基于微分电压分析法的锂离子电池组健康状况检测系统分析

基于微分电压分析法的锂离子电池组健

康状况检测系统分析

摘要：石油能源、煤炭能源及天然气能源的储量比较有限，少数能源在使用时能释放多种物质，从而造成温室效应和环境污染问题。锂电池在电子设备和电子仪器的应用很广，本文出于确保这些设备能稳定运行和安全使用的目的，在微分电压分析法的基础上，分析了锂离子电池组的健康状况的检测系统，以供业界参考。

关键词：微分电压分析法；锂离子电池组；健康状况检测系统

引言：现阶段，对可再生资源的利用和减少对不可持续利用的自然资源的使用是政府和个人的努力方向。电能这一常用可再生清洁能源既安全又高效，电池是储藏电能的主要手段，在人们的生活中占据着重要位置。锂离子电池的循环寿命很好，不但具有很高的储能比，能量的转换效率也非常高，是重要的储能手段。

一、锂离子电池发生老化的原因

在理想状态下，锂离子电池只会在正极与负极的工作状态之下出现标准化学反应，锂离子出现不可逆消耗的概率极低。不过在具体使用时，锂离子电池经常会出现副反应，还会时常出现化学反应[1]。在锂离子电池实际应用时或锂离子电池的每次充电过程及放电过程，均会使锂离子出现不可逆消耗反应，最终使锂离子电池在电池容量方面发生改变，并且这种改变属于不可逆改变，此外，它还会伴随循环次数不断增加而逐渐积累，从而明显影响锂离子电池性能。导致锂离子电池容量出现衰减的常见原因如下文所示：

（一）正极材料溶解

举例说明，在钴酸锂电池中，因为电解质的钴会不停溶解，最开始，少数游离态的钴会出现沉积，不能再次返回正极，在此情况下，正极活性物质出现不可

逆转地减少，使容量不断减小。此外，少数游离态钴将会抵达负极，如此会使SEI膜出现损耗，生成SEI膜将会对锂离子造成二次消耗，从而使电池化学系统能够参加反应的锂离子越来越少，导致锂离子电池在电池容量方面的损耗越来越大[2]。

(二）电解质分解

常见锂离子电解液是指锂离子盐构成的电解质与有机酸所组成的混合物溶剂。因为在电解液中，阴极和阳极相比，其活性更强，出现氧化还原反应的几率更高。所以，电解质在与有机溶剂出现氧化还原反应的过程中会不停出现损耗，使得电解质与有机溶剂发生双重损耗，从而使锂离子电池的性能得到降低。

（三）由于过充电和过放电所致的容量损失

如果电池存在过度充电问题，此时负极嵌入的锂离子将会大于结构承受的限界，电解质在出现锂离子沉积后同样会有氧化还原反应出现，使正极缺氧，在正极氧原子不断缺失的背景下，高电压区间会出现电极扭曲问题。电解液的氧化还原反应能够对活性物质造成消耗，锂离子的沉积会形成不溶物质，将电极排气孔堵塞，使得锂离子不断减少，充放电能力降低，而且会使电池容量不断衰减。

（四）自放电

锂离子电池时常会出现漏电现象，这是电池在进行自发放电反应，其类型包括可逆型与不可逆型。即使一般只有小容量损失不可逆，不过长此以往，依旧会严重影响电池的健康状态。导致不可逆自发放电出现的原因包括因为锂离子出现沉积所致的容量损失、由于电解质的氧化还原反应而出现的物质将多孔电机微孔堵塞所致的等效内阻的增大。

（五）出现SEI界面膜

以锂-石墨电池为例，在其第一次循环放电时，少量锂原子和非水溶剂进行反应，出现了初始不可逆容量。反应的产物于碳表面生成锂离子导体以及电子绝缘层，这便是固体电解质（SEI膜）。如果SEI膜出现，锂离子经由SEI膜可逆嵌入碳，如果碳电极电势始终小于电解质分解电势，同样能够进行，可以避免碳

电极中的电解质抑制分解。由于SEI膜应该在消耗锂离子前提下出现，伴随锂电池循环充放电，SEI膜将会越来越厚，使锂离子含量不断下降。而且SEI膜会对少量石墨粒子进行消耗，会对负极造成不利影响，也会使得电池容量不断衰减。SEI膜出现不但对锂离子造成消耗，而且防止阳极电解质分解，即使电池容量不断衰减，又可以适当地减缓容量衰减。

（六）集流体腐蚀

大多锂离子电池的正极集流体材料使用的是铝箔，负极集流体材料使用的是铜箔，它们均会接触电解质，极易被其腐蚀。伴随集流体材料的腐蚀，电池等效内阻将增大，使电池容量不断衰减。

（七）副反应消耗活性锂

在多种温度状态中，锂离子电池内部的活性锂离子均会在副反应中遭到消耗，或形成沉积，对副反应来说，它的剧烈和复杂程度将伴随温度提高而增大，如果温度只有25℃，此时副反应影响比较弱，如果温度升高至60℃，此时副反应影响很强劲。所以，锂离子电池容量损耗，不单是由于使用时的老化，还有一定几率是由于存放而导致的容量损失，这种情况在存放环境大于室温的情况下表现更甚。

二、锂离子电池组健康状况检测系统

（一）系统整体结构

锂离子电池组健康状况监测系统的硬件部分除了ARM系列STM32系统及MAX17830系统之外，还有PWM恒流放电、恒流充电、电流检测、锂离子电池的散热装置。CPU即STM32系统的功能：利用IIC通讯协议来初始化MAX17830芯片，首先对电流检测和温度检测的装置进行初始化，随后对PWM恒流放电和恒压充电系统进行驱动，使其充放电锂离子电池，之后利用I/0口，由寄存器中对MAX17830所采集的数据进行读取，并且分析和整理这些数据，对最后的测试结果进行提出，即每节锂离子电池健康状况的估计结果。

由于串联结构和并联结构是锂离子电池组的主要构成，测试芯片为MAX17830，因为此芯片可以进行分布式通信与菊链通信传输，所以能够适合测量串并联结构下的锂离子电池组数据。一块MAX7830芯片至多可以检测的锂离子电池数为12节，在链式连接MAX17830 后，利用多路 MAX17830能够测量串并联结构下的锂离子电池组。MAX17830可以利用IIC通信协议和CPU交互，并且采集电池组所有电池端的电压数据，对温度检测装置的信号进行读取，把所得数据利用IIC通信协议传送至CPU存储。使用QT5软件对锂离子电池的健康状况检测的上位机软件进行编写，达到人机交互目的。软件的功能模块除了有检测页面的显示部分模块、检测开始模块、停止命令模块之外，还有校准健康状况测试系统模块、设置锂离子电池组节数结构的模块、设置检测次数模块。

（二）系统功能测试

第一，测试PWM恒流电子负载仪的工作。其功能是对能够起到调节变化作用的负载进行提供，让锂电池组的所有串联部分是恒流2A放电，于是利用单路串联锂电池组，以恒流放电的方式来测试电池组的电子负载。

实验结果表明，电池组在63秒的放电电流为2A，而且一直使用2A电流进行放电，在放电末端出现波动，此时电池组的多数锂电池电压为 1.5V，都小于1.7V，比锂电池的工作电压低，说明PWM斩波电子负载仪可以被当作2A横流负载，适合用在锂离子电池组的SOH检测系统中。

第二，进行温度及电流检测的功能测试。使用恒温箱来模拟多种环境温度，对DS18B20测温电路进行使用，在测试完成后比对实测的数据。

在测试中，展示五个温度点测量之后的结果，低温状况下的测温电路的准确性较低，０℃的误差为０.３℃，此时误差比较大，不过没能大于精度的误差范畴。恒温箱如果处于０℃恒温，则有一定几率会出现温度漂移，测量的结果处在能够接受的范围中。在规定的工作温度达到２０℃时，测温电路的精度较高，测温的结果能够符合标准。对电子负载仪进行应用，设定放电电流，使用电流检测电路来检测其电流值。结果表明电流检测可以通过测试。