锂电池内短路特征参数测试方法及系统与流程

本发明涉及锂电池安全领域，具体涉及锂电池内短路特征参数测试方法及系统。

背景技术：

1、随着全球能源危机和气候变暖，各国大规模开发和应用太阳能、风能等绿色清洁能源。其中，锂电池在新能源汽车领域得到广泛应用，对锂电池的安全性研究是一个热点问题。锂电池在使用过程中不可避免会遭到撞击、挤压、弯折等机械滥用情况造成内短路，极易引发锂电池的火灾爆炸事故，对人员财产造成巨大损失。目前，针对锂电池机械滥用情况下的故障诊断方法无法满足市场要求，新能源汽车电池包由于碰撞或托底等情况对电池的损伤非常隐蔽，造成使用过程中突发热失控的情况。

2、公布号为cn117517969a的现有发明专利申请文献《基于弛豫电压曲线的锂电池老化与内短路故障的评估方法》，该现有方法包括：建立目标函数，解释目标函数中各参数的物理意义；拟合目标函数来辨识函数中的参数；以参数的数值和变化趋势评估电池老化状态与内短路故障程度。然而，该现有方案需要依赖等效电路模型，通过辨识内短路对端电压的影响进行短路程度评估，降低了模型的适用性。

3、公布号为cn117269769a的现有发明专利申请文献《基于多维特征的锂电池内短路快速检测和定量估计方法》，该现有方法包括：步骤一，获取数据；步骤二，建立电池等效电路模型；步骤三，提取电池内短路多维度特征；步骤四，判断内短路故障电池；步骤五，估计内短路电阻。该现有方案同样依赖等效电路模型，通过外部并联短路电阻模拟内短路，未充分考虑电池内部发生短路的真实情况，无法提取电池内短路发生时的电化学信号。

4、同济大学2022年10月公开的文献《基于弛豫电压的内短路诊断方法》，该文献中披露的方法以圆柱形商用锂离子电池为研究对象，利用弛豫电压曲线斜率衡量内短路程度；根据外接电阻模拟实验数据，建立内短路阻值与弛豫电压曲线斜率的拟合模型；在此基础上，设计内短路诊断方法，分析电池老化对诊断精度的影响；利用遗传算法对模型建立过程中时间区间的选取进行优化。然而，该现有方案未考虑电池真实内短路情况下的电化学特性和热特性，无法对真实内短路情况下的电池进行多维综合评估。

5、综上，现有技术在锂电池机械滥用情况下，存在内短路特征提取准确性及效率较低，降低电池安全性的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：如何解决现有技术在锂电池机械滥用情况下，存在的内短路特征提取准确性及效率较低，降低电池安全性的技术问题。

2、本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题的：锂电池内短路特征参数测试方法包括：

3、s1、按预置测试规格，选取待测锂电池；

4、s2、将热电偶布置于待测锂电池，将电压测试线的测试端分别连接待测锂电池的正、负极极耳，将热电偶、电压测试线的数据端连接至数据采集装备；

5、s3、启动三点弯曲测试装置，对待测锂电池施加控制加载位移，以完成挤压操作，以将待测锂电池弯折至预置角度，在挤压操作中，实时记录待测锂电池的实验测量数据；

6、s4、在待测锂电池发生热失控时，按预设静置时长进行静置操作；否则将三点弯曲测试装置的挤压头复位，导出当前的实验测量数据；

7、s5、在挤压操作完成时，将待测锂电池置入计算机断层扫描装置进行测试，以分析得到内短路关联数据；

8、s6、采用预置内阻测量方法，测量待测锂电池的充放电直流内阻，循环执行步骤s1至步骤s5，直至将待测锂电池充电至100%soc；

9、s7、利用电化学特性测试方法，测试待测锂电池的电化学阻抗谱，以获取电池电化学特性信息，其中，电化学特性测试方法包括：离子扩散系数测试、直流内阻测试、交流内阻测试以及短路内阻测试；

10、s8、执行步骤s1至步骤s4，以利用三点弯曲测试装置对待测锂电池进行三点弯曲测试，以分析电池电化学特性信息中的短路内阻；

11、s9、循环执行步骤s1至步骤s5，将待测锂电池充电至100%soc（state of charge，荷电状态）；采用恒电流间歇滴定法，以脉冲-弛豫方式测试得到离子扩散系数，按照预置倍率、放电时间以及搁置时间，对待测锂电池放电、搁置，直至待测锂电池电压到达截止电压下限；对待测锂电池充电，直至待测锂电池电压到达截止电压上限；

12、s10、利用预置电池产热计算方法，根据电池电化学特性信息，计算待测锂电池的不可逆热以及短路产生焦耳热。

13、本发明借助改进的测试设备进行三点弯曲实验，通过ct扫描机械滥用下电池的内部结构变化；通过测试待测锂电池的电化学特性，在不同外部弯折角度下研究待测锂电池在不同充电状态下的产热变化、热失控行为、温度电压变化及临界热失控角度。

14、本发明能够在待测锂电池的机械滥用情况下，高效、准确地提取内短路的特征参数，为新能源汽车电池包的故障诊断和早期预警提供了可靠手段，有助于保障电池安全性，降低火灾爆炸事故风险。

15、在更具体的技术方案中，步骤s5包括：

16、s51、将经挤压的待测锂电池，安置在计算机断层扫描装置的扫描区域；

17、s52、利用计算机断层扫描装置进行ct扫描，获取待测锂电池的内部结构图像，供分析内短路关联数据。

18、本发明采用ct扫描得到电池扫描结果，可用于分析待测锂电池内部组件的排列、形态，以及由于挤压而引起的结构性损伤，能够为提取内短路的特征参数提供更全面的信息。

19、在更具体的技术方案中，步骤s52中，内短路关联数据包括：锂电池内部组件排列、锂电池内部组件形态以及挤压结构性损伤。

20、在更具体的技术方案中，步骤s6包括：

21、s61、采用混合功率脉冲特性法hppc（hybrid pulsepower characteristic），获取待测锂电池的充放电直流内阻；

22、s62、利用差值法，对不同荷电状态soc下的充放电直流内阻进行拟合处理。

23、在更具体的技术方案中，步骤s61中，利用下述逻辑，处理得到充放电直流内阻：

24、（1）

25、（2）

26、其中，为放电直流内阻，为充电直流内阻，为放电脉冲前1s的搁置电压，为放电10s后的电压，为充电脉冲前1s的搁置电压，为充电10s后的搁置电压，为放电电流，为充电电流。

27、在更具体的技术方案中，步骤s7包括：

28、s71、重复执行步骤s1至步骤s5，将待测锂电池充电至100%soc，将待测锂电池连接到电化学工作站；

29、s72、在执行电化学特性测试方法前，测量待测锂电池的开路电压，以确定电池基准状态；

30、s73、在差异频率下，按照预置幅度，在待测锂电池上施加交流激励信号；

31、s74、在差异频率下，从预置高频到预置低频执行扫描操作，以得到电化学阻抗谱；

32、s75、利用电化学阻抗谱，进行模型拟合、分析，以获取电池电化学特性信息。

33、在更具体的技术方案中，步骤s8中，在电流稳定时确定待测锂电池的内短路电流，以利用下述逻辑，处理得到短路内阻，针对实时开路电压施加相同电位，确定微短路电流大小以及短路电阻的动态演化情况：

34、（3）

35、其中，为短路内阻，为实时开路电压，为内短路电流。

36、本发明能够评估不同荷电状态下的电池内短路程度，无需进行充放电循环，针对实时开路电压施加相同电位，可确定微短路电流大小以及短路电阻的动态演化情况。

37、在更具体的技术方案中，步骤s9中，利用下述逻辑，求取离子扩散系数：

38、（4）

39、其中，是正极材料的离子扩散系数，是弛豫时间，是正极材料的颗粒半径，是在待测锂电池中的脉冲引起的总电压变化，是 t时刻的恒电流充、放电的电压变化参数。

40、本发明不需要依赖等效电路模型，通过特定脉冲电流即可实现离子扩散系数的测定，能够实时地评估待测锂电池的短路程度。

41、在更具体的技术方案中，步骤s10包括：

42、s101、利用下述逻辑，求取不可逆热：

43、（5）

44、s102、利用下述逻辑，求取短路产生焦耳热：

45、（6）

46、其中，为测试时长，为不可逆热，为短路产生的焦耳热，为 t时刻下的欧姆内阻，为 t时刻下的极化内阻，为 t时刻下的直流内阻，为充放电电流，为 t时刻下的电压，为短路内阻，为内短路电流，为 t时刻下的内短路电流，为 t时刻下的短路内阻。

47、在更具体的技术方案中，锂电池内短路特征参数测试系统包括：

48、样品选取模块，用以按预置测试规格，选取待测锂电池；

49、实验部署模块，用以将热电偶布置于待测锂电池，将电压测试线的测试端分别连接待测锂电池的正、负极极耳，将热电偶、电压测试线的数据端连接至数据采集装备，实验部署模块与样品选取模块连接；

50、三点弯曲测试装置，用以对待测锂电池施加控制加载位移，以完成挤压操作，以将待测锂电池弯折至预置角度，在挤压操作中，实时记录待测锂电池的实验测量数据，三点弯曲测试装置与实验部署模块连接；

51、三点弯曲测试数据获取模块，用以在待测锂电池发生热失控时，按预设静置时长进行静置操作；否则将三点弯曲测试装置的挤压头复位，导出当前的实验测量数据，三点弯曲测试数据获取模块与三点弯曲测试装置连接；

52、断层扫描模块，用以在挤压操作完成时，将待测锂电池置入计算机断层扫描装置进行测试，以分析得到内短路关联数据；

53、充放电直流内阻测量模块，用以采用预置内阻测量方法，测量待测锂电池的充放电直流内阻，循环执行样品选取模块至断层扫描模块中的操作，直至将待测锂电池充电至100%soc；

54、电化学特性测试模块，用以利用电化学特性测试方法，测试待测锂电池的电化学阻抗谱，以获取电池电化学特性信息，其中，电化学特性测试方法包括：离子扩散系数测试、直流内阻测试、交流内阻测试以及短路内阻测试，电化学特性测试模块与充放电直流内阻测量模块连接；

55、短路内阻分析模块，用以执行样品选取模块至三点弯曲测试数据获取模块中的操作，以利用三点弯曲测试装置对待测锂电池进行三点弯曲测试，以分析电池电化学特性信息中的短路内阻，短路内阻分析模块与电化学特性测试模块、三点弯曲测试装置连接；

56、离子扩散系数测试模块，用以循环执行样品选取模块至断层扫描模块中的操作，将待测锂电池充电至100%soc；采用恒电流间歇滴定法，以脉冲-弛豫方式测试得到离子扩散系数，按照预置倍率、放电时间以及搁置时间，对待测锂电池放电、搁置，直至待测锂电池电压到达截止电压下限；对待测锂电池充电，直至待测锂电池电压到达截止电压上限，离子扩散系数测试模块与短路内阻分析模块连接；

57、产热系数计算模块，用以利用预置电池产热计算方法，根据电池电化学特性信息，计算待测锂电池的不可逆热以及短路产生焦耳热，产热系数计算模块与电化学特性测试模块连接。

58、本发明相比现有技术具有以下优点：

59、本发明借助改进的测试设备进行三点弯曲实验，通过ct扫描机械滥用下电池的内部结构变化；通过测试待测锂电池的电化学特性，在不同外部弯折角度下研究待测锂电池在不同充电状态下的产热变化、热失控行为、温度电压变化及临界热失控角度。

60、本发明能够在待测锂电池的机械滥用情况下，高效、准确地提取内短路的特征参数，为新能源汽车电池包的故障诊断和早期预警提供了可靠手段，有助于保障电池安全性，降低火灾爆炸事故风险。

61、本发明采用ct扫描得到电池扫描结果，可用于分析待测锂电池内部组件的排列、形态，以及由于挤压而引起的结构性损伤，能够为提取内短路的特征参数提供更全面的信息。

62、本发明能够评估不同荷电状态下的电池内短路程度，无需进行充放电循环，针对实时开路电压施加相同电位，可确定微短路电流大小以及短路电阻的动态演化情况。

63、本发明不需要依赖等效电路模型，通过特定脉冲电流即可实现离子扩散系数的测定，能够实时地评估待测锂电池的短路程度。

64、本发明解决了现有技术在锂电池机械滥用情况下，存在内短路特征提取准确性及效率较低，降低电池安全性的技术问题。