一种单体锂离子电池内短路的检测方法与流程

1.本发明涉及锂电池检测领域，特别涉及一种单体锂离子电池内短路的检测方法。


背景技术：

2.随着3c类便携式电子类消费产品、动力汽车以及终端储能设备的飞速发展，对锂离子电池的需求愈来愈烈。锂离子电池具有能量高、寿命长、可回收等优点，但是不可忽视的是在锂离子电池的使用过程中也存在一定的安全隐患，例如电池内短路造成的热失效、电池胀气产生的危害性气体以及电池的析理风险等。对这些电池的安全性能或失效指标实现监控是实现锂离子电池安全工作的重要保障。
3.其中电池的内短路一直是锂电池安全问题中关注的重点，电池一旦发生内短路，会在短路点形成回路电流，并伴随着大量的热产生，严重时散热不及时就会形成热失控，造成安全事故。然而电池在正常循环过程中产生内短路是一个从无到有，循循渐进，逐渐变严重的过程，因此在内短路发生的初期就对内短路进行识别是一种有效避免电池安全事故的方法。
4.现有的对单体锂离子电池内短路检测方法主要有：1、通过电池静息搁置前后电压的差值与阈值进行对比，诊断电芯的内短路，但是此方法一般需要将电池搁置24h以上，且阈值确定不统一；2、电池在发生内短路时，因为会产生自放电，因此在实际充电过程中，电池的实际soc和充电容量都偏低，可以计算等效ocv，通过ocv-soc之间的关系确定当前电池的实际soc，以此来诊断电池是否发生内短路，但是此方法需要的模型的精度要求较高，且鲁棒性较低；3、电池在发生内短路时，可能会出现熔断现象，这时会出现电压急剧下降然后又回弹的趋势，这种情况发生的较少，不具有常规参考性；4、通过在电池外部负载，辨识电池参数的变化以此来诊断电池的内短路，比如并联一个恒压源观察电流的变化，或者外接一个电阻，观察电池欧姆电阻的变化情况，此种情况对于对外接负载的一起精密度要求较高，不符合实际应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种单体锂离子电池内短路的检测方法，实现对锂电池内部短路的准确检测。
6.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种单体锂离子电池内短路的检测方法，包括以下步骤：s1：获取锂离子电池的标定电压降k0，确认所述锂离子电池当前的电池的电压降k1；s2：当k1《k0时，将所述锂离子电池、开关和光敏电阻串联连接；s3：断开所述开关并对所述锂离子电池进行n0次充电和放电循环后，测得所述锂离子电池的当前的电压降k2，并以频率f1记录所述锂离子电池在n0次充电和放电循环过程中所述锂离子电池的电压、电流和容量；s4：闭合所述开关并对所述锂离子电池进行n1次充电和放电循环，同时改变照射所述光敏电阻的光源强度从而改变所述光敏电阻的阻值，使所述光敏电阻的阻值随所述锂离子电池的充电和放电循环次数以负指数衰减，并以频率f1记录所述锂离子电池
在n1次充电和放电循环过程中所述锂离子电池的电压、电流和容量；s5：在所述锂离子电池进行n1次充电和放电循环后再次测得所述锂离子电池的当前的电压降k3；s6：当max(k1，k2)《k0《k3时，确认在所述锂离子电池的每次充电过程中所述锂离子电池的电流与时间的关系；s7：将所述锂离子电池的n0次充电和放电循环中的第一次充电过程的所述锂离子电池的电流与时间的关系作为标准向量，将其余的每次充电和放电循环中的充电过程的所述锂离子电池的电流与时间的关系作为对比向量，其中，电流的大小作为所述标准向量和所述对比向量的y轴，时间作为所述标准向量和所述对比向量的x轴；s8：对每个所述对比向量的x轴进行缩放，使所述对比向量在x轴上与所述标准向量相对齐；s9：每个所述对比向量均在x轴方向上按照相同的间隔计算在y轴上与所述标准向量的差值，并将每个所述对比向量与所述标准向量的所有差值进行累加得到累计最小距离，通过分析所述累计最小距离随所述锂离子电池的充电和放电循环的次数的变化情况，判断所述锂离子电池是否发生内部短路；s10：当判断所述锂离子电池发生内部短路时，获取所述锂离子电池发生内部短路时的累计最小距离并将此时的累计最小距离作为阈值；s11：判断待检测的锂离子电池的累积最小距离是否超过阈值，当所述待检测的锂离子电池的累积最小距离超过所述阈值时判断所述待检测的锂离子电池发生内短路。
7.进一步地，所述频率f1为30ms/次。
8.进一步地，所述判断所述锂离子电池是否发生内部短路包括：设定预设变化值；判断每两个相邻的所述充电和放电循环的累计最小距离的差值是否大于预设变化值，当差值大于所述预设变化值，则判断所述锂离子电池发生内短路。
9.进一步地，步骤s3中，所述锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且所述锂离子电池的充电和放电循环数n0＝5；所述锂离子电池的充电截止电流为0.05c；在所述锂离子电池的充电和放电循环中，所述锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min。
10.进一步地，步骤s4中，所述锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且所述锂离子电池的充电和放电循环次数n1＝5；所述锂离子电池的充电截止电流为0.05c；在所述锂离子电池的充电和放电循环中，所述锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min。
11.进一步地，所述光敏电阻的阻值为10ω-2000ω。
12.进一步地，步骤s9中所述相同的间隔为30ms。
13.进一步地，所述光源为可变光强电源。
14.分析可知，本发明公开一种单体锂离子电池内短路的检测方法，本发明能够对单体电池的内短路进行诊断，不需要施加其余的负载电阻，能够准确的判断出电池内部是否存在短路，同时也避免了电池的差异性导致的误判。
附图说明
15.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
16.图1本发明一实施例的内短路电池等效电路图。
17.图2本发明的流程图。
具体实施方式
18.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
19.在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
20.所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”、“第三”以及“第四”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
21.如图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种单体锂离子电池内短路的检测方法，包括以下步骤：
22.s1：获取锂离子电池的标定电压降k0，确认锂离子电池当前的电池的电压降k1，本实施例采用lco/石墨体系电池，电压为3.0v-4.45v，首先对新鲜电池的k值进行测试(采用48h小时的测试方法，k＝(v1＝v2)/t)记为k1，如果k1《k0(k0为电池生产制造商标定)则认为电池无内短路发生，接着将电池、开光，光敏电阻(10-2000ω)等元件按照图1所示进行组装连接；
23.s2：当k1《k0时，将锂离子电池、开关和光敏电阻串联连接，光敏电阻和开关等效为外接电阻，电池在循环过程中，由于前期生产过程中已经对池内部时无内短路发生的。电池的内短路主要发生在电池循环的中后期，而造成内短路发生的主要原因有两点；1、电解液的分解造成的产气，使电池的结构产生了破坏，造成隔膜错位、极片移动等情况造成内短路；2、电芯在循环后期往往伴随着析锂，锂枝晶的产生具有刺穿隔膜的风险。但是在正常情况下内短路的产生是比较缓慢进行的，往往需要时间的沉积。同时，循环后期，由于极化作用的增大，容量的积累阶段发生在恒压充电阶段，在这个阶段，电流逐渐减少，在内短路随着时间的迁移应该是逐渐增大的，因此短路电流逐渐增大，此消彼长，内短路造成的电流下降就会变得明显。综上，本发明采用外接电阻的方法来模拟电池的内短路，与常规外接内短路的方法不同，本专利采用外接一个光敏性可变电阻，通过调节光强来改变外接电阻的阻值，以此来模拟电池在循环过程中电池内短路逐渐累积的变化情况，图1为连接开关和光敏电阻后的电池的等效电路图，其中：u
ocv
为开路电压，r0为欧姆电阻，rc和c分别为极化电阻和极化电容，u0为端电压，ldr为光敏电阻，led为可变光强电源。
24.s3：断开开关并对锂离子电池进行n0次充电和放电循环后，测得锂离子电池的当前的电压降k2，并以频率f1记录锂离子电池在n0次充电和放电循环过程中锂离子电池的电
压、电流和容量，不外接电阻的情况下采用1c的倍率恒流恒压进行充电，截至电流为0.05c，搁置5min，采用1c进行恒流放电，搁置5min，以此循环5周，按照步骤1中再次测试电池的k值记为k2，对比k2与k0、k1，确定电池在循环5周后与初始无明显差异。
25.s4：闭合开关并对锂离子电池进行n1次充电和放电循环，同时改变照射光敏电阻的光源强度从而改变光敏电阻的阻值，使光敏电阻的阻值随锂离子电池的充电和放电循环次数以负指数衰减，并以频率f1记录锂离子电池在n1次充电和放电循环过程中锂离子电池的电压、锂离子电池的电流和锂离子电池的容量，在打开开关后，在光源照射下使光敏电阻的阻值由大到小随循环次数呈现负指数衰减，按照前面的倍率继续循环5周，同时在循环5周后再次测试k值(此时测试k值应当将电池和外接电阻视为一个虚拟电池进行测试)，记为k3，对比k3与k0、k1和k2的大小，确定max(k1，k2)《k0《k3，并记录循环过程中的电压、电流、容量等数据，以作为数据源，采集频率为30ms/次；
26.s5：在锂离子电池进行n1次充电和放电循环后再次测得锂离子电池的当前的电压降k3；
27.s6：当max(k1，k2)《k0《k3时，确认在锂离子电池的每次充电过程中锂离子电池的电流与时间的关系；
28.s7：将锂离子电池的n0次充电和放电循环中的第一次充电过程的锂离子电池的电流与时间的关系作为标准向量，将其余的每次充电和放电循环中的充电过程的锂离子电池的电流与时间的关系作为对比向量，其中，电流的大小作为标准向量和对比向量的y轴，时间作为标准向量和对比向量的x轴；
29.s8：对每个对比向量的x轴进行缩放，使对比向量在x轴上与标准向量相对齐，在数据分析阶段主要时利用恒压阶段的i-t曲线(标准向量和对比向量在x轴和y轴坐标系内的曲线)，并对对比向量进行动态时间调整(dynamic time warping，dtw)与标准向量的时间序列进行匹配，使其与标准向量的时间序列保持一致性，并得出两者在同一时间处的电流差值；
30.s9：每个对比向量均在x轴方向上按照相同的间隔计算在y轴上与标准向量的差值，并将每个对比向量与标准向量的所有差值进行累加得到累计最小距离，循环结束后，导出数据，首先提取恒压充电过程中的电流、时间数据，采用粒子滤波对i-t曲线(标准向量和对比向量在x轴和y轴坐标系内的曲线)，进行降噪处理，接着以第一周的i-t数据作为标准向量，利用matlab将后面的循环数据通过动态时间调整向第一周标准向量对齐，并得出与标准向量的累计最小距离，通过分析累计最小距离随锂离子电池的充电和放电循环的次数的变化情况，判断锂离子电池是否发生内部短路，将电流差值的总和(累计最小距离)作为评判电池内短路判断标准的参数值，并以此来确定阀值，通过分析累计最小距离随循环次数的变化情况，确定内短路发生的阈值，以此来判断内短路是否发生；
31.s10：当判断锂离子电池发生内部短路时，获取锂离子电池发生内部短路时的累计最小距离并将此时的累计最小距离作为阈值；
32.s11：判断待检测的锂离子电池的累积最小距离是否超过阈值，当待检测的锂离子电池的累积最小距离超过阈值时判断待检测的锂离子电池发生内短路，在确定了锂离子电池的阈值后，既可以根据该阈值判断待测试的锂离子电池是否发生内短路。
33.优选地，频率f1为30ms/次，以30ms/次的频率能够取得足够多的数值，从而建立后
续的i-t曲线。
34.优选地，判断锂离子电池是否发生内部短路包括：设定预设变化值；判断每两个相邻的充电和放电循环的累计最小距离的差值是否大于预设变化值，当差值大于预设变化值，则判断所述锂离子电池发生内短路，通过观测累积最小距离的变化幅度，来判断锂离子电池是否发生内部短路，当变化幅度过大时，则证明电池内部存在短路情况。优选地，步骤s3中，锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且锂离子电池的充电和放电循环次数n0＝5；锂离子电池的充电截止电流为0.05c；锂离子电池的充电和放电循环中，锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min，以1c的倍率充放电能够在保证电池正常运行的情况下尽可能的提高充放电速度，充电和放电之间5min间隔，能够降低电池因充放电二造成的过热，通常情况下循环次数n0为5周即可以取得足够的数据样本。
35.优选地，步骤s4中，锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且锂离子电池的充电和放电循环次数n1＝5；
36.锂离子电池的充电截止电流为0.05c；
37.在锂离子电池的充电和放电循环中，锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min。
38.优选地，光敏电阻的阻值为10ω-2000ω，10ω-2000ω能够模仿绝大多数的负载，并光敏电阻的阻值调控简单，容易操作。
39.优选地，步骤s9中相同的间隔为30ms，s9中的间隔与频率f1相同，从而使标准向量能够根据其采集到的实际点值与缩放后的对比向量相比较。
40.优选地，光源为可变光强电源，通常选用可变光强的led发光设备。
41.与现有技术相比，本发明公开了一种单体锂离子电池内短路的检测方法，本发明能够对单体电池的内短路进行诊断，不需要施加其余的负载电阻，并且在循环过程中，电池的i-t时间曲线不断更新，其与标准时间序列的累计最小距离也在不断更新，当到达某一个值时，出现明显上升，此时即可认为电池内短路已发生，同时也避免了电池的差异性导致的误判，即每一个单体电池的阈值是依靠自身先前特性进行定义的。
42.以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：获取锂离子电池的标定电压降k0，确认所述锂离子电池当前的电池的电压降k1；s2：当k1<k0时，将所述锂离子电池、开关和光敏电阻串联连接；s3：断开所述开关并对所述锂离子电池进行n0次充电和放电循环后，测得所述锂离子电池的当前的电压降k2，并以频率f1记录所述锂离子电池在n0次充电和放电循环过程中所述锂离子电池的电压、电流和容量；s4：闭合所述开关并对所述锂离子电池进行n1次充电和放电循环，同时改变照射所述光敏电阻的光源强度从而改变所述光敏电阻的阻值，使所述光敏电阻的阻值随所述锂离子电池的充电和放电循环次数以负指数衰减，并以频率f1记录所述锂离子电池在n1次充电和放电循环过程中所述锂离子电池的电压、电流和容量；s5：在所述锂离子电池进行n1次充电和放电循环后再次测得所述锂离子电池的当前的电压降k3；s6：当max(k1，k2)<k0<k3时，确认在所述锂离子电池的每次充电过程中所述锂离子电池的电流与时间的关系；s7：将所述锂离子电池的n0次充电和放电循环中的第一次充电过程的所述锂离子电池的电流与时间的关系作为标准向量，将其余的每次充电和放电循环中的充电过程的所述锂离子电池的电流与时间的关系作为对比向量，其中，电流的大小作为所述标准向量和所述对比向量的y轴，时间作为所述标准向量和所述对比向量的x轴；s8：对每个所述对比向量的x轴进行缩放，使所述对比向量在x轴上与所述标准向量相对齐；s9：每个所述对比向量均在x轴方向上按照相同的间隔计算在y轴上与所述标准向量的差值，并将每个所述对比向量与所述标准向量的所有差值进行累加得到累计最小距离，通过分析所述累计最小距离随所述锂离子电池的充电和放电循环的次数的变化情况，判断所述锂离子电池是否发生内部短路；s10：当判断所述锂离子电池发生内部短路时，获取所述锂离子电池发生内部短路时的累计最小距离并将此时的累计最小距离作为阈值；s11：判断待检测的锂离子电池的累积最小距离是否超过阈值，当所述待检测的锂离子电池的累积最小距离超过所述阈值时判断所述待检测的锂离子电池发生内短路。2.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，所述频率f1为30ms/次。3.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，所述判断所述锂离子电池是否发生内部短路包括：设定预设变化值；判断每两个相邻的所述充电和放电循环的累计最小距离的差值是否大于预设变化值，当差值大于所述预设变化值，则判断所述锂离子电池发生内短路。4.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，步骤s3中，所述锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且所述锂离子电池的充电和放电循环数n0＝5；所述锂离子电池的充电截止电流为0.05c；
在所述锂离子电池的充电和放电循环中，所述锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min。5.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，步骤s4中，所述锂离子电池以1c的倍率进行恒流恒压的充电和放电，且所述锂离子电池的充电和放电循环次数n1＝5；所述锂离子电池的充电截止电流为0.05c；在所述锂离子电池的充电和放电循环中，所述锂离子电池的充电和放电之间的间隔为5min。6.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，所述光敏电阻的阻值为10ω-2000ω。7.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，其特征在于，步骤s9中所述相同的间隔为30ms。8.根据权利要求1所述的一种单体锂离子电池内短路的检测方法，所述光源为可变光强电源。

技术总结
本发明提供一种单体锂离子电池内短路的检测方法，涉及锂电池检测领域，将锂离子电池的n0次充电和放电循环中的第一次充电过程的锂离子电池的电流与时间的关系作为标准向量，将其余的每次充电和放电循环中的充电过程的锂离子电池的电流与时间的关系作为对比向量；并将每个对比向量与标准向量的所有差值进行累加得到累计最小距离，通过分析累计最小距离随锂离子电池的充电和放电循环的次数的变化情况，判断锂离子电池是否发生内部短路，本发明公开一种单体锂离子电池内短路的检测方法，本发明能够对单体电池的内短路进行诊断，不需要施加其余的负载电阻，能够准确的判断出电池内部是否存在短路，同时也避免了电池的差异性导致的误判。导致的误判。导致的误判。


技术研发人员：何孟军 王帅
受保护的技术使用者：楚能新能源股份有限公司
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/8/6