象i的电芯、正极或负极的预设一种去极化内阻的增量以及增量贡献度,列出两者相对具有的内阻增量和内阻增量贡献表;
然后,根据内阻增量和内阻增量贡献表,确定任意两个不同研究对象的具体内阻差异点。
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