一种锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法

摘要

本发明提出一种锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法，包括测量并记录电化学行为数据，以电池SOC百分含量为X轴，电池电压为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，获得电池SOC与电池电压的曲线图；测量并记录电池机械响应的数据，以电池电压为X轴，电池厚度为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，获得测试点电池厚度与电压曲线图；整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，消去电池电压，获得电池厚度和电池SOC的关系曲线。由电池厚度快速、准确得推算出电池局部SOC，操作简单方便，成本较低。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法。

背景技术

作为混合动力和电动汽车中的储能装置，锂离子电池工作机制非常复杂，涉及电化学动力学、势能理论、传质、能量平衡和弹性等多种机理，锂离子电池机械响应包括产生应力和体积膨胀对电化学行为比如SOC分布有显著影响。而Li+在电极颗粒内的不均匀分布亦会导致不均匀的局部体积变化，严重时会引起极片断裂，导致安全事故。因此研究电化学行为和机械响应之间的协同作用对锂离子电池研究具有重要意义。

目前多数工作只针对锂离子电池的电化学行为和机械响应进行了单独研究，例如申请号为201710021905.0的专利提出了一种锂离子电池SOC估算方法，通过建立自适应神经模糊推理系统的锂离子电池剩余容量预测模型，准确估算电池的剩余容量。申请号为201810999373.2的专利提出了一种锂离子电池内部应力分布及变化的测试方法，利用在电池内部植入压力纸测试电池内部应力在循环过程中的变化。

现有技术方案只针对锂离子电池的机械性能和电化学行为进行了单独研究，无法表征二者之间的相互关系，对于锂离子电池尤其是大尺寸软包离子锂电池具有一定的技术局限性。

发明内容

针对无法表征锂离子电池的机械性能和电化学行为的相互关系的问题，本发明提出了一种软包锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法，采用自主设计大尺寸电池，研究了充放电过程电池同一位置SOC与厚度的变化，验证电池厚度和SOC分布的不均匀性，另一方面评估局部电池SOC与该处电池厚度之间的相互关系，另外根据实验结果可以由电池厚度直接估算电池SOC，为锂离子电池性能衰减评估提供了一种有效的途径。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

一种锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法，包括：

测量电化学行为，测量并记录电化学行为数据，处理数据，获得电池SOC与电池电压的曲线图；

测量电池机械响应，测量并记录电池机械响应的数据，处理数据，获得测试点电池厚度与电压曲线图；

整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，获得电池厚度和电池SOC的关系曲线。

本发明在大尺寸硅基软包锂离子电池充放电过程对电化学行为和电池机械响应进行同步测试，获得电池SOC与电池电压的曲线图和测试点电池厚度与电压曲线图，再分析整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，获得测试点电池厚度与电压曲线图，从而分析了得到电池机械响应和电化学行为之间的相互影响关系，最终根据测试点电池厚度与电压曲线图，利用电池厚度快速推算出电池局部SOC，操作简单方便，成本较低。

作为优选，测量电化学行为的过程包括：

S101：电池以0.01-0.1C在设定电压范围内充放电，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，

S102：以电池SOC为X轴，电池电压为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，得到电池SOC与电池电压的曲线图；

S103：电池以0.2-1.0C在与步骤101相同电压范围内充放电，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，测试进行2次，电压差取平均值。

作为优选，测量电池机械响应的过程包括：

S201：电池以0.2-1.0C在设定电压范围内充放电，利用高精度位移传感器记录测试点在充放电过程的厚度变化值，测试进行2次，厚度变化值取平均值，

S202：以电池电压为X轴，电池厚度为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，获得测试点电池厚度与电压曲线图，

作为优选，测量电池机械响应的S201与测量电化学行为的S103同时进行。同时进行的目的是让测量数据具有可比性，减少实验误差。

作为优选，整合电池机械响应与电化学行为的测量数据过程包括：

S301：消去电池电压，整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图；

S302：以电池SOC为X轴，电池厚度为Y轴，建立坐标系，将测试数据对应点，标到所建立的坐标系中，再用曲线连接对应点，建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线。

建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线的目的是，获得电池厚度与电池SOC的变化关系规律，可以根据厚度和SOC的关系曲线实现根据电池厚度反演推算出电池SOC的值。

作为优选，所述的一定电压范围内为在2.5-4.2V范围内，超过或低于此范围会造成测量数据误差过大，因此需要在此范围内测试，使得测试结果更加准确。

作为优选，电池测试点设有6个，以2行3列的方式均匀分布在电池表面。

作为优选，整个测试过程在恒温室进行，减少温度变化对实验结果的影响，恻然使测试结果更加准确。

作为优选，在步骤101中，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，重复3次，取电压差平均值作为作图数据，作图得到电池SOC与电池电压的曲线图。取平均值的目的是为了使测试结果更加准确，有利于减少估算误差。

本发明实现了大尺寸硅基软包锂离子电池在充放电过程中电池厚度与SOC的同步测试，获得电池机械响应和电化学行为之间的相互影响，可以由电池厚度快速、准确得推算出电池局部SOC，操作简单方便，成本较低。

附图说明

图1是一种电池测试装置示意图；

图2是锂离子电池机械响应与电化学行为测量方法流程示意图；

图3是电池电压与SOC关系曲线图

图4是6个测试点电压与厚度关系曲线图

图5是6个测试点SOC与厚度关系曲线图

其中：1、高精度位移传感器 2、高精度模拟数据记录仪 3、夹具 4、待测电池。

具体实施方式

实施例：

结合图1一种电池测试装置，夹具3支撑的待测电池4由底座垂直固定，用两个高精度线位移传感器1测量电池厚度的变化，高精度位移传感器探头为高硬度碳化钨，两个高精度位移传感器位于电池的两侧，其水平和垂直方向坐标可调，可以测量不同位置的厚度。由于高精度位移传感器探头可以在电池上施加几千帕斯卡的压力，因此测试过程中电池中产生气体不会造成任何测试误差。高精度模拟数据记录仪2与待测电池的正负极相连接，用于记录测试数据。

一种锂离子电池机械响应与电化学行为同时测量方法，包括：

测量电化学行为，测量并记录电化学行为数据，处理数据，获得电池SOC与电池电压的曲线图；

测量电池机械响应，测量并记录电池机械响应的数据，处理数据，获得测试点电池厚度与电压曲线图；

整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，获得电池厚度和电池SOC的关系曲线。

本发明在大尺寸硅基软包锂离子电池充放电过程对电化学行为和电池机械响应进行同步测试，获得电池SOC与电池电压的曲线图和测试点电池厚度与电压曲线图，再分析整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，获得测试点电池厚度与电压曲线图，从而分析了得到电池机械响应和电化学行为之间的相互影响关系，最终根据测试点电池厚度与电压曲线图，利用电池厚度快速推算出电池局部SOC，操作简单方便，成本较低。

测量电化学行为的过程包括：

S101：电池以0.01-0.1C在设定电压范围内充放电，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，

S102：以电池SOC为X轴，电池电压为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，得到电池SOC与电池电压的曲线图；

S103：电池以0.2-1.0C在与步骤101相同电压范围内充放电，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，测试进行2次，电压差取平均值。

测量电池机械响应的过程包括：

S201：电池以0.2-1.0C在设定电压范围内充放电，利用高精度位移传感器记录测试点在充放电过程的厚度变化值，测试进行2次，厚度变化值取平均值，

S202：以电池电压为X轴，电池厚度为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，获得测试点电池厚度与电压曲线图，

测量电池机械响应的S201与测量电化学行为的S103同时进行。同时进行的目的是让测量数据具有可比性，减少实验误差。

整合电池机械响应与电化学行为的测量数据过程包括：

S301：消去电池电压，整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图；

S302：以电池SOC为X轴，电池厚度为Y轴，建立坐标系，将测试数据对应点，标到所建立的坐标系中，再用曲线连接对应点，建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线。

建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线的目的是，获得电池厚度与电池SOC的变化关系规律，可以根据厚度和SOC的关系曲线实现根据电池厚度反演推算出电池SOC的值。

所述的一定电压范围内为在2.5-4.2V范围内，超过或低于此范围会造成测量数据误差过大，因此需要在此范围内测试，使得测试结果更加准确。

电池测试点设有6个，以2行3列的方式均匀分布在电池表面。

整个测试过程在恒温室进行，减少温度变化对实验结果的影响，恻然使测试结果更加准确。

在步骤101中，利用高精度模拟数据记录仪测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，重复3次，取电压差平均值作为作图数据，作图得到电池SOC与电池电压的曲线图。取平均值的目的是为了使测试结果更加准确，有利于减少估算误差。

结合图2锂离子电池机械响应与电化学行为测量方法流程示意图，本发明的一种实施例，其过程包括：测试电池的电化学行为、测试电池的机械响应和整合测试数据。具体步骤如下：

步骤1：在恒温环境下，电池以0.01-0.1C在2.5-4.2V范围内充放电；

步骤2：利用高精度模拟数据记录仪2测量辅助极耳与主极耳之间的电压差；

步骤3：处理测试数据，测试重复3次，取平均值，以电池SOC百分含量为X轴，电池电压为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，得到电池SOC与电池电压的曲线图如图3所示；

步骤4：在恒温条件下，电池以0.2-1.0C在2.5-4.2V范围内充放电；

步骤5：利用高精度模拟数据记录仪2测量辅助极耳与主极耳之间的电压差，利用高精度位移传感器1记录该测试点在充放电过程的厚度变化；

步骤6：重复步骤5，取两次测试获得数据的平均值；

步骤7：处理步骤6所得测试数据，以电池电压为X轴，电池厚度为Y轴建立坐标系，在所述坐标系中作测试数据对应点，用曲线将点连接，获得测试点电池厚度与电压曲线图；

步骤8：将高精度位移传感器1移动到不同测试点，重复步骤4-步骤7，获得6个测试点电池厚度与电压曲线图如图4所示；

步骤9：整合测试数据，整合电池SOC与电池电压的曲线图和电池厚度与电压曲线图，消去电池电压，以电池SOC为X轴，电池厚度为Y轴，建立坐标系，将测试数据对应点，标到所建立的坐标系中，再用曲线连接对应点，建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线如图5所示。

建立锂离子电池测试点电池厚度和电池SOC的关系曲线的目的是，获得电池厚度与电池SOC的变化关系规律，可以根据厚度和SOC的关系曲线实现根据电池厚度反演推算出电池SOC的值。

在步骤104-步骤108中，同时测试电池的电化学行为和电池的机械响应，目的是让测量数据具有可比性，减少实验误差。

由图4所得实验结果验证电池厚度和SOC分布的不均匀性，电池不同位置的电池SOC不相同；另一方面由图5所得实验结果可以评估局部电池SOC与该处电池厚度之间的相互关系，电池SOC值越大，电池厚度越厚，另外根据实验结果可以由电池厚度直接估算电池SOC，为锂离子电池性能衰减评估提供了一种有效的途径。

本发明实现了大尺寸硅基软包锂离子电池在充放电过程中电池厚度与SOC的同步测试，获得电池机械响应和电化学行为之间的相互影响，可以由电池厚度快速、准确得推算出电池局部SOC，操作简单方便，成本较低。