检测二次电池充电过程中析锂的方法和系统与流程

1.本发明涉及电池析锂技术领域，具体地，涉及一种检测二次电池充电过程中析锂的方法和系统。


背景技术：

2.目前锂离子电池在充电过程中的析锂行为，仍然存在不易识别，方法不合适等缺陷。电池在不同荷电状态(soc态)下的快速充电过程中，是否析锂，一般需要拆解电池观测。
3.因此，有一种可以有效识别析锂的方法对于无损检测析锂行为的判定至关重要。
4.专利文献cn105866695b(申请号：cn201610255360.5)公开了一种充电电池析锂的检测方法、电池管理系统及电池系统。一方面，本发明实施例通过在充电电池进行脉冲充电的过程中，检测充电电池的充电电压与荷电状态，充电电池的充电电压作为第一电压，从而，从预设的开路电压与荷电状态之间的对应关系，获取荷电状态所对应的电压值，以作为第二电压，进而，根据第一电压和第二电压，判断充电电池在脉冲充电过程中是否发生析锂。然而该专利是通过电压判断是否发生析锂，和本发明采用的技术手段不同，也无法实现不同soc态的电池在不同倍率下的充电过程检测。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种检测二次电池充电过程中析锂的方法和系统。
6.根据本发明提供的检测二次电池充电过程中析锂的方法，包括：
7.步骤1：在待测电池不同soc态，不同倍率下的恒压充电过程中，采集电压、电流、时间信号；
8.步骤2：在对应稳定电压下，获取待测电池的恒压充电曲线，通过充电曲线表征电流随时间的变化关系；
9.步骤3：根据充电曲线，获取待测电池的电流波动曲线，并以电流波动曲线进行一阶微分和二阶微分处理，获得微分曲线；
10.步骤4：在微分曲线中，根据一阶微分的峰值和二阶微分的起始值，检测和判断待测电池是否发生析锂。
11.优选的，根据产品需求和温度调整倍率，温度范围为-40℃～+60℃，倍率范围为0.05～6c，以每0.1～1.5c作为跨度；
12.电池的soc态取20～100％范围内的soc点，以每5～10％soc作为跨度。
13.优选的，确定soc点的方式为：使用电池在常温25℃下的1c放电容量作为分母，充电时通过容量截止使电池充电至预设soc点的容量；
14.或者先测试电池在不同倍率下的充电动态soc-ocv电压曲线，然后在充电时将电池充电至对应倍率下的电压，从而达到预设soc点；
15.采集信号使用电池测试系统连接的终端机进行信号采集，采集频率为100ms，采集
每个时间点的实时电压值、实时电流值、容量值和能量值。
16.优选的，起始充电过程为恒流充电过程，在此阶段电流值为恒值，电压随时间不断上升，当电压或容量达到设定的soc点的电压或容量，测试系统自动转为恒压充电模式，在此阶段，电压值为恒值，电流随时间不断降低，直到电流低于设定的电流值，设定的电流值范围为0.001～0.2c，在充电过程中，以时间为x轴，电压为y轴，获得电池的充电曲线。
17.优选的，对采集的电流和时间数据进行一阶微分处理，公式为：
[0018][0019]
其中：表示电流对时间的一阶微分；δt表示时间增量；i(t+δt)表示第(t+δt)时间点处的电流值；i(t)表示第t时间点处的电流值；
[0020]
对采集的电流和时间数据进行二阶微分处理，公式为：
[0021][0022]
其中：表示电流对时间的二阶微分；表示微分函数表达式；
[0023]
从一阶微分曲线中，判断是否存在极小值，如果不存在极小值则不发生析锂，如果存在极小值则发生析锂；
[0024]
从二阶微分曲线中，判断起始点值，如果起始点值≥0，则不发生析锂，如果起始点值＜0，则发生析锂。
[0025]
根据本发明提供的检测二次电池充电过程中析锂的系统，包括：
[0026]
模块m1：在待测电池不同soc态，不同倍率下的恒压充电过程中，采集电压、电流、时间信号；
[0027]
模块m2：在对应稳定电压下，获取待测电池的恒压充电曲线，通过充电曲线表征电流随时间的变化关系；
[0028]
模块m3：根据充电曲线，获取待测电池的电流波动曲线，并以电流波动曲线进行一阶微分和二阶微分处理，获得微分曲线；
[0029]
模块m4：在微分曲线中，根据一阶微分的峰值和二阶微分的起始值，检测和判断待测电池是否发生析锂。
[0030]
优选的，根据产品需求和温度调整倍率，温度范围为-40℃～+60℃，倍率范围为0.05～6c，以每0.1～1.5c作为跨度；
[0031]
电池的soc态取20～100％范围内的soc点，以每5～10％soc作为跨度。
[0032]
优选的，确定soc点的方式为：使用电池在常温25℃下的1c放电容量作为分母，充电时通过容量截止使电池充电至预设soc点的容量；
[0033]
或者先测试电池在不同倍率下的充电动态soc-ocv电压曲线，然后在充电时将电池充电至对应倍率下的电压，从而达到预设soc点；
[0034]
采集信号使用电池测试系统连接的终端机进行信号采集，采集频率为100ms，采集每个时间点的实时电压值、实时电流值、容量值和能量值。
[0035]
优选的，起始充电过程为恒流充电过程，在此阶段电流值为恒值，电压随时间不断上升，当电压或容量达到设定的soc点的电压或容量，测试系统自动转为恒压充电模式，在
此阶段，电压值为恒值，电流随时间不断降低，直到电流低于设定的电流值，设定的电流值范围为0.001～0.2c，在充电过程中，以时间为x轴，电压为y轴，获得电池的充电曲线。
[0036]
优选的，对采集的电流和时间数据进行一阶微分处理，公式为：
[0037][0038]
其中：表示电流对时间的一阶微分；δt表示时间增量；i(t+δt)表示第(t+δt)时间点处的电流值；i(t)表示第t时间点处的电流值；
[0039]
对采集的电流和时间数据进行二阶微分处理，公式为：
[0040][0041]
其中：表示电流对时间的二阶微分；表示微分函数表达式；
[0042]
从一阶微分曲线中，判断是否存在极小值，如果不存在极小值则不发生析锂，如果存在极小值则发生析锂；
[0043]
从二阶微分曲线中，判断起始点值，如果起始点值≥0，则不发生析锂，如果起始点值＜0，则发生析锂。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0045]
1、当前析锂判定方式可以针对不同soc点和不同倍率充电方案进行判定；
[0046]
2、当前方案可以有效识别三元电池和磷酸铁锂等不同材料电池，甚至包括钠离子电池、钾离子电池等的析钠、析钾行为；
[0047]
3、当前判定方式可以有效地节约人力物力，提升测试效率；
[0048]
4、当前判定方式可以判定处于bol，eol1、eol2或任意状态电池的析锂行为。
附图说明
[0049]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0050]
图1为本发明方法流程图；
[0051]
图2为不同倍率下对电池进行恒流恒压充电过程的电压对时间曲线图；
[0052]
图3为不同倍率下充电过程中的恒压阶段的电流对时间的一阶微分对时间曲线图；
[0053]
图4为不同倍率下充电过程中的恒压阶段的电流对时间的二阶微分对时间曲线图。
具体实施方式
[0054]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0055]
实施例：
[0056]
如图1，本发明实施例中，通过对待测电池以不同倍率充电至不同soc态的恒压稳定状态过程中，采集电压和电流随时间的变化信号；
[0057]
倍率选择根据产品需求和温度进行调整，温度范围可以是-40℃～+60℃，倍率范围可以是0.05～6c，跨度以每0.1～1.5c作为跨度。优选的温度范围是0～+45℃，倍率使用是0.5～4.5c，跨度为0.5～1c跨度。文中进一步优选温度为20～25℃，倍率为1～4c的倍率范围，实施例应用倍率为1c、1.5c、2.2c、3c、3.5c、4c的倍率。
[0058]
根据不同的产品需求，soc态和倍率也会随着产品需求改变。电池的soc态一般取20～100％范围内的soc点，可以以每5～10％soc作为跨度。这里优选的soc范围是40～90％soc范围，以每10％soc作为跨度进行测试。
[0059]
有2种方法来确定soc点，1是使用电池在常温25℃下的1c放电容量作为分母，充电时通过容量截止使电池充电至某个soc点的容量。2是首先测试电池在不同倍率下的充电动态soc-ocv电压曲线，充电时将电池充电至对应倍率下的电压，则认为达到了设定的soc点。
[0060]
采集信号使用电池测试系统连接的终端机进行信号采集，采集频率为100ms，采集每个时间点的实时电压值、实时电流值、容量值和能量值等数据。
[0061]
在对应soc态的稳定电压下，获取待测电池的恒压充电曲线，充电曲线表征电流随时间的变化关系；
[0062]
从测试开始时，与电池测试系统连接的终端机会开始采集电池状态信号，采集频率为100ms，采集内容包括实时电压值，实时电流值，实时容量值和实时能量值等数据。起始充电过程为恒流充电过程，在此阶段电流值为恒值，电压随时间不断上升。当电压或容量达到设定的soc点的电压或容量，测试系统自动转为恒压充电模式。在此阶段，电压值为恒值，电流随时间不断降低，直到电流低于设定的电流值，设定的电流值其范围可以是0.001～0.2c，优选为0.005～0.05c，这里使用0.01c以下。则在充电过程中，以时间为x轴，电压为y轴可以获得电池的充电曲线。
[0063]
然后，将电流对时间进行一阶、二阶微分处理；
[0064]
对采集的电流和时间数据做一阶微分处理，公式如下：
[0065][0066]
其中：表示电流对时间的一阶微分；δt表示时间增量；i(t+δt)表示第(t+δt)时间点处的电流值；i(t)表示第(t)时间点处的电流值；
[0067]
对采集的电流和时间数据进一步做二阶微分处理，公式如下：
[0068][0069]
其中：表示电流对时间的二阶微分；表示微分函数表达式；
[0070]
最后，根据一阶、二阶微分曲线，检测待测电池是否发生析锂。
[0071]
首先，从一阶微分曲线中，判断是否存在极小值。如果不存在极小值则不发生析锂，如果存在极小值则发生析锂，如图中箭头所示。
[0072]
再者，从二阶微分曲线中，判断起始点值。如果起始点值≥0，则不发生析锂，如果
起始点值＜0，则发生析锂，如图中箭头所示。
[0073]
两种方法之间存在相协同，可同步验证析锂的关系。
[0074]
之前用于检测析锂的方法要么是有损方法，要么精度不够高，不能无损且有效地检测出电池的析锂表现。且很多方法需要耗费大量的测试和人力时间成本才能完成。本发明中的难度在于开发并确定一个有效的方法，和一个简单有效的处理数据的方法，一是可以高精度的反馈出析锂的表现，二是需要且可以被电池控制系统简单有效地识别出来。在尝试多种不同方法和不同表征手段之后，配合实际的析锂表征，才能确定此种方法和数据处理方法可以有效的表征出电池的析锂表现。
[0075]
因此，本发明实施例提供的技术方案能够解决现有技术中检测电池析锂的方法存在耗费人力物力较大且检测效率较低的缺陷。并且，微分曲线信号值被管理系统所识别，因此，可以有效提升管理系统识别的效率和准确性。
[0076]
以及使用该方法判定不同soc态下电池不同倍率充电过程中出现析锂的相应电池管理系统，应用此方法对电池的析锂行为进行检测，识别和有效管理。
[0077]
相同原理，此方法也可以应用在钠离子电池和钾离子电池中，用于判断电池在充电过程中的析钠和析钾行为。
[0078]
基于不同倍率下充电至不同soc态的稳定恒压阶段获取的电流和时间曲线，对其进行一阶微分和二阶微分处理，使用获得的曲线进行析锂判定。
[0079]
如图2，将待测电池使用目标倍率充电至目标soc态后进行稳定恒压充电，在此过程中获得电流和时间数据。
[0080]
对此数据进行电流对时间的一阶微分和二阶微分处理，将获得微分曲线图。
[0081]
如图3，从对磷酸铁锂电池的一阶微分处理结果中可以看出，在以不同倍率充电至满电态(100％soc)的3.65v时，其中3个高倍率出现了凹峰，代表着析锂，而没有出现凹峰的3个倍率代表没有析锂。
[0082]
如图4，从对磷酸铁锂电池的二阶微分处理结果中可以看出，在以不同倍率充电至满电态(100％soc)的3.65v时，其中3个高倍率起始值为负值，代表着析锂，而起始值为正值的3个倍率代表没有析锂。
[0083]
同样，对于电池控制系统，其可以对数据进行处理并识别结果，如果其一阶微分有凹峰值，或者二阶微分结果起始值为负值，则代表电池在此倍率和此soc态下出现了析锂。
[0084]
根据本发明提供的检测二次电池充电过程中析锂的系统，包括：模块m1：在待测电池不同soc态，不同倍率下的恒压充电过程中，采集电压、电流、时间信号；模块m2：在对应稳定电压下，获取待测电池的恒压充电曲线，通过充电曲线表征电流随时间的变化关系；模块m3：根据充电曲线，获取待测电池的电流波动曲线，并以电流波动曲线进行一阶微分和二阶微分处理，获得微分曲线；模块m4：在微分曲线中，根据一阶微分的峰值和二阶微分的起始值，检测和判断待测电池是否发生析锂。
[0085]
根据产品需求和温度调整倍率，温度范围为-40℃～+60℃，倍率范围为0.05～6c，以每0.1～1.5c作为跨度；电池的soc态取20～100％范围内的soc点，以每5～10％soc作为跨度。确定soc点的方式为：使用电池在常温25℃下的1c放电容量作为分母，充电时通过容量截止使电池充电至预设soc点的容量；或者先测试电池在不同倍率下的充电动态soc-ocv电压曲线，然后在充电时将电池充电至对应倍率下的电压，从而达到预设soc点；采集信号
使用电池测试系统连接的终端机进行信号采集，采集频率为100ms，采集每个时间点的实时电压值、实时电流值、容量值和能量值。起始充电过程为恒流充电过程，在此阶段电流值为恒值，电压随时间不断上升，当电压或容量达到设定的soc点的电压或容量，测试系统自动转为恒压充电模式，在此阶段，电压值为恒值，电流随时间不断降低，直到电流低于设定的电流值，设定的电流值范围为0.001～0.2c，在充电过程中，以时间为x轴，电压为y轴，获得电池的充电曲线。对采集的电流和时间数据进行一阶微分处理，公式为：
[0086][0087]
其中：表示电流对时间的一阶微分；δt表示时间增量；i(t+δt)表示第(t+δt)时间点处的电流值；i(t)表示第t时间点处的电流值；
[0088]
对采集的电流和时间数据进行二阶微分处理，公式为：
[0089][0090]
其中：表示电流对时间的二阶微分；表示微分函数表达式；
[0091]
从一阶微分曲线中，判断是否存在极小值，如果不存在极小值则不发生析锂，如果存在极小值则发生析锂；从二阶微分曲线中，判断起始点值，如果起始点值≥0，则不发生析锂，如果起始点值＜0，则发生析锂。
[0092]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0093]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。