CN114137416B - 一种基于外部激励的电池主动调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为基于外部激励的电池主动调控方法。本发明基于普遍存在于电池界面上的电气电容效应实现电池内部电化学行为的主动调控。首创性地将电池界面上存在的电容现象归纳为电气电容效应，为从外部调控电池提供理论依据；然后，通过电气电容效应对外部激励的频率响应获取电池内部的运行状态，作为电池外部调控效果的衡量指标；最后，根据所获得的频率响应，改变外部激励信号的频率和幅值特性，从而实现对电池内部反应过程的主动调控。本发明实现了电池的外部调控，无需额外的电力电子电路和电池均衡设备，可以保障电池系统的安全和可靠运行，对于电池设计，运行和维护具有重大的理论和实践价值。

Description

一种基于外部激励的电池主动调控方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体为一种基于外部激励的电池主动调控方法。
背景技术
在现有的电池设计、运行和维护过程中，通常把电池视作完全被动的电力设备，现有范式决定了电池一旦投入使用就难以评估电池状态。因此，被动的电池设计、运行和维护范式使得电池的安全性和维护成本通常高于电池的设计成本。本发明所提出的一种基于外部激励的电池主动调控方法，首次提出电池中普遍存在的电气电容效应，通过电气电容效应在线识别电池状态，外特性调控电池的内部行为，对电池的安全，高效和智能化应用提供了全新的技术发展范式。
发明内容
本发明的目的是利用电气电容效应，通过外部激励的方法进行电池内部电化学过程的调控。
本发明提出的一种基于外部激励的电池主动调控方法，具体步骤如下：
（1）待测样品选用硫化电池，硫化电池的正负极板为导电介质，硫化层为介电材料；硫化电池即为一个电容器；
（2）采用脉冲激励源对步骤（1）所述硫化电池进行激励，改变脉冲激励的幅值和频率参数以获得不同的频率响应；激励的波形是占空比5%以下的窄方波信号，幅值范围是0.1C A到1C A，其中：C是电池的额定容量，激励的频率范围是1kHz到100kHz；
（3）通过测试经过激励后的硫化电池的频率响应，评估硫化电池内部的电化学过程，具体为，选用电化学阻抗谱仪进行频率响应的测量，以幅值为5mV，频率为10mHz到1MHz的正弦波作为扰动源，测量硫化电池的复阻抗；每次测量在10mHz到1MHz的对数频率范围平均取6个点，每个扰动步骤测试2次，最终的频率响应结果，即所测复阻抗的平均值；
（4）频率响应评估通过绘制阻抗的奈奎斯特曲线实现，以步骤（3）得到的复阻抗的实数分量作为横轴，复阻抗的虚数分量作为纵轴进行绘图，得到奈奎斯特曲线；在奈奎斯特曲线上观察阻抗的最低点，即为电池的谐振点；电池的谐振点在外部激励施加后发生移动，根据谐振点移动的频率范围进行电池内部电化学过程的评估。
本发明中，步骤（1）中的电气电容效应是描述电池界面效应的共性理论，为使用外部激励改变电池内部的电化学过程提供了机理解释。
本发明中，步骤（2）中的外部激励参数是与电池额定容量相关的，即0.1C A到1CA。要求激励的频率范围是1kHz到100kHz，这个频率范围内电池通常会存在谐振点。
本发明中，步骤（3）中的采用复阻抗的平均值作为电池的频率响应。
本发明中，步骤（4）中的电池谐振点在外部激励施加后发生移动，根据谐振点移动的频率范围进行电池内部电化学过程的评估。
本发明不需要任何外部的电力电子设备和电池均衡电路实现电池的电化学行为调控。
本发明提供了一种全新的电池行为调控方法，该方法不局限于外部激励的形式，而强调外部激励对于电池行为调控的有效性。
本发明提供了一种全新的电池行为调控方法，该方法不局限于电池的类型，而强调外部激励对于各类具有电容结构的电池行为调控的普适性。
本发明的有益效果在于：
本发明发现了电池中的共性电气电容效应，并采用外部激励进行电池内部电化学过程的调控，使得电池的使用范式发生了从被动到主动的改变，无需额外的电力电子电路和电池均衡设备，可以保障电池系统的安全和可靠运行，为电池的设计，使用和维护提供了重要的理论和实践指导。
附图说明
图1为发明中一种基于外部激励的电池主动调控方法系统结构示意图；
图2为所提出的电气电容效应的示意图；
图3为基于外部激励调控前后的电池频率响应示意图；
图4为一种基于外部激励的电池主动调控方法的流程图；
图中标号：1为脉冲激励源，2为待测样品（电池），3为电化学阻抗谱仪，4为频率响应分析仪。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：如图1所示，所述一种基于外部激励的电池主动调控方法由高速脉冲激励源1、待测样品（电池）2、电化学阻抗谱仪3和频率响应分析仪4组成。高速脉冲激励源1的型号为NFBP4610，电池2采用硫化电池，电化学阻抗谱仪3的型号为BIOLOGIC VPM3，频率响应分析仪4采用奈奎斯特曲线方法进行，无特殊型号要求。初始化，高速脉冲激励源1的幅值和频率参数后，向电池2施加激励。施加激励的时间一般为2小时。施加脉冲后，基于图2所示的电气电容效应，外部激励的电池调控效果由频率响应分析得出。图3是频率响应分析的一个例子。图4是基于外部激励的电池主动调控方法的总体流程图。
本发明的具体步骤如下：
（1）所述基于外部激励的电池主动调控方法采用首创性的电气电容效应。电容器由两个导体和夹在它们之间的介电材料组成，是一个用于电荷存储的容器。在电池中，正负极板为导电介质，所述硫化层为介电材料。因此，硫化电池可以被看作一个电容器，在本发明中称之为电容效应。电容效应在各类电池生命周期中普遍存在，本发明采用电气电容效应反应电池界面变化情况和电化学过程，进而为所提出基于电容效应的外部调控方法提供了机理支持；
（2）所述基于外部激励的电池主动调控方法采用高速脉冲激励源进行电池激励。改变脉冲激励的幅值和频率参数以获得不同的频率响应。激励的波形是占空比5%以下的窄方波信号，幅值范围是0.1C A到1C A，其中C是电池的额定容量。激励的频率范围是1kHz到100kHz；
（3）所述基于外部激励的电池主动调控方法通过测试电池的频率响应评估电池内部的电化学过程。具体为，选用电化学阻抗谱技术进行频率响应的测量。以幅值为5mV，频率为10mHz到1MHz的正弦波作为扰动源，测量电池的复阻抗。每次测量在10mHz到1MHz的对数频率范围平均取6个点，每个扰动步骤测试2次。最终的频率响应结果即所测复阻抗的平均值；
（4）如步骤（3）所述的频率响应评估通过绘制阻抗的奈奎斯特曲线实现。以复阻抗的实数分量作为横轴，复阻抗的虚数分量作为纵轴进行绘图，得到奈奎斯特曲线。在奈奎斯特曲线上观察阻抗的最低点，即为电池的谐振点。电池的谐振点在外部激励施加后发生移动，根据谐振点移动的频率范围进行电池内部电化学过程的评估。
以一个实测数据点来说明本实施例：采用电池容量为4.5Ah；外部激励电流1.5A，激励波形为方波，占空比为5%，激励频率为10kHz，激励时间为2h；选用电化学阻抗谱技术进行频率响应的测量；以幅值为5mV，频率为10mHz到1MHz的正弦波作为扰动源，测量电池的复阻抗。每次测量在10mHz到1MHz的对数频率范围平均取6个点，每个扰动步骤测试2次。最终的频率响应结果即所测复阻抗的平均值。
激励前，如图3的圆形划线，频率响应最低点的频率是6.3kHz，对应电池内部的电化学过程变慢。激励后，如图3的方形划线，频率响应最低点的频率是9.6kHz，对应电池内部的电化学过程变快。

Claims (1)

1.一种基于外部激励的电池主动调控方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）待测样品选用硫化电池，硫化电池的正负极板为导电介质，硫化层为介电材料；硫化电池即为一个电容器；
（2）采用脉冲激励源对步骤（1）所述硫化电池进行激励，改变脉冲激励的幅值和频率参数以获得不同的频率响应；激励的波形是占空比5%以下的窄方波信号，幅值范围是0.1C A到1C A，其中：C是电池的额定容量，激励的频率范围是1kHz到100kHz；
（3）通过测试经过激励后的硫化电池的频率响应，评估硫化电池内部的电化学过程，具体为，选用电化学阻抗谱仪进行频率响应的测量，以幅值为5mV，频率为10mHz到1MHz的正弦波作为扰动源，测量硫化电池的复阻抗；每次测量在10mHz到1MHz的对数频率范围平均取6个点，每个扰动步骤测试2次，最终的频率响应结果，即所测复阻抗的平均值；
（4）频率响应评估通过绘制阻抗的奈奎斯特曲线实现，以步骤（3）得到的复阻抗的实数分量作为横轴，复阻抗的虚数分量作为纵轴进行绘图，得到奈奎斯特曲线；在奈奎斯特曲线上观察阻抗的最低点，即为电池的谐振点；电池的谐振点在外部激励施加后发生移动，根据谐振点移动的频率范围进行电池内部电化学过程的评估。
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