一种基于压力特征的锂离子动力电池循环容量监测方法

本发明涉及储能领域，提供一种基于压力特征的锂离子动力电池循环容量监测方法

背景技术：

0、技术背景

1、锂离子电池由于其高能量密度、长循环寿命和低自放电率，被广泛应用于电子产品、电动汽车以及大规模储能系统等领域。然而，续航里程焦虑始终是锂电池进一步发展的亟需解决的问题。由于电极材料的衰减、电解液的分解以及固体电解质界面(sei)膜的形成等因素，锂电池在循环过程中会经历容量衰减。容量衰减不仅导致电池的储能性能下降，还增加了发生热失控和火灾事故的风险。因此，对电池容量进行准确监测具有重要意义。

2、目前常见的容量检测方法循环伏安法和恒流充放电测试，前者通过电压-电流曲线分析电化学性能，灵敏度高但操作复杂；后者操作简单但耗时较长。阻抗谱分析(eis)通过测量交流阻抗变化，快速、非破坏性地评估电池内部特性，但数据分析复杂。加速老化测试在极端条件下预测电池寿命，结果可能与实际使用有所差异。此外，基于模型和神经网络的容量预测方法也常用于检测电池容量，但这种方法依赖模型和训练数据的准确性，不能准确的反应电池的真实容量。

3、在循环使用过程中，电池容量逐渐衰减，电极材料的厚度变化也随之减少。锂离子的嵌入和脱嵌导致电极材料体积发生膨胀和收缩，但随着循环次数增加，电极材料逐渐遭受机械和电化学应力，导致不可逆变化，如裂纹和粉化，降低了其对锂离子的承载能力。因此，电池容量衰减伴随着电极厚度变化的减少，反映了电极材料结构和成分的动态变化。然而，检测电池厚度变化对精度要求极高，且高机械强度的电池外壳使测量困难。因此，通过外部增加固定约束可以限制电池膨胀体积，将厚度变化转化为压力进行检测。

4、目前，已有相关研究证明了电池容量与可逆膨胀的关系(the electrochemicalsociety,2021,168(10):100520.)。同时，已有相关发明专利利用压力反应电池电荷状态，提出了基于压力估算电池的soc和预测电芯寿命的方法(cn202210605483.2、cn202210602373.0、cn202410108486.4和cn202110004797.2)。需要说明的是，本发明所提出的容量检测方法有别于上述已存在的方法，其创造性在于，本发明提出的方法从理论的角度，避免了电池不可逆膨胀对压力测量的影响，并在计算方法中考虑了夹具和电池的力学性能参数，为电池在实际使用过程中的容量监测提供一种现实可行的方法。

技术实现思路

1、本发明提出了一种基于压力特征的锂离子动力电池循环容量监测方法。该方法旨在通过实时监测电池在充放电过程中的体积变化来精准评估电池容量，从而提高电池管理系统的性能和电池使用寿命，其具体步骤如下：

2、步骤一，针对一款目标电池，采集电池循环过程中由体积膨胀、收缩产生的压力信号；

3、步骤二，将步骤一所得的压力信号进行降噪处理，并根据降噪后的压力信号划分每次循环；

4、步骤三，计算电池每次循环产生的可逆膨胀力与可逆收缩力；

5、步骤四，根据可逆膨胀力、可逆收缩力变化特征和力学参数输入计算得到电池的充、放电容量。

6、优选地，目标电池为商用纽扣电池、方形电池和软包电池，或自制的扣式、方形电池或软包电池。

7、优选地，该方法的应用于电池膨胀完全受限的条件下，即在电极膨胀的垂直方向放置刚性夹具，夹具不因电池的体积变化而产生位移，在实际装配中所对电池施加垂直于电池表面的压缩力；

8、可选地，降噪处理方法包括但不限于移动平均滤波方法、小波变换去噪方法、机器学习等降噪方法。降噪后的信号应显著减少随机噪声和突发噪声，使得信号更加平滑和连续。该步骤是后续信号处理的必要步骤。

9、优选地，所述步骤二中根据降噪后的压力信号划分每次循环，其划分方法在于，计算压力信号的峰值和谷值，记一次峰值到下一次峰值为一次循环。

10、pi,peak＝{x|x(t)>x(t-t0)+α且x|x(t)>x(t+t0)+α}       (1)

11、pi,valley＝{x|x(t)<x(t-t0)+β且x|x(t)<x(t+t0)+β}       (2)

12、其中，x为压力信号值；t为该时；t0为测量间隔时间；α为峰值因子；β为谷值因子；pi,peak为一次循环的峰值，达到该值表示该次循环充电结束；pi,valley为一次循环的谷值，达到该值表示该次循环放电结束。

13、优选地，计算电池每次循环产生的可逆膨胀力与可逆收缩力，其方法如下：

14、△pi,c＝pi,peak-pi,valley                  (3)

15、△pi,d＝pi,valley-pi,peak                  (4)

16、其中△pi,c为第i此循环电池充电时的可逆膨胀力；△pi,d为第i次循环电池放电时的可逆收缩力；

17、优选地，计算容量的具体方法如下：

18、qi,c＝a·si,c  (5)

19、qi,d＝a·si,d  (6)

20、其中qi,c为一次循环的充电容量，qi,d为一次循环的放电容量；a为常数，可以根据目标电池的实际测量的得到；si,c为该次循环充电时的电池被压缩的位移，si,d为该次循环充电时的电池被压缩的位移。si,c根据以下关系式计算：

21、ks(si,c+s0)+kcsi,c＝ka1(sf-si,c)+ka2(sf-si,c)3 (7)

22、其中ks是夹具的等效刚度；kc是电池外壳的等效刚度；ka1是电池卷芯线性项的等效刚度；ka2是电池卷芯非线性项的等效刚度；上述参数可以通过力学性能测试获得；sf是卷芯该充放电条件下自由膨胀的位移；s0是该压力下电池和夹具整体的压缩厚度。sf和s0分别根据以下关系式计算：

23、

24、

25、其中，为电池在无受限条件下的膨胀位移，可以通过实际测量获得；s0c为当前压力下电池的压缩厚度，可以通过以下关系式计算：

26、

27、其中△pi代入上述步骤计算所得值△pi,c。

28、si,d与si,c计算方法相同，△pi代入上述步骤计算所得值△pi,d。

技术特征：

1.一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法。其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

2.根据权利要求1中所述一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，所述步骤一中，目标电池为商用纽扣电池、方形电池和软包电池，或自制的扣式、方形电池或软包电池。

3.根据权利要求1中所述一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，该方法的应用于电池膨胀完全受限的条件下，即在电极膨胀的垂直方向放置刚性夹具，夹具不因电池的体积变化而产生位移，在实际装配中所对电池施加垂直于电池表面的压缩力。

4.根据权利要求1中所述的一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，步骤二所述降噪处理方法包括但不限于移动平均滤波方法、小波变换去噪方法、机器学习等降噪方法。降噪后的信号应显著减少随机噪声和突发噪声，使得信号更加平滑和连续。该步骤是后续信号处理的必要步骤。

5.根据权利要求1中所述的一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，所述步骤二中根据降噪后的压力信号划分每次循环，其划分方法在于，计算压力信号的峰值和谷值，记一次峰值到下一次峰值为一次循环。

6.根据权利要求1中所述的一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，所述步骤三中计算电池每次循环产生的可逆膨胀力与可逆收缩力，计算方法如下：

7.根据权利要求1中所述的一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法，其特征在于，步骤四具体计算容量方法如下：

技术总结本发明涉及储能领域，提供了一种基于压力特征的锂离子动力电池的循环容量监测方法。其具体方法包括，针对一款目标电池，采集电池循环过程中由体积膨胀、收缩产生的压力信号；将所得压力信号进行降噪处理，并根据降噪后的压力信号划分每次循环；计算电池每次循环产生的可逆膨胀力与可逆收缩力；根据可逆膨胀力、可逆收缩力和力学参数输入计算得到电池的充、放电容量。本发明提出的方法考虑了实际装配条件以及电池的力学性能，避免了不可逆膨胀对压力测量的影响，为电池在实际使用过程中的容量监测提供一种现实可行的方法。技术研发人员：孔得朋,于越洋,平平受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）技术研发日：技术公布日：2024/10/17