基于锂电池高压放电检测的装置设计与研究

束登峰 汪志成 王海洋 黄泽海 陈金明

（东华理工大学 机械与电子工程学院，南昌 330013）

退役的车用锂离子电池组具有梯次利用价值，剩余的可用容量仍能够用于对电池组要求并不高的设备，如电拖车、电叉车等低速车或储能设备等。由于退役电池一致性差，需要评估各单体电池的健康状态（State of Health，SOH），以确定其梯次应用场景。目前，对单体电池检测的方法都有其弊端，无法兼顾检测效率和精确度，因此研究一种精确高效的锂电池SOH 评估方法及设备具有很大的市场前景。在电池使用过程中，随着其不断老化，内阻增大，电化学反应变得迟缓，在高压静电场中的放电声音也可能会发生变化[1]。

1 高压放电锂电池检测机理

1.1 高压放电发声原理

高压电场下锂电池放电发声，实际上是高压电极与电池电极之间发生空气电离[2]。Townsend 理论认为，自由电子在高压电场力的作用下加速运动，与空气中微观粒子产生碰撞，空气被电离生成新的电子与离子。随着电子的持续撞击，电子与离子呈现指数式增加形成电子崩，产生放电现象[3]。若电场力比较小，会听到“嗞嗞”的声音，证明在电极周围发生了电晕放电。若电场力足够大，空气将被击穿，出现电弧通路，呈现为清脆的“啪啪”声。在电池检测上，可以根据空气击穿后的声音信号差异评估电池的SOH。

1.2 高压放电与电池SOH 的联系

根据Townsend 放电理论，随着电子崩中正离子从高电势向低电势撞击，低电势金属表面不断溢出电子来弥补引起电子碰撞游离所需的有效电子[4]。当阴极金属表面源源不断逸出自由电子时，若取消外界光游离的条件可以继续放电，则说明满足了自持放电的要求，此时气隙达到了击穿条件。研究中使用方壳型磷酸铁锂电池的电极作为高压放电的阴极。在外加高压电场相同的情况下，不同SOH 电池的放电能力并不一致，放电过程中电荷迁移与补给的能力也不相同，导致放电的声音波形发生变化。

2 总体设计方案

2.1 设计要求

基于高压放电的锂电池SOH 快速检测系统需要根据放电声音特征，在短时间内完成电池的高压放电、声音采集及SOH 评估整套流程，而且检测方式不对电池造成损伤，声音采集应在密闭环境下进行。

2.2 装置结构设计

为了提高检测效率，整体过程采用传送带式，包括进料、检测和卸料环节，其中检测部分最关键[5]。检测部分的难点在于如何在适当位置完成电池和高压电源的电气连接，并且在检测结束后顺利将电池运输出去。检测环节装置设计，如图1 所示。采用4 根同步运动的丝杠直线滑台与型材连接作为升降台，带动高压电极和铜箔上下运动。电极和铜箔分别连接高压电源的高压线和地线。当电池到达检测位置时，升降台下移，此时电极与电池正极柱处于同一水平面，而铜箔则紧贴电池的负极柱。检测完成后，升降台上移，电池可由装置右侧的固定门通过。固定门下方的升降门通过连接板与升降台固接，高度为50 mm。

图1 检测环节装置设计

电池传送系统，如图2 所示。托盘从Ⅰ级传送带左端运动至右端，完成卸料后再原路返回。挡板用于对电池卸料，过渡板起到电池从Ⅰ级传送带到Ⅱ级传送带的承接转运作用。传送过程中，电池需要在升降门内部停留几分钟，以完成放电声音的采集及SOH评估。Ⅱ级传送带右端有收集箱，用于收集过渡板上检测完成后运送过来的电池。

图2 传送系统

2.3 控制系统设计

Ⅰ级传送带及检测箱体的运动均由TC55V 运动控制器控制。通过运动控制器内部的程序编写，可以设定传送带和升降台的动作逻辑与运行时间，并通过两个按钮开关发出相应的运动指令。电池检测系统接线图如图3 所示。SW3 为传送带启动开关，SW4 为旋钮开关。用于传送带的调速。运动控制器和升降台的步进驱动器均外接24 V 直流电源。按下按钮开关SW1，电池检测系统执行进料（托盘由初始位置至检测位置）和升降台下行2 个步骤。按下按钮开关SW2，电池检测系统执行升降台上行、出料（托盘由检测位置至卸料位置）和回程（托盘由卸料位置至初始位置）3 个步骤。

图3 电池检测系统接线

从电池放入托盘到托盘回程，为单个电池检测的整体流程。设定Ⅰ级传送带速度为20 mm·s-1，升降台速度为15 mm·s-1。若忽略设备的预先调节和按钮时间，则单个电池检测的耗时统计如表1 所示。

表1 单个电池检测时间统计

采集电池的放电声音为60 s，预测在3 min 内完成SOH 评估，单个电池检测整体耗时将在5 min 以内。如果采用传统的循环充放电方式检测，在1C 倍率下电池充放电一次耗时2 h，那么从时间上来看，基于高压放电的声音检测方法具有绝对优势。

3 基于放电声音生成声谱图

对电池放电声音的预处理主要包括预加重和分帧加窗[6]。把每一帧离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）后的频谱图在时间上堆叠起来，就可以得到声谱图。声谱图将一维的声音波形转换成三维的图像特征，综合了时域和频域信号的特点，从时间、频率、能量密度3 个维度来描述声音信息。

电池在高压静电场中的放电声音主要集中在10 kHz左右，因此声谱图频率范围选取0 ～25 kHz，以提取更加完整的声音频率与能量密度等特征信息。图4 为3 个不同SOH 的电池在相同条件下的放电声谱图。

图4 不同SOH 电池高压放电声谱图

图4中，亮度部分代表电池放电过程中的能量大小，竖线条纹的数量表示10 s 内空气击穿次数。可见，高亮部分均集中在10 kHz 附近。图4（a）高亮部分在频率上分布较窄，在时间上跨度很小，而且竖线条纹数量多、区分明显，说明放电非常稳定，放电声音清脆。图4（b）中高亮部分在频率上分布有所加宽，而且跨越整个10 s 的时间范围，竖线条纹数量明显减少，说明该电池放电能力有所下降，单次空气击穿声音冗长，包含除空气击穿以外其他频段的声音。图4（c）中高亮部分分布较宽，竖线条纹模糊难以辨认，说明电池老化严重，电子迁移与补给能力衰退，导致没有足够的电子保证空气的持续击穿，放电声音始终杂乱，呈现“嗞嗞”的声音特性。

4 结语

在分析锂电池高压放电声音与SOH 关联的基础上，设计并搭建方壳锂电池快速检测装置，进行电池的流水线式检测。单个电池检测时间在5 min 以内，将极大降低退役动力电池检测的时间成本。将采集的声音信号生成声谱图，发现不同SOH 电池的频率分布和能量密度存在较大差异，为进一步进行电池SOH在线评估提供了可能。