CN114264961A - 一种电芯内短路的检测方法、装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电芯内短路的检测方法、装置和电子设备，该方法包括：根据电芯在任意两个充电周期表征容量‑电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数；根据两个容量参数之间的大小关系判定电芯的内短路状态。本发明提供的技术方案，以容量参数的变化为基准检测电芯的内短路，该方法与现有基于电压变化的检测方法相比，具有范围更广的变化窗口，受短路影响产生的变化更加明显，从而大幅度提高电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

Description

一种电芯内短路的检测方法、装置和电子设备

技术领域

本发明涉及电池领域，具体涉及一种电芯内短路的检测方法、装置和电子设备。

背景技术

在电芯制造中引入的金属异物、极片模切留下的毛刺以及电芯在后续使用过程中产生的锂枝晶、过渡金属的溶解与再沉积等因素都会造成电芯的内短路。内短路对电池的性能以及安全性影响很大。轻微内短路会引发电池自放电，使得电池的充电效率以及容量保持率等下降，并进一步导致电芯的一致性变差，最终影响电池包的使用寿命。若内短路的规模进一步加大，还将引发电池的热失控，造成安全隐患。因此，及时识别内短路过程，并制定相应的使用管理策略对安全、高效使用电池意义重大。现有技术检测内短路的方法都是针对特定机理，例如，由析锂造成的内短路，通常通过观察充电过程中电压斜率的变化或者在静置过程中观察电压去极化时是否存在电压平台来判断；由金属异物或者毛刺等造成的内短路，通常通过静置过程中电压的下降速率(即自放电速率)来判断。上述方法的共同点是观察电压的变化。由于电芯的最高截止电圧和最低截止电压的窗口相差很小，例如：磷酸铁锂电池的充、放电截止电压分别为3.65V到2.5V，电池实际使用的电压窗口只有1.15V。因此内短路造成的电压变化十分微小，特别是在微短路的情况下，再结合电压传感器采集电压的噪声，甚至完全观察不到电压的变化。这使得上述方法的内短路检测灵敏度和检测精度很低。因此，如何提高电芯内短路的检测灵敏度是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明实施方式提供了一种电芯内短路的检测方法、装置和电子设备，从而提高了电芯内短路的检测灵敏度。

根据第一方面，本发明提供了一种电芯内短路的检测方法，所述方法包括：根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数；根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态。

可选地，所述根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数，包括：获取电芯当前充电周期表征容量-电压关系的第一曲线和任意历史充电周期表征容量-电压关系的第二曲线；获取预设电压区间分别在第一曲线和第二曲线上对应的第一容量区间和第二容量区间，并将所述第一容量区间和所述第二容量区间作为所述容量参数。

可选地，所述根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态，包括：若所述第一容量区间大于所述第二容量区间则输出电芯发生内短路的检测结果。

可选地，所述根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数，还包括：分别基于所述第一曲线和所述第二曲线获取电芯的第一容量和第二容量，所述第一容量是所述电芯在当前充电周期对应的总充电容量，所述第二容量是所述电芯在任意历史充电周期对应的总充电容量；分别计算所述第一容量区间和所述第一容量的比值以及所述第二容量区间和所述第二容量的比值，得到第一比值和第二比值，并将所述第一比值和所述第二比值作为所述容量参数。

可选地，所述根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态，还包括：若所述第一比值大于所述第二比值则输出电芯发生内短路的检测结果。

可选地，所述电芯的内短路检测从电芯未经过老化的初始状态开始，获取用于表征所述电芯初始状态对应的容量-电压关系变化曲线的步骤包括：利用多个恒定充电电流分别在多个充电周期对电芯进行充电，并对应记录用于表征电芯的容量-电压关系的多个变化曲线；通过线性回归方法根据所述多个变化曲线拟合出目标曲线，所述目标曲线用于表征电芯在充电电流为0时的容量-电压关系。

可选地，所述利用多个恒定充电电流分别在多个充电周期对电芯进行充电，并对应记录用于表征电芯的容量-电压关系的多个变化曲线，包括：分别利用恒定充电电流在0.1C、0.2C、0.3C和0.5C时对电芯进行完整充电周期的充电，并对应记录恒定充电电流在0.1C、0.2C、0.3C和0.5C时用于表征电芯的容量-电压关系的变化曲线。

根据第二方面，本发明提供了一种电芯内短路的检测装置，所述装置包括：参数计算模块，用于根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数；检测模块，用于根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。

本申请提供的技术方案，具有如下优点：

本申请提供的技术方案，考虑随着时间的增加，电芯在各个充电周期内能够充满的容量越来越小，从而基于该特性从容量-电压关系曲线中计算相关的容量参数，以容量参数的变化为基准检测电芯的内短路，该方法与现有基于电压变化的检测方法相比，具有范围更广的变化窗口，受短路影响产生的变化更加明显，从而大幅度提高电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

此外，通过计算容量-电压关系的变化曲线在预设电压区间内对应的电容区间与总充电容量的比值，以获取电容参数，并结合不可逆容量损失、正负极材料的退化以及电池内部极化的增大等衰退机理，分析出该比值是随着充电周期次数的增加而减小的。且该比值在内短路发生时，增加的速度很快，若该比值出现当前充电周期比上一充电周期还要大的情况，则判定电芯发生内短路，告知用户及时检修。从而提高了电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一个实施方式中一种电芯内短路的检测方法的步骤示意图；

图2示出了本发明一个实施方式中相邻充电周期的容量-电压关系的变化曲线示意图；

图3示出了本发明一个实施方式中另一幅相邻充电周期的容量-电压关系的变化曲线示意图；

图4示出了本发明一个实施方式中不同充电电流的容量-电压变化曲线之间的关系示意图；

图5示出了本发明一个实施方式中一种电芯内短路的检测装置的结构示意图；

图6示出了本发明一个实施方式中一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，在一个实施方式中，一种电芯内短路的检测方法，具体包括以下步骤：

步骤S101：根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数。

步骤S102：根据两个容量参数之间的大小关系判定电芯的内短路状态。

具体地，在本实施例中，结合电芯的容量衰减特性，即使用时间越长，充电周期的次数越多，对应的总充电容量越小。在电芯的任意两个充电周期，分别在随着电芯容量增加到总充电容量值的过程中记录对应的电压变化情况，以获取任意两个充电周期的容量-电压变化曲线。之后根据两条曲线计算用于表征电芯容量状态的容量参数，例如使用简单的加法、乘法等手段从变化曲线上进行取值计算，从而用于表示电芯在不同充电周期的容量状态。然后基于容量参数的大小关系对电芯是否发生内短路来进行判定，电芯的容量单位通常为Ah或mAh，其数值的范围在十级范围或百级范围、更有甚者在千级范围或万级范围，计算得到的容量参数数值范围通常与容量保持一致，因此，当电芯内短路时，会出现边充电边放电的情况，充电会变慢，按照理论的恒定电流充电会使得最终统计的电芯充满电时的容量增加，从而导致容量参数变化，而该变化相比电芯的电压变化数值更大，观察更明显，即便微弱的内短路也会产生数值较明显的容量参数变化，因此基于容量参数对电芯的内短路状态进行检测可以大大提高检测灵敏度和准确度。

具体地，在一实施例中，上述步骤S101，具体包括如下步骤：

步骤一：获取电芯当前充电周期表征容量-电压关系的第一曲线和任意历史充电周期表征容量-电压关系的第二曲线。

步骤二：获取预设电压区间分别在第一曲线和第二曲线上对应的第一容量区间和第二容量区间，并将第一容量区间和第二容量区间作为容量参数。

具体地，在本实施例中，在当前充电周期和任意历史充电周期，分别记录了电芯的容量-电压变化曲线之后，从两条容量-电压变化曲线的y轴上截取相同的预设电压区间，之后获取该预设电压区间分别在两条曲线上对应的容量区间，将两个容量区间(即当前充电周期的第一容量区间和上一充电周期的第二容量区间)作为用于检测电芯是否发生内短路的容量参数。

基于此，在本实施例中，上述步骤S102包括：若第一容量区间大于第二容量区间则输出电芯发生内短路的检测结果。正常情况下，电芯的容量会随着充电周期的增加而减少，因此电芯充满更快，充电截止电压对应的总充电容量更小，从而曲线更陡，那么预设电压区间内的第一容量区间会小于第二容量区间，例如：如图2所示，预设电压区间V2～V1是完整曲线上的一部分，在当前充电周期(图2中第n+1次曲线)和上一充电周期(图2中第n次曲线)对应的容量区间(即x轴的截取长度)分别为图中的ΔQ₂(第一容量区间)和ΔQ₁(第二容量区间)。假设当前充电周期发生了电芯内短路，电芯的充电过程是边充边放，充到相同的截止电压时间更长，记录到的容量会产生虚假值，导致电芯总充电容量更大，进而曲线更加平缓，从而导致ΔQ₂变大。因此，当ΔQ₂大于ΔQ₁时，可以准确判断出电芯发生了内短路，并且容量值的变化相比电压值的变化在数值范围上更加明显，从而提高了电芯内短路检测的灵敏度和准确度。

具体地，基于上述步骤一和步骤二，在另一实施例中，上述步骤S101，还包括如下步骤：

步骤三：分别基于第一曲线和第二曲线获取电芯的第一容量和第二容量，第一容量是电芯在当前充电周期对应的总充电容量，第二容量是电芯在任意历史充电周期对应的总充电容量。

步骤四：分别计算第一容量区间和第一容量的比值以及第二容量区间和第二容量的比值，得到第一比值和第二比值，并将第一比值和第二比值作为容量参数。

基于上述步骤三和步骤四，步骤S102，还包括如下步骤：

步骤五：若第一比值大于第二比值则输出电芯发生内短路的检测结果。

具体地，在本实施例中，对容量参数进一步优化，上述步骤一和步骤二实施例中的当第一容量区间大于第二容量区间时，判定为电芯内短路，其出现第一容量区间大于第二容量区间的情况在实际试验中分析发现，此时的内短路情况与现有技术相比通常改善情况还不够强，短路情况的严重程度属于中等。为了进一步提高微弱内短路情况的检测，在本实施例中，将各个充电周期的容量区间与总充电容量的比值作为容量参数，进一步提高检测电芯内短路的灵敏度和准确度。在锂离子电池的众多退化机理中，不可逆容量损失、正负极材料的退化以及电池内部极化的增大等过程都会影响第一比值和第二比值的大小。在高SoC区间(即高电压区间，例如70％-100％)和低SoC区间(即低电压区间，例如0-40％)，上述衰退机理都会造成容量区间与总充电容量比值变小，即电池的老化过程将使得第一比值<第二比值。然而，当内短路发生时，由于充电效率降低(边充边放)，检测到的充电容量会变大，曲线变的平缓，但是在平缓程度还不大时，已经可以检测到第一比值>第二比值。因此，第一比值>第二比值是判断电芯内部发生内短路的依据，通过上述容量参数，可以进一步提高电芯内短路检测的准确度。

例如：以某款量产电芯为例，图3为上一充电周期和当前充电周期的容量-电压关系曲线。其中，上一充电周期的曲线对应的充电容量Q₁＝85.647h，当前充电周期的曲线对应的充电容量Q₂＝83.605h，分别在这两条曲线上截取V₁＝4.2V，V₂＝4.0V电压区间的电压曲线，这两段电压曲线对应的容量分别为ΔQ₁，ΔQ₂。如图3所示，ΔQ₁＝16.8917h，ΔQ₂＝16.0636h，则

其中δ₂是本实施例中的第一比值，δ₁是本实施例中的第二比值，上述电芯是一颗制备完好、无明显缺陷的良品电芯，且该电芯是在温和的测试条件下进行充放电循环，循环圈数只有200圈左右，电芯容量保持率>98％，电芯只经历了正常老化过程，不存在析锂、内短路等极端情形。从上述计算结果可知，δ₂<δ₁。

具体地，在一实施例中，电芯的内短路检测从电芯未经过老化的初始状态开始，获取用于表征电芯初始状态对应的容量-电压关系变化曲线的步骤包括：

步骤六：利用多个恒定充电电流分别在多个充电周期对电芯进行充电，并对应记录用于表征电芯的容量-电压关系的多个变化曲线。

步骤七：通过线性回归方法根据多个变化曲线拟合出目标曲线，目标曲线用于表征电芯在充电电流为0时的容量-电压关系。

具体地，在本实施例中，电芯的内短路检测通常是从电芯还未开始使用的初始状态进行的，从而保证电芯的内短路故障及早发现。基于上述方法对电芯的内短路情况进行检测，首先需要获取电芯在初始状态的容量-电压关系的变化曲线，而电芯在未进行充电时，是无法通过实验手段将容量-电压关系的变化曲线记录出来的。因此，本发明实施例中首先利用预设的放电电流(通常在1C以下，若放电电流过大则会由于极化过大导致电芯容量放电不完全，本发明实施例中的放电电流采用1/3C)对一个初始状态的电芯进行完全放电，然后使用预设的恒定充电电流对电芯进行完全充电，并记录此过程中的容量-电压变化曲线，之后再对电芯进行完全放电，然后调整恒定充电电流的大小对电芯进行完全充电，循环往复多个充放电周期，记录多条容量-电压变化曲线，然后基于各个曲线之间的差值间隔，即可等间隔比例的拟合出充电电流为0时(电芯初始状态)的容量-电压关系的变化曲线。

在本实施例中，如图4所示，各个充电周期的恒定充电电流分别选用恒定充电电流在0.1C、0.2C、0.3C和0.5C，其电流大小更接近于0，间隔相对匀称，从而拟合出的电芯初始状态的容量-电压关系的变化曲线更加准确。

通过上述步骤，本申请提供的技术方案，考虑随着时间的增加，电芯在各个充电周期内能够充满的容量越来越小，从而基于该特性从容量-电压关系曲线中计算相关的容量参数，以容量参数的变化为基准检测电芯的内短路。该方法与现有基于电压变化的检测方法相比，具有范围更广的变化窗口，受短路影响产生的变化更加明显，从而大幅度提高电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

此外，通过计算容量-电压关系的变化曲线在预设电压区间内对应的电容区间与总充电容量的比值，以获取电容参数，并结合不可逆容量损失、正负极材料的退化以及电池内部极化的增大等衰退机理，分析出该比值是随着充电周期次数的增加而减小的。且该比值在内短路发生时，增加的速度很快，若该比值出现当前充电周期比上一充电周期还要大的情况，则判定电芯发生内短路，告知用户及时检修。从而提高了电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

如图5所示，本实施例还提供了一种电芯内短路的检测装置，装置包括：

参数计算模块101，用于根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数。详细内容参见上述方法实施例中步骤S101的相关描述，在此不再进行赘述。

检测模块102，用于根据两个容量参数之间的大小关系判定电芯的内短路状态。详细内容参见上述方法实施例中步骤S102的相关描述，在此不再进行赘述。

本发明实施例提供的一种电芯内短路的检测装置，用于执行上述实施例提供的一种电芯内短路的检测方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。

通过上述各个组成部分的协同合作，本申请提供的技术方案，考虑随着时间的增加，电芯在各个充电周期内能够充满的容量越来越小，从而基于该特性从容量-电压关系曲线中计算相关的容量参数，以容量参数的变化为基准检测电芯的内短路。该方法与现有基于电压变化的检测方法相比，具有范围更广的变化窗口，受短路影响产生的变化更加明显，从而大幅度提高电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

此外，通过计算容量-电压关系的变化曲线在预设电压区间内对应的电容区间与总充电容量的比值，以获取电容参数，并结合不可逆容量损失、正负极材料的退化以及电池内部极化的增大等衰退机理，分析出该比值是随着充电周期次数的增加而减小的。且该比值在内短路发生时，增加的速度很快，若该比值出现当前充电周期比上一充电周期还要大的情况，则判定电芯发生内短路，告知用户及时检修。从而提高了电芯内短路的检测灵敏度和准确率。

图6示出了本发明实施例的一种电子设备，该设备包括处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接，图6中以通过总线连接为例。

处理器901可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。

存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。

上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种电芯内短路的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数；

根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数，包括：

获取电芯当前充电周期表征容量-电压关系的第一曲线和任意历史充电周期表征容量-电压关系的第二曲线；

获取预设电压区间分别在第一曲线和第二曲线上对应的第一容量区间和第二容量区间，并将所述第一容量区间和所述第二容量区间作为所述容量参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态，包括：

若所述第一容量区间大于所述第二容量区间则输出电芯发生内短路的检测结果。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数，还包括：

分别基于所述第一曲线和所述第二曲线获取电芯的第一容量和第二容量，所述第一容量是所述电芯在当前充电周期对应的总充电容量，所述第二容量是所述电芯在任意历史充电周期对应的总充电容量；

分别计算所述第一容量区间和所述第一容量的比值以及所述第二容量区间和所述第二容量的比值，得到第一比值和第二比值，并将所述第一比值和所述第二比值作为所述容量参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态，还包括：

若所述第一比值大于所述第二比值则输出电芯发生内短路的检测结果。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电芯的内短路检测从电芯未经过老化的初始状态开始，获取用于表征所述电芯初始状态对应的容量-电压关系变化曲线的步骤包括：

利用多个恒定充电电流分别在多个充电周期对电芯进行充电，并对应记录用于表征电芯的容量-电压关系的多个变化曲线；

通过线性回归方法根据所述多个变化曲线拟合出目标曲线，所述目标曲线用于表征电芯在充电电流为0时的容量-电压关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用多个恒定充电电流分别在多个充电周期对电芯进行充电，并对应记录用于表征电芯的容量-电压关系的多个变化曲线，包括：

分别利用恒定充电电流在0.1C、0.2C、0.3C和0.5C时对电芯进行完整充电周期的充电，并对应记录恒定充电电流在0.1C、0.2C、0.3C和0.5C时用于表征电芯的容量-电压关系的变化曲线。

8.一种电芯内短路的检测装置，其特征在于，所述装置包括：

参数计算模块，用于根据电芯在任意两个充电周期表征容量-电压关系的两条变化曲线，分别获取用于表征电芯在两个充电周期容量状态的容量参数；

检测模块，用于根据两个所述容量参数之间的大小关系判定所述电芯的内短路状态。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。

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