本發(fā)明涉及電池自放電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰離子電池自放電檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著全球能源緊缺的加劇，新能源產(chǎn)業(yè)悄然興起，具有較好應(yīng)用前景的二次電池技術(shù)被爭(zhēng)相研究。鋰離子電池因其本身無(wú)污染、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特性被廣泛應(yīng)用在各種儀表和電動(dòng)汽車(chē)上作為能源系統(tǒng)。而鋰離子電池自放電現(xiàn)象的存在不僅造成電池本身能量的損失，還會(huì)因各電池間自放電的不一致性導(dǎo)致鋰電池組壽命減少，容量迅速衰減，引起電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)電池荷電狀態(tài)(SOC)的預(yù)測(cè)出現(xiàn)較大誤差，電動(dòng)車(chē)控制策略失效，致使電動(dòng)車(chē)電池系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)放電等嚴(yán)重問(wèn)題。

然而，由于自放電發(fā)生在電池內(nèi)部，目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有測(cè)量手段都不能對(duì)電池自放電進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與診斷。這是因?yàn)殡姵刈苑烹娪址Q荷電保持能力，它是指在開(kāi)路狀態(tài)下，電池儲(chǔ)存的電量在一定環(huán)境條件下的保持能力。電池自放電按照反應(yīng)類(lèi)型的不同可以分為物理自放電和化學(xué)自放電。物理自放電主要是由于在制造工藝和儲(chǔ)存條件過(guò)程中，電池隔膜上的正負(fù)極的金屬雜質(zhì)經(jīng)過(guò)充電反應(yīng)后在負(fù)極析出物和粉塵、集流體毛刺擊穿隔膜而造成物理微短路所致。而化學(xué)自放電是由電池內(nèi)部自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的容量減小的現(xiàn)象。理論與實(shí)驗(yàn)證明，電池內(nèi)部的自放電過(guò)程是非常復(fù)雜的，往往伴隨著兩種自放電同時(shí)進(jìn)行。

由于以副反應(yīng)和微短路為特征的自放電現(xiàn)象，會(huì)引發(fā)電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理與化學(xué)性能的變化，因此，綜合檢查電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理與化學(xué)性能是測(cè)量電池自放電的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的容量損耗直接測(cè)量的定義法、開(kāi)路電壓衰減率測(cè)量法和容量保持法僅以電池的物理特性，如電池容量，充放電壓與電流和內(nèi)阻，來(lái)作為自放電的唯一測(cè)量參數(shù)，而忽略了對(duì)其結(jié)構(gòu)形態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量與分析，增加了測(cè)量數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，從而導(dǎo)致這些方法出現(xiàn)了測(cè)量周期長(zhǎng)和數(shù)據(jù)可靠性差的問(wèn)題。

盡管，有些國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用電子顯微鏡微區(qū)、表面分析術(shù)，X射線衍射術(shù)、紅外光譜和小角激光散射等方法對(duì)自放電的電芯材料微觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但其具有制樣的破環(huán)性、觀察范圍窄、代表性差和兩維性等不足，難以完整而定量地表現(xiàn)出生產(chǎn)過(guò)程中的電芯材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)多維形態(tài)的變化與其自放電的關(guān)系，極大地阻礙了電池自放電測(cè)技術(shù)發(fā)展和動(dòng)力電池技術(shù)水平的提高。為此，本發(fā)明在已有的研究工作上，根據(jù)高能量密度電池系統(tǒng)工程和計(jì)算機(jī)斷層掃描理論，綜合利用基于電池電參數(shù)(容量、電壓與電流特性、內(nèi)阻)的檢測(cè)和面向物質(zhì)衰減系數(shù)的數(shù)字X射線層析成像術(shù)，開(kāi)發(fā)基于介觀尺度的鋰離子電池自放電智能檢測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鋰離子電池自放電檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)鋰離子電池的X射線層析結(jié)構(gòu)形態(tài)圖像及其電化學(xué)特性參數(shù)信息，系統(tǒng)而定量的分析鋰離子電池層析圖像信息與其電化學(xué)特性同電池自放電之間的關(guān)系，解決鋰離子電池自放電難于實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)檢測(cè)難題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種鋰離子電池自放電檢測(cè)系統(tǒng)，包括層析成像測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中：

所述層析成像測(cè)量系統(tǒng)用于獲得重建鋰離子電池三維層析圖像所需的完整數(shù)據(jù)；

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于將所述層析成像測(cè)量系統(tǒng)的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換處理；

所述電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)用于獲取鋰離子電池電壓、電流、容量參數(shù)，以及體現(xiàn)電池反應(yīng)機(jī)理的電化學(xué)特性信息，所述電化學(xué)特性信息包括交流阻抗；

所述檢測(cè)控制系統(tǒng)主要用于采集數(shù)據(jù)過(guò)程的掃描控制以及綜合鋰離子電池層析結(jié)構(gòu)形態(tài)圖像信息與其電化學(xué)特性參數(shù)得到鋰離子電池的自放電率，并對(duì)得到的自放電率信息進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)處理。

進(jìn)一步地，所述層析成像測(cè)量系統(tǒng)包括X射線源、鋰離子電池、光電探測(cè)器、樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)，

所述層析成像測(cè)量系統(tǒng)利用X射線的光子流與鋰離子電池結(jié)構(gòu)中的原子相互作用，光電探測(cè)器對(duì)掃描過(guò)程中的光電信號(hào)作連續(xù)地記錄。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括信號(hào)放大器、AD轉(zhuǎn)換器，

所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要指的是從光電探測(cè)器輸出直到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)讀入之間的電子電路，用于將從光電探測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換處理。

進(jìn)一步地，所述電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)包括恒電位儀、恒電流儀、電化學(xué)交流阻抗分析儀，

所述電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)用于檢測(cè)電池電壓、電流、容量基本參數(shù)，以及檢測(cè)體現(xiàn)電池反應(yīng)機(jī)理的交流阻抗參數(shù)，從而完成對(duì)多種狀態(tài)下電池參數(shù)的跟蹤和分析。

進(jìn)一步地，所述檢測(cè)控制系統(tǒng)包括掃描控制模塊、圖像處理模塊、智能檢測(cè)模塊、LCD顯示模塊，

所述掃描控制模塊的用于按照預(yù)定的掃描模式對(duì)控制各運(yùn)動(dòng)分系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令、測(cè)定運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置并通過(guò)反饋系統(tǒng)保證運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性符合預(yù)定的技術(shù)要求、同步地控制射線源及射線測(cè)量系統(tǒng)按照預(yù)定的位置讀出測(cè)量投影數(shù)據(jù)；

所述圖像處理模塊用于鋰離子電池的三維層析圖像的重建，從電池零部件層析圖像中提取電芯極板、隔膜、電解液、雜質(zhì)和單體電池層析圖像以及對(duì)層析圖像的分析處理；

所述智能檢測(cè)模塊用于綜合考慮電池零部件層析結(jié)構(gòu)形態(tài)及其物理化學(xué)特性，分析出電池層析結(jié)構(gòu)形態(tài)及其電化學(xué)特性參數(shù)與電池自放電之間的關(guān)系，從而得到鋰離子電池的自放電率，并對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)處理；

所述LCD顯示模塊用于對(duì)自放電率信息進(jìn)行顯示。

進(jìn)一步地，所述輔助系統(tǒng)包括輔助電源和輻射安全系統(tǒng)，用于提供備用電源和隔離輻射。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下效果:

該系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池綜合運(yùn)用層析結(jié)構(gòu)圖像化測(cè)量和電化學(xué)特性參數(shù)檢測(cè)，克服現(xiàn)有檢測(cè)方法不足，如：國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的容量損耗直接測(cè)量的定義法、開(kāi)路電壓衰減率測(cè)量法和容量保持法僅以電池的物理特性，如電池容量，充放電壓與電流和內(nèi)阻，來(lái)作為自放電的唯一測(cè)量參數(shù)；有些國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用電子顯微鏡微區(qū)、表面分析術(shù)，X射線衍射術(shù)、紅外光譜和小角激光散射等方法對(duì)自放電的電芯材料微觀形態(tài)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但其具有制樣的破環(huán)性、觀察范圍窄、代表性差和兩維性。該系統(tǒng)通過(guò)鋰離子電池的X射線層析結(jié)構(gòu)形態(tài)圖像及其電化學(xué)特性參數(shù)信息，揭示鋰離子電池的正、負(fù)電極、隔膜和電解液性能等與其自放電相互作用的機(jī)理，分析電池層析圖像信息與其電化學(xué)特性同電池自放電之間的關(guān)系，解決鋰離子電池自放電難于實(shí)時(shí)、無(wú)損、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)難題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種鋰離子電池自放電系統(tǒng)的模塊示意圖。

圖2是圖1中層析成像測(cè)量系統(tǒng)的模塊示意圖。

圖3是圖1中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)的模塊示意圖。

圖4是圖1中電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)的模塊示意圖。

圖5是圖1中檢測(cè)控制系統(tǒng)的模塊示意圖。

圖6是圖1中層析成像測(cè)量系統(tǒng)的工作原理示意圖。

圖7是圖1中檢測(cè)控制系統(tǒng)的工作原理示意圖。

圖8是本發(fā)明一種鋰離子電池自放電系統(tǒng)的工作原理示意圖。

具體實(shí)施方式

本專利提出的一種鋰離子電池自放電檢測(cè)系統(tǒng),結(jié)合附圖說(shuō)明如下：

請(qǐng)參閱圖1, 一種鋰離子電池自放電檢測(cè)系統(tǒng)，包括層析成像測(cè)量系統(tǒng)1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2、電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)3、和檢測(cè)控制系統(tǒng)4。

如圖2，所述層析成像測(cè)量系統(tǒng)1包括X射線源11、鋰離子電池12、光電探測(cè)器13、樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)14及輔助系統(tǒng)15(如輔助電源和輻射安全系統(tǒng)等），用于獲得重建鋰離子電池三維層析圖像所需的完整數(shù)據(jù)。

如圖3，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2包括信號(hào)放大器21、AD轉(zhuǎn)換器22，用于將從光電探測(cè)器13輸出信號(hào)進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換等處理。

如圖4，所述電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)3包括恒電位儀31、恒電流儀32、電化學(xué)交流阻抗分析儀33，用于獲取電池電壓、電流、容量等基本參數(shù)，以及體現(xiàn)電池反應(yīng)機(jī)理的交流阻抗參數(shù)等電化學(xué)特性信息。

如圖5，所述檢測(cè)控制系統(tǒng)4包括掃描控制模塊41、圖像處理模塊42、智能檢測(cè)模塊43、LCD顯示模塊44，主要用于采集數(shù)據(jù)過(guò)程的掃描控制，鋰離子電池三維層析圖像的重建、分析和處理以及鋰離子電池的自放電率檢測(cè)、顯示以及存儲(chǔ)等。

本發(fā)明在鋰離子電池自放電檢測(cè)具體實(shí)施步驟如下：

參照?qǐng)D6、圖7及圖8，檢測(cè)開(kāi)始時(shí)，待測(cè)鋰離子電池被傳送到樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)14的測(cè)量臺(tái)上，檢測(cè)控制系統(tǒng)4中的掃描控制模塊41使層析成像測(cè)量系統(tǒng)1中的X射線源11發(fā)出的X射線，穿過(guò)位于樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)14測(cè)量臺(tái)上的被測(cè)鋰離子電池12。根據(jù)原子核物理學(xué)的原理，當(dāng)X射線穿越鋰離子電池12時(shí)，其光子流將與鋰離子電池12中的原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓和電子對(duì)效應(yīng)，并發(fā)出相應(yīng)的光電信號(hào)，這些光電信號(hào)攜帶了鋰離子電池結(jié)構(gòu)形態(tài)的信息。

為了獲取鋰離子電池的三維截面信息，還需通過(guò)掃描控制模塊41使樣品掃描機(jī)械系統(tǒng)14帶動(dòng)鋰離子電池12做連續(xù)地掃描運(yùn)動(dòng)以及通過(guò)控制光電探測(cè)器13對(duì)掃描過(guò)程中的光電信號(hào)作連續(xù)地記錄。

接著，這些光電信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2，信號(hào)進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換等處理，將以數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)入圖像處理模塊42。

在圖像處理模塊42中，對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字圖像處理和重建，從電池零部件層析圖像中提取電芯極板、隔膜、電解液、雜質(zhì)和單體電池層析圖像。結(jié)合電池零部件組分及其雜質(zhì)組分形態(tài)、濃度、溫度和自放電的分析和相關(guān)電池充放電性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出具有自放電特征的各種電池零部件及其雜質(zhì)層析圖像信息，進(jìn)而獲得介觀尺度的電池零部件及其雜質(zhì)組分層析結(jié)構(gòu)形態(tài)圖像，該圖像表現(xiàn)了電池零部件及其雜質(zhì)層析結(jié)構(gòu)形態(tài)及其物理化學(xué)特性。

同時(shí)，電化學(xué)特性測(cè)量系統(tǒng)3獲取鋰離子電池12電壓、電流、容量等基本參數(shù)，以及體現(xiàn)電池反應(yīng)機(jī)理的交流阻抗參數(shù)等電化學(xué)特性信息。

智能檢測(cè)模塊43通過(guò)鋰離子電池的電芯極板、隔膜、電解液和雜質(zhì)的層析結(jié)構(gòu)形態(tài)圖像及其電化學(xué)特性信息，獲取電池零部件及其雜質(zhì)的物理與化學(xué)狀態(tài)的數(shù)字及其圖像信息。接著，從測(cè)量信息中分析電池零部件物理與化學(xué)狀態(tài)與單體電池自放電率和內(nèi)阻之間關(guān)系，得到電池零部件及雜質(zhì)層析結(jié)構(gòu)形態(tài)與電化學(xué)特性同鋰離子電池自放電定量關(guān)系，從而實(shí)時(shí)、精確的獲得鋰離子電池的自放電特性，得到鋰離子電池的自放電率，對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)等處理，并通過(guò)LCD顯示模塊44進(jìn)行顯示。

根據(jù)得到的電池的自放電率，可直觀地將自放電率較大的單體電池剔除，同時(shí)對(duì)自放電率滿足要求的單體電池作進(jìn)一步分類(lèi)，有利于提升單體電池在配組中的一致性。

需要說(shuō)明的是,上文只是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行示意性說(shuō)明和闡述,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白,對(duì)本發(fā)明的任意修改和替換都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。