一种锂电池组原位析锂检测系统及方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种锂电池组原位析锂检测系统及方法。

背景技术

随着电动汽车的不断普及，市场对电动汽车的性能要求与日俱增；而电动汽车电池的性能直接与电动汽车的续航里程、使用寿命、安全性等关键指标直接相关，受到了车辆厂商的高度重视。电池管理系统(Battery Management System,BMS)是动力电池的重要部件，其一项主要功能是健康状态检测，即通过对电池组采样获得信息，对容量下降、内短路、析锂等各类故障状态进行检测和评估。其中，析锂检测是现代电池管理系统进行健康状态检测的一大重点难点。

锂电池在大倍率充电、低温充电工况下，容易引起电解液中的锂离子在电池负极表面析出，以金属形式覆盖在电极表面，该现象称为析锂现象。析锂可以造成电解液中活性物质大量消耗，大幅减少电池可用容量；极端情况下，析出的锂金属可能发展为锂枝晶，穿透隔膜，造成内短路甚至是热失控。因此，方便快速的析锂检测，对提高锂电池安全性和特殊工况适应性皆有重大意义。

目前实用的BMS主要基于电池循环参数数据，通过算法进行析锂状态的判断，但对电池内部变化的敏感性有限。电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)技术是一种经典电化学测量方法，测得的电池复阻抗可以灵敏地反映电池内部的变化，通过对测得阻抗谱曲线进行阻抗等效模型拟合或关键点提取，可以实现电池析锂状态的精确估计。

目前已有数个基于EIS的电池析锂检测方案出现。如中国公开专利CN114019385A，提出一种基于单频率阻抗测试的析锂检测方法，通过单频率阻抗的虚部数据，判断电池负极是否发生析锂；中国公开专利CN115267583A，通过分别测量待测电池和新电池的电阻抗相位角，并进行比对，以对待测电池析锂状况进行判断。

上述方案借助电化学阻抗实现了无损、快速的析锂检测，但是仍然难以在实际工作环境中应用。上述方法所进行的阻抗测量操作，皆需要利用电化学工作站或阻抗分析仪等专用实验设备进行，而目前该类设备往往体积质量庞大，难以集成到电池组所在工作环境，如电动汽车；此外，根据所采用阻抗频率点，采样系统也需要相应的高采样频率，而这是目前常用电池管理系统的信号采样频率所难以达到的，这进一步阻碍了上述技术方案的推广应用。

发明内容

本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种锂电池组原位析锂检测系统及方法，设置在电池组级别，可以检测电池组中各单体的电化学阻抗随单体析锂状况的变化，并对析锂程度进行量化分析。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：

一种锂电池组原位析锂检测系统，所述系统包括：电池组、电池扰动发生电路、电压采样电路和检测控制电路；所述电压采样电路信号连接所述检测控制电路，所述检测控制电路信号连接所述扰动发生电路，所述扰动发生电路电性连接所述电池组。

进一步，所述电池扰动产生电路包括：信号发生器和多组开关；每组开关将信号发生器与电池模组中选定的电池单体电连接；

在检测控制电路的控制下，可以闭合对应开关组，将电池单体与信号发生器相连；信号发生器和检测控制电路通过数据总线连接，根据检测控制电路的指令，产生特定频率和幅值的正弦扰动电流，同时将电流信号发回给检测控制电路。

进一步，所述电压采样电路，用于电池单体的电压采样；检测控制电路包括多个电压输入通道、控制端口和总线通信端口；每个电压输入通道对应一个电池单体，可以实时读取和记录单体电压，通过总线通信端口与检测控制电路进行通信；

其中，电压采样电路采用串联电池组管理芯片来进行电压采样；串联电池组管理芯片可进行多节电池的同时电压采样，且附带有均衡和温度采样功能。

一种锂电池组原位析锂检测方法，所述方法应用于上述中任一所述的一种锂电池组原位析锂检测系统，所述方法包括：

S1：检测控制电路在电池组充电过程中，将电池荷电状态调节到固定范围；

S2：检测控制电路控制扰动发生电路，向电池组中的各个电池单体依次输入具有特定扰动频率和特定幅值的正弦电流信号，同时记录电流数据，发送给检测控制电路，电压采样电路按特定采样频率记录单体电压，并发送给检测控制电路；

S3：检测控制电路根据记录的电流和电压信号，复原电压波形，计算各个电池单体在选定扰动频率的复阻抗；

S4：确定阻抗的欧姆内阻成分，并将其去除，确定电池的相对实部阻抗；根据阻抗的相对实部阻抗成分，判断电池单体的析锂程度。

进一步，所述步骤S1中，电池荷电状态调节范围为大于90％，且各单体荷电状态接近一致，以减少各单体阻抗测量结果受荷电状态的干扰。

进一步，所述步骤S2中的扰动频率由待测电池单体的阻抗随析锂变化关系以及所需总测量时间选择。

进一步，所述步骤S2中的扰动电流幅值由待测电池单体的容量与内阻确定。

进一步，所述步骤S2中的特定电压采样频率，由以下原理选择：

设信号频率为f

T

式中，T

可获得各个频率对对应的采样序列中各采样点在一个信号周期内的排列顺位n

进一步，所述步骤3中，选定扰动频率下的复阻抗由下式计算：

其中，R为复阻抗幅值，

进一步，所述步骤S4中根据阻抗的相对实部阻抗成分判断电池单体的析锂程度的方法，具体为：

在线下将固定频率特征频率点的相对实部阻抗，与电池单体的电极锂含量进行拟合，从而在线上对析锂状况进行量化测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明中提出的析锂原位检测系统，借助扰动发生电路和等效采样算法，可以以较低的硬件成本与现有电池组系统进行融合，有利于该发明的实际应用；本发明中提出的析锂原位检测方法，析锂检测速度快，计算量小，并且可以量化析锂的严重程度，对电池系统的健康监测与故障诊断具有很高应用价值。

附图说明

图1、锂电池组原位析锂检测系统的系统架构图；

图2、测量阻抗时的电流波形、电压波形和经过还原的电压波形图；

图3、4节单体的阻抗谱曲线对比以及特征频率点的选择图；

图4、特征频率点与实验测得锂含量关系拟合图。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1：

图1是所提出电池组原位析锂检测系统的硬件架构示意图，主要包括串联电池组，电池扰动发生电路，电压采样电路和检测控制电路；电池扰动发生电路采用双向DC/AC电路；电压采样电路可以采用电池组监视芯片。

电池扰动产生电路包括信号发生器和若干组开关，每组开关可以将信号发生器与电池模组中选定的电池单体连接；在检测控制电路的控制下，可以闭合对应开关组，将某个电池单体与信号发生器相连；信号发生器和检测控制电路通过数据总线连接，可以根据检测控制电路的指令，产生特定频率和幅值的正弦扰动电流；同时将电流信号发回给检测控制电路，

电压采样电路，用于电池单体的电压采样。检测控制电路包含有数个电压输入通道、控制端口和总线通信端口。每个电压输入通道与一个单体，可以实时读取和记录单体电压，通过总线通信端口与检测控制电路进行通信。优选地，模组数据采集单元可以选择串联电池组管理芯片来进行电压采样。串联电池组管理芯片是目前多节电池组电池管理系统常用的芯片，可以进行多节电池的同时电压采样，并且附带有均衡和温度采样功能，具有成本低、面积小的优点。

实施例2：

在实施例1位析锂检测系统设计的基础上，实现原位析锂检测的步骤如下：

步骤一、检测控制电路在电池组充电过程中，将电池荷电状态调节到固定范围；

步骤二、检测控制电路控制电池扰动发生器，向电池组中的各个电池单体依次输入具有特定扰动频率和特定幅值的正弦电流信号，同时记录电流数据；电池参数采样电路按特定采样频率记录单体电压，并发送给检测控制电路。

步骤三、检测控制电路根据记录的电流和电压信号，计算各个电池单体在选定扰动频率的复阻抗；

步骤四、确定阻抗的欧姆内阻成分，并将其去除，确定电池的相对实部阻抗；根据阻抗的相对实部阻抗成分，判断电池单体的析锂程度。

所述步骤一中，电池荷电状态调节范围为大于90％，且各单体荷电状态应接近一致，以减少各单体阻抗测量结果受荷电状态的干扰；

所述步骤二中的扰动频率，应综合考虑被测单体的阻抗特性和测量时间进行选择。该步骤选择的扰动频率点，用于进行阻抗谱欧姆内阻成分的确定；电池单体析锂状况的测量。

对锂电池来说，在500Hz左右频率区间，其电化学阻抗的相位角接近为0，即该频率点的复阻抗呈现为阻性，因此被称为欧姆内阻点。根据所测电池单体的阻抗特性，可选择该频率附近的若干点，以便于在之后步骤中计算欧姆内阻点。

锂电池负极发生析锂时，会引发电荷转移阻抗R

所述步骤二中的信号测量频率，需要根据下述的采样方法进行选择。对于本发明针对的析锂检测需求，需要利用的阻抗检测频率可能排布在500Hz-0.1Hz区间，这对采样电路提出了较高的要求。常用的电池数据采样电路往往具有较低的采样速率，可能难以达到EIS阻抗检测频率点的两倍以上，则根据奈奎斯特定律，采样到的波形将产生混叠，有可能失去原信号所含有的信息。对此，本发明使用一种简化的等效采样方法，对低频电压信号进行处理。假定以一定采样频率，从某点开始对正弦信号采样，设EIS信号频率为f

T

式中，T

采样完成后，将得到一个数据序列，其采样点以f

可获得各个频率对对应的采样序列中各采样点在一个信号周期内的排列顺位n

所述步骤三中，选定扰动频率下的复阻抗由下式计算：

其中，R为复阻抗幅值，

所述步骤四中，欧姆内阻成分的去除，是基于在前述步骤二中测量的500Hz左右的频率点阻抗数据，通过插值的方式确定相位角为0时的阻抗幅值，该阻抗幅值即为电池阻抗的欧姆内阻成分。如前所述，析锂对阻抗谱的影响主要体现在较低频率段，500Hz及以上区间基本不受析锂影响，却容易受到连接阻抗或其他因素的影响，干扰对析锂情况的测量。因此，该部分阻抗将被减去，并计算各个测得阻抗点的相对实部阻抗。

所述步骤四中，析锂程度的计算，通过上述特征频率点的相对实部阻抗和体现电池析锂的指标进行拟合来进行。优选地，可以针对所测电池型号，进行析锂诱发实验，并通过上述装置进行阻抗测量；随后将测试电池拆解，测定各单体电极的锂含量，并和测得阻抗点的相对实部阻抗进行拟合，所得关系模型即可用于原位电池析锂测量。

实施例3：

以下通过实施例，对本发明的具体实施方式进行详细说明，以帮助本领域技术人员充分理解该发明的实现过程并加以实施。

该实施例采用下表所述参数的锂电池单体，以建立一套针对该型号单体的析锂测量系统。

表1实验锂电池参数

析锂诱发：选择4节上述电池单体，编号为1、2、3、4号，其中1、2、3号为实验单体，4号为对照单体。1、2、3号实验单体进行下表所述的低温高倍率充电实验，重复3次，以诱发不同程度的析锂：

表2析锂诱发实验

阻抗测量：将4节单体与原位析锂检测系统连接，根据上述的原位析锂检测方法，对各单体的电化学阻抗谱进行测量。

图2展示了测量某个阻抗点时的电流采样点、电压采样点和经过还原的电压采样点，可以看到电压信号在较低频率下出现了混叠，但经过前述采样频率的选择及检测控制电路的处理，原本的电压信号得以复原，可用于阻抗点的计算。

图3(1)展示了测量到的4节单体的电化学阻抗谱。为了掌握该电池型号阻抗谱的特性，本实施例中均匀测量了各单体1160Hz-0.1Hz的电化学阻抗。在实际应用中，如果已知被测单体的阻抗特性，可以减少非必要采样点的数量。图中，可见4号对照单体的阻抗谱中段呈现弧形，而1、2、3号实验单体的阻抗谱中段拉长，呈现双弧形，其中第二个弧的出现即体现了析锂对R

为了量化各单体的析锂程度，将4节电池进行拆解，并对其负极极片采样，进行ICP-MS实验，以测定极片中的锂含量。实验参数和结果如表3所示。

表3ICP-MS锂含量测定实验

将锂含量与特征频率点相对实部阻抗进行拟合，效果如图4所示。可见阻抗值与锂含量呈现高度线性正相关，借助拟合得到的线性模型，可以对电池组中单体的析锂状况进行高精度的量化测定。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。