[發明專利]一種基于弛豫過程的鋰離子電池內短路故障診斷方法

在審

• 申請號: 202211234609.6
• 申請日: 2022-10-10
• 公開（公告）號: CN115932611A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 毛磊;余昆;章恒
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01R31/3835
• 分類號: G01R31/3835;G01R31/389;G01R31/52
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

本發明提出一種基于弛豫過程的鋰離子電池內短路故障診斷方法，其為一種基于弛豫電壓曲線的內短路故障預警方法，該方法探究了內短路電阻與弛豫過程中壓降的關聯性。通過比較內短路故障電池與正常電池在弛豫過程中的電壓，來判斷被測電池是否發生內短路故障，并可計算內短路電阻大小以判斷故障的嚴重程度。該方法計算復雜度低，便于在嵌入式電池管理系統中實現，為簡單高效的內短路故障預警提供了新思路。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池故障診斷領域，具體涉及一種基于弛豫過程的鋰離子電池內短路故障診斷方法。

背景技術

由于功率密度高，循環壽命長等優點，鋰離子電池現已經被廣泛運用于新能源汽車，消費電子產品，電網及用戶側儲能等場景。然而，惡劣的使用場景以及復雜的使用工況可能會導致電池出現故障，甚至引發安全問題，例如由電池濫用引發的內短路故障可能會導致電池熱失控，進而造成起火爆炸等嚴重安全事故。因此，為防止電池在使用過程中產生熱失控，電池內短路的早期預警是不可或缺的。

由于內短路故障的機理較為復雜，內短路故障的產生是多因素耦合的結果，難以設計實驗對商用電池內短路故障進行分析，為探究內短路的故障機理并實現內短路故障的預警，研究人員建立了鋰電池的熱電耦合模型，將檢測獲得的電池電壓及溫度數據代入模型計算，得到能夠反映內短路狀態的電化學特征，以此特征實現內短路的早期預警。但是基于模型的方法首先需要確定模型參數，復雜的電化學模型包含大量參數，每次對電池進行內短路故障評估前都需要進行參數辨識。此外，復雜的電化學模型難以實現在線評估，電化學模型由大量偏微分方程組成，難以在嵌入式系統中實現在線計算。為簡化計算，另有學者通過比較放電容量與充電容量來評估內短路故障，該方法首先需要評估充放電過程中的電荷狀態，并以此計算電池可充入及可放出的最大電量，如發生內短路故障，電池充入的能量會大于可放出的能量，但荷電狀態評估依然需要通過建立電路模型，并引入卡爾曼濾波對模型參數進行更新。迄今為止，仍然缺少簡單有效的內短路故障評估及早期預警方法。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提出了基于弛豫過程的鋰離子電池內短路故障診斷方法，其為一種基于弛豫電壓曲線的內短路故障預警方法，該方法探究了內短路電阻與弛豫過程中壓降的關聯性。通過比較內短路故障電池與正常電池在弛豫過程中的電壓，來判斷被測電池是否發生內短路故障，并可計算內短路電阻大小以判斷故障的嚴重程度。該方法計算復雜度低，便于在嵌入式電池管理系統中實現，為簡單高效的內短路故障預警提供了新思路。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于弛豫過程的鋰離子電池內短路故障診斷方法，通過比較內短路的故障電池與正常電池在弛豫過程中的電壓，來判斷被測電池是否發生內短路故障，并計算短路電阻大小以判斷故障的嚴重程度，具體包括如下步驟：

步驟1、建立極化與弛豫的關聯：

所述極化的大小表示為過電位，過電位隨電流強度的增大而增大；所述弛豫是極化的逆過程，即電池結束充放電后，電池回到平衡電位的過程；電池一旦發生內部短路，短路電流消耗電能，電池荷電狀態SOC降低，引起電池電壓下降；通過分析電池放電后的電壓響應來識別ISC故障；

步驟2、分析內部短路故障電池的弛豫過程：

內部短路故障電池的弛豫過程和損耗過程均影響電池停止工作后的電壓，弛豫過程和損耗過程的影響是相互獨立的；在內部短路故障電池放電后，對內部短路故障電池的弛豫電壓V_FR和損耗電壓V_D求和，得到內部短路故障電池的電壓響應V_SC，如式(1)所示：

V_SC＝V_FR+V_D??(1)

式(1)中的損耗電壓V_D與短路電阻有關，用于評估電池的內部短路故障水平；短路電阻值減小，短路電流增大，荷電狀態進一步減小,使得損耗電壓V_D增加；