电池的单电极电位的检测方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电池的单电极电位的检测方法，包括以下步骤：利用交流阻抗试验得到电池的正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极在不同荷电状态SOC和温度下的交流阻抗谱；分别利用全电池的等效电路、正极等效电路和负极等效电路对正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极的交流阻抗谱进行拟合，得到正极和负极的等效阻抗与SOC和温度相关的三维映射表；根据电池的SOC和平衡电势曲线得到当前的电极平衡电势；根据电极平衡电势、电池的充/放电电流和的三维映射表得到单电极电位。本发明的方法能够直接、方便地对普通电池的电极电势进行测量，并提高测量结果的准确性。本发明还提供了一种电池的单电极电位的检测系统。
【专利说明】电池的单电极电位的检测方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电池管理【技术领域】，特别涉及一种电池的单电极电位的检测方法及系 统。
【背景技术】
[0002] 在电化学及电池的研究领域中，电极电位是非常重要的参数。处于热力学平衡状 态的电极电势为开路电势，实际应用中，可以近似地认为小电流充放电得到的电压-SOC曲 线为电池的开路电压曲线。若流过电极的电流密度较大，得到的曲线为端电压曲线。通过观 察单电极的相对电势曲线，可以得到电极内部的反应信息。比如对于石墨负极锂离子电池， 过充或低温充电可能会导致石墨负极的析锂副反应，导致负极的相对电势低于析锂反应的 均衡电势0V，这是需要尽量避免的。
[0003] 当有电流流过时，电极会发生极化，所产生的电势成为极化电势，极化电势与开路 电势之差称为过电势。过电势的大小与通过电极的电流密度呈非线性正相关，二者的关系 可以用极化曲线来表示，在一定的范围内，也可以认为过电势n与Igi呈线性关系。但是， 电池均由两个电极构成，无法直接得到单电极的极化特性，因此只能利用三电极体系进行 测量，即在正极和负极间加入参考电极，利用多通道测量仪器可以得到单电极电势。对于锂 离子电池，参考电极主要是锂金属或者钛酸锂。由于钛酸锂容易产生电位飘逸现象，通常采 用锂金属。
[0004] 三电极体系由研究电极、对电极和参比电极组成,共同构成极化回路和测量回路。 三电极体系的缺点是只能在实验室中进行研究，不能对封装好的电池直接测试。另外，当电 流流过工作电极、对电极和参比电极之间的溶液时，会产生溶液欧姆压降，使极化电势的测 量产生误差。一般实验室中加入电解质提升溶液的导电性，或采用鲁金毛细管（Luggin)连 接工作电极和参比电极，以降低欧姆压降的影响。但是在某些介质中，鲁金毛细管的应用受 到限制，对测量结果的影响很大。
[0005] 目前，一些技术采用单片机及相关的工作电路，控制工作电极的极化电流通断，再 利用曲线拟合出消除溶液欧姆压降后的电极电位值。或者利用内置的烧结镍做参比电极， 测量密封电池体系下的正负极电极电位。然而该方法仅适用于镍基水系电池的研究，主要 克服的是密封困难的问题。可以看出，上述技术方案的改进依然基于三电极体系，无法克服 该方法测量单电极电位的固有缺点。
[0006] 因此，开发一种不需要参比电极即可观测电极电势的方法非常必要。
【发明内容】
[0007] 本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0008] 为此，本发明的一个目的在于提出一种电池的单电极电位的检测方法，该方法能 够直接、方便地对普通电池的电极电势进行测量，并提高测量结果的准确性。
[0009] 本发明的另一个目的在于提供一种电池的单电极电位的检测系统。
[0010] 为达到上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种电池的单电极电位的检测 方法，包括以下步骤：利用交流阻抗试验得到电池的正极/负极、正极/参考电极、负极/参 考电极在不同荷电状态SOC和温度下的交流阻抗谱；分别利用全电池的等效电路、正极等 效电路和负极等效电路对所述正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极的交流阻抗谱 进行拟合，得到正极和负极的等效阻抗与SOC和温度相关的三维映射表；根据电池的SOC和 平衡电势曲线得到当前的电极平衡电势；根据所述电极平衡电势、电池的充/放电电流和 所述的三维映射表得到单电极电位。
[0011] 根据本发明实施例的池的单电极电位的检测方法，首先利用交流阻抗试验得到电 池的正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极在不同荷电状态SOC和温度下的交流阻 抗谱，再分别根据全电池的等效电路、正极等效电路和负极等效电路对正极/负极、正极/ 参考电极、负极/参考电极的交流阻抗谱进行拟合，得到正极和负极的等效阻抗与SOC和温 度相关的三维映射表，然后根据电池的SOC和平衡电势曲线得到当前的电极平衡电势，最 后，根据电极平衡电势、电池的充/放电电流和的三维映射表得到单电极电位。因此，该方 法可以根据电池实时测量的端电压及充放电流对电池的电极电位进行在线观测，从而对在 正负极造成的电池衰减进行控制。换言之，该方法能够直接、方便地对普通电池的电极电势 进行测量，并提高测量结果的准确性。
[0012] 另外，根据本发明上述实施例的池的单电极电位的检测方法还可以具有如下附加 的技术特征：
[0013] 在本发明的一个实施例中，所述等效阻抗的计算式如下：
[0014] Z(SOC1T) = asoc；T+bs〇aTi,
[0015] 其中，SOC表示电池的荷电状态，T表示当前温度，aS()QT为交流阻抗的实部，b S()QTi 为交流阻抗的虚部，i为虚数单位。
[0016] 在本发明的一个实施例中，根据所述等效阻抗得到等效电阻为：
【权利要求】
1. 一种电池的单电极电位的检测方法，其特征在于，包括w下步骤： 利用交流阻抗试验得到电池的正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极在不同荷 电状态SOC和温度下的交流阻抗谱； 分别利用全电池的等效电路、正极等效电路和负极等效电路对所述正极/负极、正极/ 参考电极、负极/参考电极的交流阻抗谱进行拟合，得到正极和负极的等效阻抗与SOC和温 度相关的H维映射表； 根据电池的SOC和平衡电势曲线得到当前的电极平衡电势； 根据所述电极平衡电势、电池的充/放电电流和所述H维映射表得到单电极电位。
2. 根据权利要求1所述的电池的单电极电位的检测方法，其特征在于，所述等效阻抗 的计算式如下：
其中，SOC表示电池的荷电状态，T表示当前温度，asw，T为交流阻抗的实部，bsw，Ti为交 流阻抗的虚部，i为虚数单位。
3. 根据权利要求2所述的电池的单电极电位的检测方法，其特征在于，根据所述等效 阻抗得到等效电阻为：
4. 根据权利要求3所述的电池的单电极电位的检测方法，其特征在于，所述单电极充 电时的电压通过下式计算： Ui = U〇cv,i+IcRi(S〇C, T)i = n,p, 其中，Uwvj为当前SOC下的开路电压，I。为充电电流，n表示电池的负极，p表示电池的 正极。
5. 根据权利要求4所述的电池的单电极电位的检测方法，其特征在于，所述单电极放 电时的电压通过下式计算：
其中，Idch表示放电电流。
6. -种电池的单电极电位的检测系统，其特征在于，包括： 交流阻抗获取模块，所述交流阻抗获取模块利用交流阻抗试验得到电池的正极/负 极、正极/参考电极、负极/参考电极在不同荷电状态S0C和温度下的交流阻抗谱； H维映射表获取模块，所述H维映射表获取模块分别利用全电池的等效电路、正极等 效电路和负极等效电路对所述正极/负极、正极/参考电极、负极/参考电极的交流阻抗谱 进行拟合，得到正极和负极的等效阻抗与S0C和温度相关的H维映射表； 平衡电势获取模块，所述平衡电势获取模块根据电池的S0C和平衡电势曲线得到当前 的电极平衡电势； 单电极电位获取模块，所述单电极电位获取模块根据所述电极平衡电势、电池的充/ 放电电流和所述的H维映射表得到单电极电位。
7. 根据权利要求6所述的电池的单电极电位的检测系统，其特征在于，所述等效阻抗 的计算式如下： Z (S0C, T) - Ssoc,T+bsQc, ji. 其中，SOC表示电池的荷电状态，T表示当前温度，asw，T为交流阻抗的实部，bsw，Ti为交 流阻抗的虚部，i为虚数单位。
8. 根据权利要求7所述的电池的单电极电位的检测系统，其特征在于，根据所述等效 阻抗得到等效电阻为：
9. 根据权利要求8所述的电池的单电极电位的检测系统，其特征在于，所述单电极充 电时的电压通过下式计算：
其中，Uwvj为当前S0C下的开路电压，I。为充电电流，n表示电池的负极，P表示电池的 正极。
10. 根据权利要求9所述的电池的单电极电位的检测系统，其特征在于，所述单电极放 电时的电压通过下式计算：
其中，Idch表示放电电流。
【文档编号】G01R19/00GK104391159SQ201410584884
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月27日 优先权日:2014年10月27日
【发明者】欧阳明高, 褚政宇, 刘光明, 卢兰光, 李建秋 申请人:清华大学