基于动态阻抗的锂离子电池实时过充和热失控预测方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池安全领域，具体涉及基于动态阻抗的锂离子电池实时过充和热失控预测方法。

背景技术

随着风能和太阳能等可再生资源的迅速发展，世界各地对电网储能规模的需求继续增加。电网规模的储能有助于促进可再生能源的发展，并为电网提供辅助服务。在众多的储能技术中，锂离子电池凭借其高比能量、低自放电率、无记忆效应和长周期寿命，已成为最受欢迎和最主要的储能介质。然而，受化学特性和目前架构水平的限制，锂离子电池单体的容量有限。为了获得更高的容量，每个电池模组中密集地连接数十个电池单体，每个储能舱中集成数十个模组，这样才能形成兆瓦级电池储能系统。由于生产、运输和储存条件不同，每个单体电池的初始容量略有不同，单体的一致性差。高堆积密度严重影响散热，导致温度分布不均匀，进一步恶化电池的一致性，从而引起锂离子电池的安全事故。此类安全事故也被称为电池热失控。因此，有必要开发一种简单可靠的方法来尽早进行锂离子电池早期安全预警，防止火灾或爆炸等安全事故的发生，以保护人员安全和设备的正常运行。

在热失控初始阶段切断充电对抑制热失控十分有效。在发生安全问题之前，电池的测量电压不会发生剧烈的变化，若以电压作为热失控预警的信号会存在严重的时间滞后。因此，需要一种快速、无损的早期安全预警方法。除了电压外，许多研究人员使用气体检测来进行锂离子电池安全预警，对于气体检测，一氧化碳和碳氢化合物已被视为热滥用或过充的有效信号。然而，上述气体在电池内部温度较低(<50℃)且尚未发生热失控的锂枝晶生长期间作为预警指标效果不佳。因此，有必要开发一种简单可靠的方法来尽早进行锂离子电池早期安全预警，及时地感知安全问题，并以此作为预警信息，可以留出足够的时间进行处理，防止火灾或爆炸等安全事故的发生，以保护人员安全和设备的正常运行。

发明内容

本发明的目的在于提供基于动态阻抗的锂离子电池实时过充和热失控预测方法，以解决锂离子电池现有的安全预警方法的不足。

本发明采用的技术方案如下：

基于动态阻抗的锂离子电池实时过充和热失控预测方法，包括以下步骤，

S1：通过动态阻抗设备中的电流源向充电状态中的锂离子电池注入N频率的激励电流，N的范围是50-100HZ；

S2：实时测量所述锂离子电池在N频率下的响应电压；

S3：将S2中得到的响应电压与S1中的激励电流的相量相除得到所述N频率下锂离子电池的实时动态阻抗；

S4：根据S3中所述锂离子电池的实时动态阻抗得到锂离子的动态阻抗随充电时间变化的斜率K，通过斜率K来判断电池的状态；

当斜率K越过下限阈值M时，判定电池即将过充,当斜率K大于0并且持续保持正值时，判定电池处于过充状态；

S5：当在S4中判定电池即将过充或电池处于过充状态时切断充电，避免锂离子电池出现热失控。

进一步的，S1中所述激励电流为正弦激励电流。

进一步的，当锂离子电池为多个时，可通过多路信号选择器切换被测电池。

进一步的，S2中，用仪表放大器采集锂离子电池的电压,再用可编程增益放大器对采集到的电压去直流、滤波和放大交流分量，再用模数转换器对处理后的电压进行数字量转换，最后通过数字信号处理器对经数字量转换后的电压进行傅里叶变换计算得出锂离子电池在N频率下的电压分量，进而计算得到动态阻抗值。

进一步的，仪表放大器的型号为AD620。

进一步的，可编程增益放大器的型号为PGA202。

进一步的，模数转换器的型号为AD7606。

进一步的，数字信号处理器的型号为TMS320F28335。

进一步的，S3中锂离子电池的动态阻抗是锂离子电池的欧姆阻抗、固体电解液阻抗、电极极化阻抗和浓度极化阻抗四部分阻抗之和。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过锂离子电池的动态阻抗随时间变化的斜率K判断电池的状态，锂离子电池在正常充电状态下，斜率K会在设定区间内波动，当斜率K越过设定下限阈值M时，判断电池即将过充，即锂离子电池内部即将发生电解液分解并排放气体，此时电池外部未发生鼓包；当斜率K大于0并且持续保持正值时，判断电池处于过充状态，即锂离子电池内部电解液分解并排放气体，外部发生鼓包，持续充电会发生热失控，因此，基于动态阻抗的斜率K进行锂离子电池的早期安全预警的方法，能够尽早发现电池内部存在的热失控危机，通过采取手段可以将热失控扼杀在萌芽阶段，避免由于锂离子电池热失控导致的起火爆炸等事故造成人身伤害以及锂离子电池设备的毁坏。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于动态阻抗的锂离子电池早期安全预警方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的锂离子电池在不同频率的电流激励下的正常充电和过充时动态阻抗变化图。

图3是本发明实施例提供的在70Hz的激励电流下的锂离子电池的动态阻抗斜率K持续为正值时切断充电，动态阻抗及斜率K的变化图。

图4是本发明实施例提供的在70Hz的激励电流下的锂离子电池的动态阻抗斜率K超过设定下限阈值M时切断充电，动态阻抗及斜率K的变化图。

图5是本发明实施例提供的一种电流激励型EIS测量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，基于动态阻抗的锂离子电池实时过充和热失控预测方法，包括以下步骤，

S1：通过动态阻抗设备中的电流源向充电状态中的锂离子电池注入N频率的激励电流，N的范围是50-100；

S2：实时测量所述锂离子电池在N频率下的响应电压；

S3：将S2中得到的响应电压与S1中的激励电流的相量相除得到所述N频率下锂离子电池的实时动态阻抗；

S4：根据S3中所述锂离子电池的实时动态阻抗得到锂离子的动态阻抗随充电时间变化的斜率K，通过斜率K来判断电池的状态；

当斜率K越过下限阈值M时，判定电池即将过充,当斜率K大于0并且持续保持正值时，判定电池处于过充状态；

S5：当在S4判定电池即将过充或电池处于过充状态时中切断充电，避免锂离子电池出现热失控。

下限阈值M会随着锂离子电池容量的改变而改变，容量越大的锂离子电池，下限阈值M越小。

如图3和图4所示，锂离子电池在70HZ的电流激励下的正常充电状态时的斜率K会在-0.4μΩ/s到0.4μΩ/s波动，当斜率K下降到-0.7μΩ/s时，即斜率K越过下限阈值M，可判断电池即将过充，当斜率K大于0并且保持正值时，可判断电池处于过充状态，因此，运用该方法能够尽早发现电池内部存在的危机，避免由于锂离子电池热失控导致的起火爆炸等事故造成人身伤害以及锂离子电池设备的毁坏。

实施例2

在实施例一的基础上，如图5所示，S1中所述激励电流为正弦激励电流，当锂离子电池为多个时，可通过多路信号选择器切换被测电池，S2中，用仪表放大器采集被测电池的电压,再用可编程增益放大器对采集到的电压去直流、滤波和放大交流分量，再用模数转换器对处理后的电压进行数字量转换，最后通过数字信号处理器对经数字量转换后的电压进行傅里叶变换计算得出锂离子电池在N频率下的电压分量，进而计算得到动态阻抗值，所述仪表放大器的型号为AD620，所述可编程增益放大器的型号为PGA202，所述模数转换器的型号为AD7606，所述数字信号处理器的型号为TMS320F28335，第三步中锂离子电池的动态阻抗是锂离子电池的欧姆阻抗、固体电解液阻抗、电极极化阻抗和浓度极化阻抗四部分阻抗之和。

图2是对充电中的锂离子电池注入不同频率的激励电流所得到的动态阻抗值随时间变化的曲线，充电过程从0s开始，过充电从3600s开始，在正常充电过程中，在70Hz激励电流下的锂离子电池的动态阻抗值在小范围内下降，在电池完全充电之前的200s内，阻抗比之前下降更快，自3600s开始缓慢增加，两分钟后阻抗迅速增加。

即锂离子电池在N频率的激励电流下的动态阻抗值会随着锂离子的充电状态变化，并且锂离子的实时动态阻抗值会在锂离子电池即将过充时发生突变，因此可以通过斜率K判定锂离子的充电状态。

如图3所示，锂离子电池在70Hz的激励电流下的动态阻抗增大实验，当斜率K持续为正值时切断充电，动态阻抗及斜率K的变化图，充电过程从0秒开始，在充电的3596s时斜率K持续了5秒的正值，手动关闭后，经过安时积分测试结果表明电池单体结构尚未被破坏，其容量保持在82.04％，实验证明，通过识别动态阻抗的斜率K来实现早期安全预警是可行的。

如图4所示，在正常的充电条件下，锂离子电池在70Hz的激励电流下的斜率K保持在-0.4μΩ/s到0.4μΩ/s(此处的0.4μΩ/s为测量抖动，并非前面所述持续为正值)。在过充时，斜率K下降到-0.7μΩ/s，即斜率K到达下限阈值M,验证实验中，当斜率K小于-0.6μΩ/s时充电被切断。此后经过30次充放电循环，电池容量为100％，本实验证明，只要锂离子电池的斜率K到达下限阈值M时，表明锂离子电池的安全状况即将发生异常，因此在锂离子电池的斜率K越过下限阈值M前切断充电，就能够避免电池出现热失控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。