一种分析电池内阻构成的方法与流程

本发明涉及电池内阻分析，特别是涉及一种分析电池内阻构成的方法。

背景技术：

1、直流阻抗和交流阻抗是评价电池极化大小的重要指标。

2、现有的直流内阻(dcir)分析方法，对电池施加持续某个时间段的较大电流的恒电流脉冲，用脉冲前后的电压变化值除以电流变化值，计算出该时间段对应的直流内阻；上述方法操作虽然极其简单，但无法有效辨识电化学反应极化与浓差极化发挥作用的分界点(边界)，进而无法客观地评估电化学活化内阻、浓差内阻的阻值(数值大小)及其变化规律，也无从估算膜扩散内阻和电荷传递内阻，对于解析电池的阻抗信息存在一定缺陷。cn113093038a采用常规dcir测试，首先获取脉冲充放电的电压差值时间序列，再按顺序将各差值与第1个差值进行比较，以差值变化的拐点作为浓差极化内阻开始作用的起始点。该方法是从时域角度分析电压差变化数据，需要测试设备具有极其密集的时间间隔采集电压数据的能力(δt不大于0.001秒)，且使用脉冲电流的倍率较大，反复使用较大倍率的脉冲电流对电池或有负面作用。

3、交流内阻表用于测量电池的欧姆内阻，信息量较少。电化学阻抗谱(eis)能评估多种时间尺度的阻抗，但需要配置成本较高的电化学工作站；当研究电池在特定温度下的阻抗特性，还需要将电化学工作站搬运到恒温箱周围，连接计算机，将其测试引线及其电池夹具放置到恒温箱中，将某种状态的电池转移到电化学工作站电池夹具上，实操工序相对繁琐。通常情况下，为了防止设备受损，电化学工作站是不允许随意搬运的。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种分析电池内阻构成的方法，该方法不依托于电化学工作站，可以有效辨识电化学反应极化和浓差极化在频域上发挥作用的交界点，进而评估电化学活化内阻、浓差极化内阻的阻值，还可进一步的计算膜扩散内阻和电荷传递内阻。

2、一种分析电池内阻构成的方法，包括步骤：

3、步骤一：使待检测电池在预设温度环境中处于预设状态；所述预设状态下，所述待检测电池的电流为i0，电流i0的取值范围为0-0.1c；

4、步骤二：按预设第一规则采集电池被施加测试电流iapp前瞬间以及施加测试电流iapp期间的电压，形成与采集时间集合ttest＝{t0,t1,t2,…,tn}对应的采集电压集合utest＝{u0,u1,u2,…,un}，t0＝0，u0为施加测试电流前瞬间采集的电压；

5、步骤三：从步骤二中的电压及时间的集合数据中按预设第二规则提取目标数据，构建目标电压集合ufilter和目标时间集合tfilter；

6、步骤四：基于所述目标时间集合tfilter和目标电压集合ufilter，构建目标对数转换频率集合ffilter和目标内阻集合rfilter；目标时间集合tfilter、目标电压集合ufilter、目标对数转换频率集合ffilter以及目标内阻集合rfilter的元素为一一对应关系；绘制目标内阻相对于目标对数转换频率的微分曲线，微分曲线在对数转换频率≤0.1hz区间内取得极大值时的横坐标记作fc，fc是电化学反应极化和浓差极化在频域上发挥作用的交界点，fc对应的目标内阻为rc；

7、对于任意目标时间tx∈tfilter，对应的目标对数转换频率集合ffilter中的目标对数转换频率元素fx＝log(c/tx)，c为转换系数，取值范围为0.25-0.50；

8、对于任意目标时间tx∈tfilter，对应的目标内阻集合rfilter中的目标内阻rx＝(ux-u0)/(iapp-i0)，ux是任意目标时间tx所对应的电压；则有rc＝(uc-u0)/(iapp-i0)；

9、步骤五：计算电化学活化内阻ract、浓差内阻rdiff，以及估算膜扩散内阻rf和电荷传递内阻rct；电化学活化内阻ract＝rc-rohm，浓差内阻rdiff＝rsum-rc，膜扩散内阻rf＝r1-rohm，电荷传递内阻rct＝rc-r1，rohm为待检测电池的欧姆内阻；

10、r1＝(u1-u0)/(iapp-i0)；

11、rsum为步骤二中对电池施加测试电流iapp作用25s对应的直流内阻，即采集时间t＝25s，usum为对应的采集电压，rsum＝(usum-u0)/(iapp-i0)。

12、本发明基于电池的电化学阻抗谱实部与对数频率的关系，发现电池的目标内阻与对数转换频率的微分曲线在对数转换频率≤0.1hz区间内取得极大值时的横坐标fc，可作为电化学反应极化和浓差极化在频域上发挥作用的交界点，依此分析电池直流内阻的构成。

13、本发明中，将对待检测电池的测试时间变换为对数转换频率的过程，基于电池的电化学阻抗谱与其直流内阻在时域、频域的关系设计，创建了对数转换频率集合ffilter中的任意一个元素fx的计算公式，最终使得电池的直流内阻的构成分析可以在类似于交流阻抗谱的频域中进行。从频域角度分析问题，可以降低对设备的数据采集时间分辨率的要求。

14、其中，步骤一中，所述预设状态包括所述待检测电池处于静置状态、极小电流充电/放电状态；处于静置状态时，静置时间应不小于1h；处于极小电流充电/放电状态，充电/放电的时间应不小于2min，默认充电电流为正数，放电电流为负数，电流的单位是安培(a)。

15、其中，步骤二中，按预设第一规则采集电池被施加测试电流iapp前瞬间以及施加测试电流iapp期间的电压的步骤包括：

16、用于计算电化学活化内阻ract、浓差内阻rdiff时，当施加测试电流iapp的作用时间t≤ts时，时间变化量≥0.03s或电压变化量≥0.005v时至少采集一个电压数据；当t＞ts，时间变化量≥1s或电压变化量≥0.01v时至少采集一个电压数据；

17、用于计算膜扩散内阻rf和电荷传递内阻rct时，除满足上述用于计算电化学活化内阻ract、浓差内阻rdiff时的采集电压数据规则外，且须满足施加测试电流iapp后采集的第一个电压数据u1对应的采集时间t1∈[0.002s,0.008s]。

18、其中，若采集时间t1不满足t1∈[0.002s,0.008s]，则通过以下任一方式方式调整，以使t1满足：

19、调整测试电流iapp直至t1满足；

20、设置当施加测试电流iapp的作用时间t≤0.01s，时间变化量≥td时，至少采集一个电压数据，td∈[0.002s,0.008s]。

21、其中，采集待测电池的电压时，施加的测试电流iapp满足以下条件：

22、当i0＝0时，(5a·mω/rohm)≤|iapp|≤(50a·mω/rohm)，待检测电池欧姆内阻rohm的单位是mω；当i0≠0时，1.5·|i0|≤|iapp|≤5·|i0|；

23、优选的，采集待检测电池的电压时，施加的测试电流iapp满足以下条件：

24、当i0＝0时，(5a·mω/rohm)≤|iapp|≤(25a·mω/rohm)当i0≠0时，2·|i0|≤|iapp|≤5·|i0|。

25、其中，在步骤二中，施加测试电流iapp的总时间tn取值范围为25-60s，ts取值范围为2-5s，更为优选的，在温度≤10℃的低温环境中测试时，ts取值范围为3-5s。

26、其中，从步骤二中的电压及时间的集合数据中按预设第二规则提取目标数据的步骤包括：

27、从第一采集电压集合中提取作为第一目标电压数据,构成第一目标电压集合相应的第一目标时间集合下角标x0＝0，x0＜x1＜…＜xm≤p；从utest(t≤ts)中提取第一目标电压数据的间隔参数为α，其取值范围是iapp*0.0003v/a-iapp*0.0012v/a，v，a表示电压及电流，提取的第一目标电压数据需满足：

28、且且

29、且

30、从第二采集电压集合提取作为第二目标电压数据，构成第二目标电压集合相应的第二目标时间集合为下角标q≤x(m+1)＜x(m+2)＜…＜xm≤n；从utest(t＞ts)中提取第二目标电压数据的间隔参数为β，其取值范围是iapp*0.001v/a-iapp*0.005v/a，提取的第二目标电压数据需满足：

31、且

32、且…，依此类推；

33、目标电压集合ufilter等于第一目标电压集合ufilter(t≤ts)和第二目标电压集合ufilter(t＞ts)的并集，即

34、

35、相应的目标时间集合

36、其中，如果目标内阻r相对于目标对数转换频率的微分或差分曲线数据点的密集度大于预设密集度阈值，过于密集且在负半轴存在预设密集跳点现象，如异常密集跳点现象，则在预设规定范围内增大a和/或b的数值，直到预设密集跳点现象消失；

37、如果目标内阻r相对于目标对数转换频率的微分或差分曲线的稀疏度达到预定稀疏阈值，过于稀疏，导致无法预测最大值，则在预设规定范围内减小a和/或b的数值，直到在负半轴能观测最大值。

38、步骤五中，使用内阻仪测试电池的欧姆内阻rohm。

39、本发明的分析电池内阻构成的方法，通过构建一系列不同测试时间的小电流直流内阻相对于对数转换频率的微分或差分曲线，可有效辨识电化学反应极化和浓差极化在频域上发挥作用的交界点(即电化学反应极化作用的终点，浓差极化作用的起点)，评估电化学活化内阻、浓差极化内阻的阻值；且相对于常规dcir测试采用较大倍率的电流脉冲，对电池有潜在损害；施加的充电或放电的测试电流的倍率小于常规dcir脉冲电流的倍率，对电池无损害作用。

40、本发明的数据采集过程不需要使用电化学工作站，数据采集流程可以内嵌到电池充放电测试流程内，测试相对方便灵活，尤其是对于有测试温度和环境等要求的内阻分析，可行性较高。