本發(fā)明屬于電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鋰離子動力電池內(nèi)短路程度的定量估算方法。

背景技術(shù)：

在能源緊缺與環(huán)境污染的雙重壓力下，新能源的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為不可逆的科技發(fā)展趨勢。汽車動力系統(tǒng)電動化已逐漸成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。汽車動力系統(tǒng)電動化的主要特征之一是使用電能代替化學能作為車輛主要的驅(qū)動能量來源。電能的儲存需要一定的載體，即電化學儲能系統(tǒng)。鋰離子動力電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，已經(jīng)成為電動汽車動力來源的主要選擇之一。

隨著電動汽車的廣泛推廣使用，鋰離子動力電池的安全性事故時有發(fā)生。鋰離子動力電池事故通常表現(xiàn)為以熱失控為核心的溫度驟升、冒煙、起火甚至爆炸等現(xiàn)象。電動汽車上的鋰離子動力電池事故威脅著人民群眾的生命財產(chǎn)安全，嚴重阻礙了電動汽車的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

鋰離子動力電池熱失控事故可能由多種誘因引發(fā)。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋰離子動力電池熱失控事故中，由電池內(nèi)短路造成的熱失控事故不在少數(shù)。其原因在于，在鋰離子動力電池制造過程中，其內(nèi)部可能混入雜質(zhì)，也可能存在結(jié)構(gòu)缺陷(如應(yīng)力集中造成的開裂，或者預(yù)應(yīng)力造成的褶皺等)。在鋰離子動力電池使用過程中，電池內(nèi)部的電化學電位受到其內(nèi)部雜質(zhì)以及結(jié)構(gòu)缺陷的影響，導(dǎo)致這些有結(jié)構(gòu)缺陷的部位電化學電位分布異常。異常的電位分布會誘導(dǎo)金屬枝晶(如鋰枝晶、鐵枝晶、銅枝晶等)在異常部位生長。枝晶的生長會最終刺破隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)短路的發(fā)生。

在鋰離子動力電池使用過程中，從產(chǎn)生內(nèi)短路到最終造成動力電池熱失控需要經(jīng)歷數(shù)小時的時間。在這內(nèi)短路發(fā)生與發(fā)展的數(shù)小時期間內(nèi)，必須及時檢測到內(nèi)短路的發(fā)生并判斷內(nèi)短路的程度，提早進行預(yù)警，才能保障車內(nèi)乘員的生命財產(chǎn)安全。因此，實際應(yīng)用中就需要可靠有效的內(nèi)短路早期檢測算法，以對于內(nèi)短路的發(fā)生進行早期預(yù)警。

內(nèi)短路早期檢測算法的實際效果和可靠性需要進行檢驗。在檢驗過程中，需要在電池組內(nèi)設(shè)置一個具有內(nèi)短路的鋰離子動力電池，才能有效地測試內(nèi)短路檢測算法的實際效果和可靠性。

為了利用所獲得的內(nèi)短路電池進行內(nèi)短路檢測研究，必須要能夠定量評估其內(nèi)短路的程度，即測定電池的內(nèi)短路電阻的大小。而目前還沒有技術(shù)方案能直接測量并估算出電池內(nèi)短路電阻的大小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提出一種鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的定量估算方法，該方法通過對內(nèi)短路電池進行充放電實驗，以及對內(nèi)短路模型參數(shù)進行優(yōu)化辨識，從而實現(xiàn)鋰離子動力電池內(nèi)短路電阻的定量估算。

本發(fā)明提出的一種鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的定量估算方法，包括以下步驟：

S1：選定一款鋰離子動力電池；

S2：對所述鋰離子動力電池進行性能測試，從而獲得該鋰離子動力電池的半電池電化學特性，即正極材料電勢V_p(y)和負極材料電勢V_n(x)，其中y和x分別為正、負極材料中Li的化學計量數(shù)；

S3：在不改變所述鋰離子動力電池的電池正負極電化學特性的條件下，對所述鋰離子動力電池內(nèi)部誘發(fā)內(nèi)短路從而獲得一內(nèi)短路鋰離子動力電池；

S4：對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行充放電實驗，監(jiān)測并記錄該內(nèi)短路鋰離子動力電池電壓的變化情況，從而獲得該內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池實驗電壓曲線V(t_i)；

S5：根據(jù)正極容量(C_p)、負極容量(C_n)、正極初始SOC(x₀)、負極初始SOC(y₀)、電池內(nèi)阻(R)和內(nèi)短路電阻(R_ISCr)、以及Rint內(nèi)短路等效電路模型，建立內(nèi)短路電池充放電模型從而獲得該內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，其中V_sim(t)為擬合電壓，R為電池內(nèi)阻，R_ISCr為內(nèi)短路電阻，I(t)為給定放電電流；

S6：根據(jù)誤差公式通過優(yōu)化算法擬合挑選最小誤差對應(yīng)的所述內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，從而獲得所述內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電阻。

在步驟S1中，所選定的鋰離子動力電池，即需要進行內(nèi)短路早期檢測開發(fā)的一款鋰離子動力電池。該鋰離子動力電池不限，可以根據(jù)實際需要選定。

在步驟S2中，對于選定的鋰離子動力電池進行性能測試，其包括給定電流條件下的容量測試，給定電流條件下的電池開路電壓測試，以及電池正負極材料的電化學特性測試。

在步驟S3中，可以選擇機械擠壓、穿刺以及過放電等多種方法來誘導(dǎo)所述鋰離子動力電池產(chǎn)生內(nèi)短路。上述方法不應(yīng)改變所述鋰離子動力電池的電池正負極的電化學特性，以保證步驟S5中建立的內(nèi)短路電池充放電模型的準確性。

在步驟S4中，包括對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行內(nèi)短路電阻的初步估計，并選擇充放電電流，對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行充放電測試。所述充放電實驗可以采用恒定的電流進行充放電循環(huán)，也可以是將內(nèi)短路電池充電后靜置使其自放電。

在步驟S5中，所述Rint內(nèi)短路等效電路模型是在電池Rint模型的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個內(nèi)短路電阻得到。

步驟S6中，所述優(yōu)化算法包括遺傳算法、蟻群算法、模擬退火、禁忌搜索、以及粒子群算法。優(yōu)選地，本發(fā)明中使用的優(yōu)化算法是遺傳算法，并且在MATLAB軟件中可以直接調(diào)用相關(guān)工具進行參數(shù)優(yōu)化。

可以理解，上述方法還可以進一步包括步驟S7，通過比較上述最小誤差對應(yīng)的所述內(nèi)短路電池擬合電壓曲線與所述內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池實驗電壓曲線，來判斷步驟S6中的結(jié)果是否正確。

步驟S7中，可以做出內(nèi)短路電池實際電壓曲線和最優(yōu)參數(shù)所對應(yīng)的內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，如果二者相一致則說明擬合程度好，即說明最優(yōu)參數(shù)可信。

本發(fā)明提出的一種鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的定量估算方法不會損壞電池結(jié)構(gòu)，測量過的內(nèi)短路鋰離子動力電池可以直接用于內(nèi)短路早期檢測算法開發(fā)等研究工作，并且該估算方法可重復(fù)性好，能夠提供準確有效的內(nèi)短路電阻值。因此，該方案對評估電池內(nèi)短路程度，開發(fā)內(nèi)短路早期檢測算法具有重要意義，將有助于提高鋰離子動力電池安全管理的可靠性，減少鋰離子動力電池安全性事故的發(fā)生。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發(fā)明提供的一種鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的定量估算方法的實施流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中，使用的Rint內(nèi)短路等效電路模型；

圖3為本發(fā)明實施例中，利用所選的鋰離子動力電池正負極材料制作的半電池的準靜態(tài)電壓-SOC曲線(即正負極材料電化學特性)；

圖4為本發(fā)明實施例中，1號內(nèi)短路鋰離子動力電池充滿電后靜置過程的開路電壓，以及通過電池電化學模型擬合所得的開路電壓與內(nèi)短路電阻估計值；

圖5為本發(fā)明實施例中，2號內(nèi)短路鋰離子動力電池充滿電后以8.33A電流恒流放電過程的電壓，以及通過電池電化學模型擬合所得的電壓與內(nèi)短路電阻估計值。

如下具體實施方式將結(jié)合上述附圖進一步說明本發(fā)明。

主要元件符號說明

無

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

請參見圖1，本發(fā)明提供一種鋰離子動力電池內(nèi)短路程度的定量估算方法，具體包括以下步驟：

S1：選定一款鋰離子動力電池；

S2：對所述鋰離子動力電池進行性能測試，從而獲得該鋰離子動力電池的半電池電化學特性，即正極材料電勢V_p(y)和負極材料電勢V_n(x)，其中y和x分別為正、負極材料中Li的化學計量數(shù)；

S3：在不改變所述鋰離子動力電池的電池正負極電化學特性的條件下，對所述鋰離子動力電池內(nèi)部誘發(fā)內(nèi)短路從而獲得一內(nèi)短路鋰離子動力電池；

S4：對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行充放電實驗，監(jiān)測并記錄該內(nèi)短路鋰離子動力電池電壓的變化情況，從而獲得該內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池實驗電壓曲線V(t_i)；

S5：根據(jù)正極容量C_p、負極容量C_n、正極初始SOC(x₀)、負極初始SOC(y₀)、電池內(nèi)阻R和內(nèi)短路電阻R_ISCr、以及Rint內(nèi)短路等效電路模型，建立內(nèi)短路電池充放電模型從而獲得該內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，其中V_sim(t)為擬合電壓，R為電池內(nèi)阻，R_ISCr為內(nèi)短路電阻，I(t)為給定放電電流；

S6：根據(jù)誤差公式通過優(yōu)化算法擬合挑選最小誤差對應(yīng)的內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，從而獲得所述內(nèi)短路鋰離子動力電池內(nèi)短路電阻。

在步驟S1中，所選定的一款鋰離子動力電池為需要進行內(nèi)短路早期檢測開發(fā)的一款鋰離子動力電池。該鋰離子動力電池不限，可以根據(jù)實際需要選定。

在步驟S2中，對于選定的鋰離子動力電池進行性能測試，包括給定電流條件下的容量測試，給定電流條件下的電池開路電壓測試，以及電池正負極材料的電化學特性測試。

步驟S2中，鋰離子動力電池性能測試方法是指：根據(jù)廠家給定的鋰離子動力電池參數(shù)，例如工作電壓、電池容量等，選擇1/3C倍率進行容量測試。半電池的電化學特性的測試是指：對半電池進行1/20C倍率充放電測得半電池開路電壓。

在步驟S3中，誘導(dǎo)所述鋰離子動力電池產(chǎn)生內(nèi)短路的方法可以有多種，只要該方法不改變所述鋰離子動力電池的電池正負極的電化學特性即可。具體地，可以通過機械擠壓、穿刺或激光匯聚導(dǎo)致電池隔膜破裂引發(fā)內(nèi)短路。還可以在電池正負極之間引入雜質(zhì)顆粒，并在對應(yīng)位置進行擠壓從而引發(fā)內(nèi)短路。還可以在所述鋰離子動力電池內(nèi)部設(shè)置可控材料(如石蠟、記憶合金等)，并使用特定觸發(fā)條件(如升溫等)激活可控材料引起材料屬性變化(如石蠟融化、記憶合金變形等)，從而導(dǎo)致電池正負極短接造成內(nèi)短路。另外，還可以通過過放電誘導(dǎo)電池負極銅箔析出銅離子并在內(nèi)部發(fā)生枝晶生長，刺穿隔膜引起內(nèi)短路。

在步驟S4中，包括對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行內(nèi)短路電阻的初步估計，并選擇合適的充放電電流，對所述內(nèi)短路鋰離子動力電池進行充放電測試。所述充放電實驗可以采用恒定的電流進行充放電循環(huán)，也可以是將內(nèi)短路電池充電后靜置使其自放電。所述初步估計的方法可以是：用萬用電表的電壓檔和電阻檔分別對電池進行測量，利用萬用電表參數(shù)及簡單的電路知識即可大致估算出短路電阻的大小。選擇合適的充放電電流是指：在前面初步估算得到的短路電阻基礎(chǔ)上，選擇能將電池充滿電的電流即可，具體地這一電流應(yīng)當大于電池滿電開路電壓除以初步估算的短路電阻。

請參見圖2，在步驟S5中，所述Rint內(nèi)短路等效電路模型是在電池Rint模型的基礎(chǔ)上并聯(lián)一個內(nèi)短路電阻得到的。該Rint內(nèi)短路等效電路模型中需要擬合的參數(shù)一共有6個：正極容量C_p、負極容量C_n、正極初始SOC(x₀)、負極初始SOC(y₀)、電池內(nèi)阻R和內(nèi)短路電阻R_ISCr。這六個參數(shù)一旦確定，就可以根據(jù)Rint內(nèi)短路等效電路模型擬合出所述內(nèi)短路鋰離子動力電池放電過程的電壓曲線，具體確定方法如下：

根據(jù)所述Rint內(nèi)短路等效電路模型，擬合的電池電壓V_sim(t)即為內(nèi)短路電阻R_ISCr兩端電壓，如式(1)所示。

V_sim(t)＝I_ISCr(t)×R_ISCr (1)

根據(jù)基爾霍夫電流定律，有式(2)。

I_R(t)＝I_ISCr(t)+I(t) (2)

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，有式(3)。

E(t)＝I_R(t)×R+I_ISCr(t)×R_ISCr (3)

根據(jù)電池電化學模型，電池電動勢E(t)為正極電勢V_p(y(t))與負極電勢V_n(x(t))之差，如式(4)所示。其中正、負極電勢V_p(y(t))，V_n(x(t))分別是正、負極材料中Li的化學計量數(shù)y(t)、x(t)的函數(shù)，該函數(shù)由步驟S2中的半電池電化學特性測試確定。

E(t)＝V_p(y(t))-V_n(x(t)) (4)

由式(2)、(3)和(4)整理可得式(5)。

$I_R\left(t\right)=\frac{V_p\left(y\right(t\left)\right)-V_n\left(x\right(t\left)\right)}{R+R_{ISCr}}+\frac{R_{ISCr}}{R+R_{ISCr}}I\left(t\right)---\left(5\right)$

而所述化學計量數(shù)y(t)和x(t)會隨著電池放電電流的積分而變化，如式(6)和式(7)所示。

$y\left(t\right)=y_0+\frac{{\∫}_0^t{I}_R\left(t\right)dt}{C_p}---\left(6\right)$

$x\left(t\right)=x_0-\frac{{\∫}_0^t{I}_R\left(t\right)dt}{C_n}---\left(7\right)$

綜合式(1)、(2)和(5)，可以導(dǎo)出所述內(nèi)短路鋰離子動力電池放電過程的擬合電壓計算公式，如式(8)所示。

$V_{\mathrm{si}m}\left(t\right)=(\frac{V_p\left(y\right(t\left)\right)-V_n\left(x\right(t\left)\right)}{R+R_{ISCr}}-\frac{R}{R+R_{ISCr}}I(t\left)\right)\×R_{ISCr}---\left(8\right)$

因此只要確定了需要擬合的6個參數(shù)，即：正極容量C_p、負極容量C_n、正極初始SOC(x₀)、負極初始SOC(y₀)、電池內(nèi)阻R和內(nèi)短路電阻R_ISCr，并在給定的放電電流I(t)情況下，就可以計算出所述內(nèi)短路鋰離子動力電池放電過程的擬合電壓V_sim(t)。

步驟S6中，可以將步驟S5中所述內(nèi)短路電池擬合電壓曲線V_sim(t)與所述內(nèi)短路電池實際電壓曲線V(t_i)相比較，從而得到擬合的誤差RMSE。如式(9)所示，其中誤差RMSE越小說明擬合得越好。

$RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}{\Σ}_{i=1}^n{\left(V_{sim}\right(t_i)-V(t_i\left)\right)}^2}---\left(9\right)$

步驟S6中，通過優(yōu)化算法不斷地挑選參數(shù)，最終可以找到所述內(nèi)短路鋰離子動力電池充放電模型參數(shù)的最優(yōu)解。優(yōu)化算法有許多，可以根據(jù)實際需要選擇。所述優(yōu)化算法包括遺傳算法、蟻群算法、模擬退火、禁忌搜索、以及粒子群算法。優(yōu)選地，本發(fā)明中使用的優(yōu)化算法是遺傳算法，并且在MATLAB軟件中可以直接調(diào)用相關(guān)工具進行參數(shù)優(yōu)化。

可以理解，上述方法還可以進一步包括一步驟S7，通過比較上述最小誤差對應(yīng)的所述內(nèi)短路電池擬合電壓曲線與所述內(nèi)短路鋰離子動力電池的內(nèi)短路電池實驗電壓曲線，來判斷步驟S6中的結(jié)果是否正確。步驟S7中，可以做出內(nèi)短路電池實際電壓曲線和最優(yōu)參數(shù)所對應(yīng)的內(nèi)短路電池擬合電壓曲線，如果二者相一致則說明擬合程度好，即說明最優(yōu)參數(shù)可信。

具體實施例:

在本實施例的步驟S1中，選取了一款鋰離子動力電池，其正極活性材料為鎳鈷錳三元材料，負極活性材料為石墨，隔膜具有PE基質(zhì)并進行了單面陶瓷涂布。本實施例中用到的該款鋰離子動力電池編號為1號電池和2號電池。

在本實施例的步驟S2中，通過鋰離子動力電池性能測試，可以得到，使用8.33A(1/3C倍率)充放電條件下，上述鋰離子動力電池正常電池的容量約為Q＝26.5Ah。

在本實施例的步驟S2中，通過電池正負極材料的電化學特性測試，還可以得到，在準靜態(tài)充放電條件下，測得該鋰離子動力電池的正負極材料的電化學特性如附圖3所示。從圖3可以看出，隨著電池電極材料荷電狀態(tài)(SOC)的增加：正極材料鋰離子脫嵌，電勢逐漸升高；負極材料鋰離子嵌入，電勢逐漸降低。

在本實施例的步驟S3中，對1號電池過放電至SOC＝-13％，通過在電池內(nèi)部誘發(fā)銅枝晶生長引起內(nèi)短路；對2號電池采用外接短路電阻的方式模擬內(nèi)短路。需要指出的是，其他內(nèi)短路方式也是可行的，本實施例中所列舉的內(nèi)短路方法只是為了說明利用該電化學模型估算內(nèi)短路的方法是普遍適用的。

在本實施例的步驟S4中，將1號內(nèi)短路電池以8.33A恒流充滿電至4.2V，然后靜置使電池發(fā)生自放電，監(jiān)測并記錄自放電過程中電池開路電壓。將2號內(nèi)短路電池以8.33A恒流充滿電至4.2V，然后再以8.33A恒流放電，監(jiān)測并記錄放電過程中電池電壓。1號電池和2號電池的放電過程電壓分別見附圖4和附圖5。

在本實施例的步驟S5和步驟S6中，針對前述電化學模型中的6個參數(shù)，即：正極容量C_p、負極容量C_n、正極初始SOC(x₀)、負極初始SOC(y₀)、電池內(nèi)阻R和內(nèi)短路電阻R_ISCr，利用MATLAB軟件中的遺傳算法進行優(yōu)化。其中1號電池靜置過程中的放電電流I(t)≡0，而2號電池放電過程中的放電電流I(t)≡8.33A。

在本實施例的步驟S7中，通過前一步的參數(shù)優(yōu)化，解得1、2號兩個電池內(nèi)短路后的模型最優(yōu)參數(shù)。作出由最優(yōu)參數(shù)確定的擬合電壓曲線，可以發(fā)現(xiàn)擬合曲線與實際電壓曲線相吻合(分別見附圖4、5)。因此，本實施例中1、2號兩個電池的內(nèi)短路電阻的估算值即為最優(yōu)參數(shù)中的內(nèi)短路電阻R_ISCr，其中1號電池內(nèi)短路電阻R_ISCr＝3.98Ω，2號電池內(nèi)短路電阻R_ISCr＝0.93Ω。

本發(fā)明提出了鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的定量估算方法。該方法通過建立內(nèi)短路等效電路模型，利用半電池電壓隨荷電狀態(tài)(SOC)的變化以及內(nèi)短路電池的放電電壓曲線，使用遺傳算法等優(yōu)化方法對模型參數(shù)進行辨識，從而定量獲得內(nèi)短路電阻的估計值。本發(fā)明提出的鋰離子動力電池的內(nèi)短路程度的估算方法不會損壞電池結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測量后的內(nèi)短路電池可以直接用于內(nèi)短路早期檢測算法開發(fā)等研究工作，并且該估算方法可重復(fù)性好，能夠提供準確有效的內(nèi)短路電阻估算值。因此，該方案對評估電池內(nèi)短路程度，以及開發(fā)內(nèi)短路早期檢測算法具有重要意義，將有助于提高鋰離子動力電池安全管理的可靠性，減少鋰離子動力電池安全性事故的發(fā)生。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內(nèi)。