基于鋰電池高壓放電檢測的裝置設計與研究

束登峰 汪志成 王海洋 黃澤海 陳金明

（東華理工大學 機械與電子工程學院，南昌 330013）

退役的車用鋰離子電池組具有梯次利用價值，剩余的可用容量仍能夠用于對電池組要求并不高的設備，如電拖車、電叉車等低速車或儲能設備等。由于退役電池一致性差，需要評估各單體電池的健康狀態（State of Health，SOH），以確定其梯次應用場景。目前，對單體電池檢測的方法都有其弊端，無法兼顧檢測效率和精確度，因此研究一種精確高效的鋰電池SOH 評估方法及設備具有很大的市場前景。在電池使用過程中，隨著其不斷老化，內阻增大，電化學反應變得遲緩，在高壓靜電場中的放電聲音也可能會發生變化[1]。

1 高壓放電鋰電池檢測機理

1.1 高壓放電發聲原理

高壓電場下鋰電池放電發聲，實際上是高壓電極與電池電極之間發生空氣電離[2]。Townsend 理論認為，自由電子在高壓電場力的作用下加速運動，與空氣中微觀粒子產生碰撞，空氣被電離生成新的電子與離子。隨著電子的持續撞擊，電子與離子呈現指數式增加形成電子崩，產生放電現象[3]。若電場力比較小，會聽到“嗞嗞”的聲音，證明在電極周圍發生了電暈放電。若電場力足夠大，空氣將被擊穿，出現電弧通路，呈現為清脆的“啪啪”聲。在電池檢測上，可以根據空氣擊穿后的聲音信號差異評估電池的SOH。

1.2 高壓放電與電池SOH 的聯系

根據Townsend 放電理論，隨著電子崩中正離子從高電勢向低電勢撞擊，低電勢金屬表面不斷溢出電子來彌補引起電子碰撞游離所需的有效電子[4]。當陰極金屬表面源源不斷逸出自由電子時，若取消外界光游離的條件可以繼續放電，則說明滿足了自持放電的要求，此時氣隙達到了擊穿條件。研究中使用方殼型磷酸鐵鋰電池的電極作為高壓放電的陰極。在外加高壓電場相同的情況下，不同SOH 電池的放電能力并不一致，放電過程中電荷遷移與補給的能力也不相同，導致放電的聲音波形發生變化。

2 總體設計方案

2.1 設計要求

基于高壓放電的鋰電池SOH 快速檢測系統需要根據放電聲音特征，在短時間內完成電池的高壓放電、聲音采集及SOH 評估整套流程，而且檢測方式不對電池造成損傷，聲音采集應在密閉環境下進行。

2.2 裝置結構設計

為了提高檢測效率，整體過程采用傳送帶式，包括進料、檢測和卸料環節，其中檢測部分最關鍵[5]。檢測部分的難點在于如何在適當位置完成電池和高壓電源的電氣連接，并且在檢測結束后順利將電池運輸出去。檢測環節裝置設計，如圖1 所示。采用4 根同步運動的絲杠直線滑臺與型材連接作為升降臺，帶動高壓電極和銅箔上下運動。電極和銅箔分別連接高壓電源的高壓線和地線。當電池到達檢測位置時，升降臺下移，此時電極與電池正極柱處于同一水平面，而銅箔則緊貼電池的負極柱。檢測完成后，升降臺上移，電池可由裝置右側的固定門通過。固定門下方的升降門通過連接板與升降臺固接，高度為50 mm。

圖1 檢測環節裝置設計

電池傳送系統，如圖2 所示。托盤從Ⅰ級傳送帶左端運動至右端，完成卸料后再原路返回。擋板用于對電池卸料，過渡板起到電池從Ⅰ級傳送帶到Ⅱ級傳送帶的承接轉運作用。傳送過程中，電池需要在升降門內部停留幾分鐘，以完成放電聲音的采集及SOH評估。Ⅱ級傳送帶右端有收集箱，用于收集過渡板上檢測完成后運送過來的電池。

圖2 傳送系統

2.3 控制系統設計

Ⅰ級傳送帶及檢測箱體的運動均由TC55V 運動控制器控制。通過運動控制器內部的程序編寫，可以設定傳送帶和升降臺的動作邏輯與運行時間，并通過兩個按鈕開關發出相應的運動指令。電池檢測系統接線圖如圖3 所示。SW3 為傳送帶啟動開關，SW4 為旋鈕開關。用于傳送帶的調速。運動控制器和升降臺的步進驅動器均外接24 V 直流電源。按下按鈕開關SW1，電池檢測系統執行進料（托盤由初始位置至檢測位置）和升降臺下行2 個步驟。按下按鈕開關SW2，電池檢測系統執行升降臺上行、出料（托盤由檢測位置至卸料位置）和回程（托盤由卸料位置至初始位置）3 個步驟。

圖3 電池檢測系統接線

從電池放入托盤到托盤回程，為單個電池檢測的整體流程。設定Ⅰ級傳送帶速度為20 mm·s-1，升降臺速度為15 mm·s-1。若忽略設備的預先調節和按鈕時間，則單個電池檢測的耗時統計如表1 所示。

表1 單個電池檢測時間統計

采集電池的放電聲音為60 s，預測在3 min 內完成SOH 評估，單個電池檢測整體耗時將在5 min 以內。如果采用傳統的循環充放電方式檢測，在1C 倍率下電池充放電一次耗時2 h，那么從時間上來看，基于高壓放電的聲音檢測方法具有絕對優勢。

3 基于放電聲音生成聲譜圖

對電池放電聲音的預處理主要包括預加重和分幀加窗[6]。把每一幀離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）后的頻譜圖在時間上堆疊起來，就可以得到聲譜圖。聲譜圖將一維的聲音波形轉換成三維的圖像特征，綜合了時域和頻域信號的特點，從時間、頻率、能量密度3 個維度來描述聲音信息。

電池在高壓靜電場中的放電聲音主要集中在10 kHz左右，因此聲譜圖頻率范圍選取0 ～25 kHz，以提取更加完整的聲音頻率與能量密度等特征信息。圖4 為3 個不同SOH 的電池在相同條件下的放電聲譜圖。

圖4 不同SOH 電池高壓放電聲譜圖

圖4中，亮度部分代表電池放電過程中的能量大小，豎線條紋的數量表示10 s 內空氣擊穿次數。可見，高亮部分均集中在10 kHz 附近。圖4（a）高亮部分在頻率上分布較窄，在時間上跨度很小，而且豎線條紋數量多、區分明顯，說明放電非常穩定，放電聲音清脆。圖4（b）中高亮部分在頻率上分布有所加寬，而且跨越整個10 s 的時間范圍，豎線條紋數量明顯減少，說明該電池放電能力有所下降，單次空氣擊穿聲音冗長，包含除空氣擊穿以外其他頻段的聲音。圖4（c）中高亮部分分布較寬，豎線條紋模糊難以辨認，說明電池老化嚴重，電子遷移與補給能力衰退，導致沒有足夠的電子保證空氣的持續擊穿，放電聲音始終雜亂，呈現“嗞嗞”的聲音特性。

4 結語

在分析鋰電池高壓放電聲音與SOH 關聯的基礎上，設計并搭建方殼鋰電池快速檢測裝置，進行電池的流水線式檢測。單個電池檢測時間在5 min 以內，將極大降低退役動力電池檢測的時間成本。將采集的聲音信號生成聲譜圖，發現不同SOH 電池的頻率分布和能量密度存在較大差異，為進一步進行電池SOH在線評估提供了可能。