锂电池自放电测量方法：动态测量法！

锂电联盟会长 2024-09-13 09:30

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为了缩短测量时间、节省空间资源和人力资源，研究人员也作了很多尝试。一种方法是通过改变环境温度和电池的SOC等条件来加快自放电速率，使测量参数可以在较短的时间内有相对较大的变化。这种方法虽然节约了实验时间，但同时也加快了电池的老化，增加了对电池的损伤，只适用于实验室研究，不适合在实际生产中大规模应用。另外一种方法则是在现有较为成熟的锂离子电池等效电路模型的基础上，引入自放电电阻，通过不同的参数识别手段，在动态过程中测量锂离子电池的自放电率。

李革臣等[1-2]利用自动化系统辨识理论，将锂离子电池简化为一阶电阻-电容(R-C)等效电路，对锂离子电池和等效电路施加相同的充放电电流，根据输出电压的差异调整等效电路的参数，直到二者差异趋近于零，就得到了锂离子电池自放电电阻值。这种方法需要的总测量时间约为12h。但是，该方法将电池等效为一个无源电路，未考虑在实验过程中电池荷电状态变化对输出电压产生的影响。

Schmidt等[3]将电池简化为如图1所示的等效电路。其中：Rp,i为电化学反应电阻，Cp,i为双电层电容，Rself为自放电电阻，C为电池等效电容。通过对锂离子电池施加短时间的电流脉冲，测量随后静置过程中的电压变化，进一步解析得到自放电电阻值。该方法仅考虑静置时每一阶段起主导作用的反应，将复杂的反应机理解耦，在减少计算量的同时也缩短了测量时间。

图1 文[3]所用锂离子电池等效电路

具体来讲，静置初期起主导作用的是过电压的恢复，静置末期电池的自放电才起主导作用。可通过静置末期的数据分析自放电的时间常数，再补偿过电压恢复期自放电导致的电压降，求解电池等效电容，最终得到自放电电阻值。该方法可以在10～48h内得到锂离子电池的自放电电阻，与传统方法相比节省很多时间，但为观察到自放电起主导作用的阶段，仍需消耗大量静置时间。

Ouyang等[4]将电池内短路的影响分为两大类，分别是参数效应和消耗效应。其中：参数效应是指由于短路电阻的存在，导致测量的开路电压和内阻相对真实值有一定偏差；消耗效应是指由于短路电阻的存在，电池内部存储的能量不断被消耗，电池SOC不断下降，这将导致电池开路电压和内阻的真实值相对正常值产生一定的偏差。

式(10)和(11)所示的电池差异模型中：Ei为电池开路电压，Ri为电池内阻，Ui和I分别为测得的电池电压及电流。利用递归最小二乘方法求得ΔEi和ΔRi的值，最后通过统计学方法识别超出阈值的异常参数，从而判断电池是否出现内短路。在短路电阻为100Ω时，该方法最快可在4h43min内实现内短路的辨识。

以上3种动态测量方法，通过引入等效电路等手段将锂离子电池进行简化，并采用了创新性的实验方法解析出自放电电阻值，在缩短测量时间方面取得了较大的进展。

静态测量和动态测量两类锂离子电池自放电率的测量方法，得出的主要结论包括以下3点：

1、发生在负极/电解液和正极/电解液界面的副反应是锂离子电池自放电的主要来源，可以通过对正极表面进行改性，在负极、电解液中加入添加剂等手段，抑制自放电的发生。

2、在电池的存储过程中，应尽量避免处于过高或过低的SOC状态，并且环境温度和湿度应保持在一个相对较低的范围内。

3、目前主流的自放电测量方法是以长时间静置实验为基础的静态测量。该类方法的最大问题是测量时间过长，造成空间和人力资源的巨大浪费。研究人员提出了一些结合等效电路模型进行参数辨识的动态测量方法，这些方法在缩短测量时间方面取得了一定的进展。通过创新性实验设计，在动态过程中完成对自放电的解耦识别，是未来实现自放电快速测量的关键路径和发展方向。

参考：裴普成, 陈嘉瑶, 吴子尧. 锂离子电池自放电机理及测量方法[J]. 清华大学学报：自然科学版, 2019, 59(1):13.

[1]李革臣，赵旭，杨琳，等．动力电池自放电测量新技术原理与应用[J]．新材料产业，2012(9):75-78．

[2]李然．锂动力电池健康度评价与估算方法的研究[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2016．

[3]Schmidt J P , Weber A , E Ivers-Tiffée. A novel and fast method of characterizing the self-discharge behavior of lithium-ion cells using a pulse-measurement technique[J]. Journal of Power Sources, 2015.

[4] Ouyang M , Zhang M , Feng X , et al. Internal short circuit detection for battery pack using equivalent parameter and consistency method[J]. Journal of Power Sources, 2015, 294(oct.30):272-283.

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