不同充放電倍率下的鋰電池聲發(fā)射信號(hào)分析

何赟澤, 唐銳洋, 劉 菲, 任丹彤, 白 蕓, 劉松源

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

鋰離子電池具有能量密度高、污染程度輕和循環(huán)壽命較長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，使其廣泛應(yīng)用于動(dòng)力汽車、風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備以及其他應(yīng)用領(lǐng)域的儲(chǔ)能裝置。鋰離子電池的使用已變得普遍，其安全運(yùn)行、壽命預(yù)測(cè)等問題受到關(guān)注[1-4]。電池內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)使電池會(huì)出現(xiàn)不可逆的性能退化現(xiàn)象，導(dǎo)致其使用壽命不斷縮減，故對(duì)電池的性能狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)成為必要工作。聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)應(yīng)力有力的分析工具，可對(duì)處于正常充放電循環(huán)模式下的鋰離子電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)，探測(cè)電池內(nèi)部電極變形、裂紋開裂等行為。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，AE已用于研究異質(zhì)電化學(xué)過程[5-11]，評(píng)價(jià)鋰離子電池(如石墨、NiSb2、Al等)電極的降解情況、活性物質(zhì)的裂解、SEI(Solid Electrolyte Interphase,固體電解質(zhì)界面)膜的形成和氣體的生成是研究中確定的主要聲發(fā)射信號(hào)來(lái)源。Ohzuku等[12]研究Li/MnO2電池在充放電過程中的電極顆粒斷裂，發(fā)現(xiàn)在電池循環(huán)充放電中，聲發(fā)射事件主要集中在放電過程中，充電過程中發(fā)生的聲發(fā)射事件較少，聲發(fā)射源主要為鋰離子插入電極基體時(shí)發(fā)生的顆粒斷裂，且電流速率測(cè)試表明，電流增大會(huì)加速顆粒斷裂。Matsuo等[13]在電池第一次充放電周期中，檢測(cè)到499個(gè)AE信號(hào)。采用基于極性、功率譜和包絡(luò)波形的方法聚類，將聲發(fā)射信號(hào)聚類為43個(gè)簇，發(fā)現(xiàn)電池的劣化主要是由氣體的析出和石墨電極的斷裂或脫落引起。Hirooka等[14]研究在浮充條件下，與石墨電極組成的鋰離子電池的降解機(jī)理，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)電池電壓在4.6 V以下時(shí)，LiCoO2聲發(fā)射信號(hào)沒有增加。累積聲發(fā)射計(jì)數(shù)在電池電壓為4.65 V時(shí)急劇增加，LiCoO2電極的容量隨著大量鈷離子的溶解而衰減。Villevieille等[15]研究電極材料為NiSb2的鋰離子電池降解，在電池第一次放電的雙向轉(zhuǎn)化以及固體電解質(zhì)界面反應(yīng)過程中，測(cè)量到巨大的聲發(fā)射能量；電池第一次充電時(shí)，累積的聲發(fā)射能量在反向轉(zhuǎn)換過程中顯著增加，進(jìn)一步循環(huán)充放電時(shí)能量波動(dòng)消除，聲發(fā)射為電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)對(duì)NiSb2電極的結(jié)構(gòu)和形態(tài)的影響提供了直接證據(jù)。Etiemble等[16]在MgNi和LaNi5電極的鋰電池充電過程中，檢測(cè)到2類具有特定時(shí)間和能量特征的聲信號(hào)：P1類與粒子破裂有關(guān)；P2類與H2氣泡的釋放有關(guān)。粒徑和電荷電流密度對(duì)MgNi衰減有較大影響，建立了MgNi顆粒裂紋與放電容量隨循環(huán)衰減的關(guān)系。Kircheva等[17]結(jié)合電化學(xué)技術(shù)(循環(huán)伏安法、恒電勢(shì)循環(huán))、聲發(fā)射技術(shù)和XRD分析方法，研究了LiAl/LiMnO2電池的老化機(jī)理。發(fā)現(xiàn)由于α(LiAl)到β(LiAl)的相變以及鋰離子嵌入MnO2，使聲發(fā)射事件在放電過程中更為強(qiáng)烈。Choi等[18]研究了聲發(fā)射累計(jì)計(jì)數(shù)、鋰電池放電容量和微損傷之間的關(guān)系。累積聲發(fā)射能量的跳躍發(fā)生在表征兩相過程的電位平臺(tái)的中間時(shí)刻，表明形態(tài)效應(yīng)只在大約50%的材料轉(zhuǎn)化時(shí)才接收到信號(hào)。對(duì)分解后的電池進(jìn)行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)界面分層和電極微裂紋等機(jī)械損傷是聲發(fā)射信號(hào)的主要來(lái)源。Schweidler等[11]研究了LiNiO2鋰電池，將前5個(gè)周期檢測(cè)的聲發(fā)射信號(hào)分為3組，第1組AE1覆蓋105～165 kHz的頻率范圍，最大峰值頻率為145 kHz;第2個(gè)AE2的頻率范圍為215～258 kHz，最大峰值頻率為245 kHz;第3個(gè)AE3的頻率范圍為358～702 kHz，最大峰值頻率為435 kHz。證明了在不同頻率范圍內(nèi)的AE事件與負(fù)極固體電解質(zhì)界面的形成和電化學(xué)循環(huán)過程中的機(jī)械降解相關(guān)。Zhang等[19]搭建鋰離子電池聲發(fā)射循環(huán)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在放電過程中，連續(xù)聲發(fā)射信號(hào)的幅值隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加而減小，為檢測(cè)鋰離子電池的健康狀況提供了新思路。

本文主要研究鋰離子電池在不同充放電倍率下的聲發(fā)射信號(hào)，重點(diǎn)探討電池聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域峰值、波形時(shí)間間隔與充放電倍率的關(guān)系，分析電池聲發(fā)射信號(hào)波形的時(shí)頻特性，為鋰離子電池的狀態(tài)檢測(cè)提供了新思路。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

在本文試驗(yàn)研究工作中，選用三星生產(chǎn)的ICR18650-22P電池作為研究對(duì)象。該款電池正極為鈷酸鋰(LiCoO2)，負(fù)極為石墨。電池基本性能參數(shù)如表1所示。

表1 電池基本性能參數(shù)

1.2 鋰離子電池聲發(fā)射試驗(yàn)平臺(tái)

電池檢測(cè)平臺(tái)主要包括：三星ICR18650-22P鋰離子電池、新威電池充放電測(cè)試系統(tǒng)、電熱恒溫箱、德國(guó)Vallen聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)，以及安裝聲發(fā)射采集系統(tǒng)軟件、新威電池測(cè)試軟件的筆記本計(jì)算機(jī)。圖1為鋰離子電池試驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 鋰離子電池試驗(yàn)平臺(tái)

電熱恒溫箱為電池循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)提供溫度變化范圍比較穩(wěn)定的環(huán)境。設(shè)置恒溫箱溫度為25 ℃，ICR18650-22P鋰電池放置于電熱恒溫箱內(nèi)部。新威CT-4008T-5V6A控制單池單體恒流恒壓充放電、采集電壓電流數(shù)據(jù)。電池聲發(fā)射信號(hào)由德國(guó)Vallen聲發(fā)射系統(tǒng)采集，該系統(tǒng)主要包括傳感器、前置放大器、AMSY-6聲發(fā)射儀和計(jì)算機(jī)端的軟件處理部分。實(shí)驗(yàn)中采用頻帶20～450 kHz的諧振式傳感器VS45-H。實(shí)驗(yàn)中，將聲發(fā)射傳感器通過電池夾具固定于電池中間位置，電池放置于厚泡沫墊上，以減少噪聲。前置放大器將電池微弱聲發(fā)射信號(hào)放大，同軸電纜傳輸該信號(hào)至AMSY-6聲發(fā)射儀(帶寬為10 MHz)，用計(jì)算機(jī)端的VallenVisualAE軟件查看聲發(fā)射信號(hào)。

1.3 聲發(fā)射試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射信號(hào)采集模式可分為連續(xù)采集和閾值采集。連續(xù)采集時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)波形不進(jìn)行切割，連續(xù)模式采集的聲發(fā)射信號(hào)也被稱為聲發(fā)射波形流。閾值采集時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)波形主要通過閾值(Threshold，THR)、持續(xù)辨別時(shí)間(Duration Discrimination Time，DDT)、預(yù)觸發(fā)樣本(Pre-Trigger Samples)和持續(xù)時(shí)間后樣本(Post-Duration Samples)等參數(shù)從聲發(fā)射波形流中提取。聲發(fā)射信號(hào)又稱為撞擊(Hit)。聲發(fā)射軟件采集參數(shù)如表2所示。

表2 聲發(fā)射軟件采集參數(shù)

連續(xù)采集模式為閾值采集模式提供了實(shí)驗(yàn)采集參數(shù)設(shè)置的方向。在本研究中，首先采用連續(xù)采集模式，并以1 MHz的采樣率進(jìn)行信號(hào)波形采集，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)的波形頁(yè)面中，通常出現(xiàn)包含2個(gè)波形的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào),如圖2所示，且突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)包含電池的有用信息。

圖2 連續(xù)模式聲發(fā)射信號(hào)

在閾值采集模式下，當(dāng)聲發(fā)射信號(hào)超過閾值，聲發(fā)射信號(hào)將被記錄。為了讓圖2所示的兩個(gè)突發(fā)型聲發(fā)射波形保存為一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將持續(xù)時(shí)間后樣本設(shè)置為4800 μs，閾值設(shè)為36.1 dB。

1.4 聲發(fā)射分析方法

對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的處理主要分為參數(shù)分析法和波形分析法。參數(shù)分析法是用簡(jiǎn)化的波形特征參數(shù)表征聲發(fā)射信號(hào)，主要研究聲發(fā)射特征參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。波形分析法通過分析信號(hào)波形時(shí)域和頻域來(lái)獲取聲發(fā)射信號(hào)特征。

聲發(fā)射主要參數(shù)包括：撞擊計(jì)數(shù)、事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、能量、上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間等，如表3所示。圖3為突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)示意圖。

圖3 突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)示意圖

表3 主要聲發(fā)射參數(shù)及含義

聲發(fā)射信號(hào)幅度dBAE與幅值VAE的轉(zhuǎn)換公式為

dBAE=20lg(VAE/1μV)

2 鋰電池聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分析

采用聲發(fā)射儀1通道采集電池聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)鋰電池進(jìn)行改變充放電流倍率測(cè)試，采用恒流充放電模式。最大倍率為1C，即最大充放電電流為2150 mA，按500 mA的電流差值設(shè)置電池充放電電流，最小充放電電流為950 mA。圖4為不同充放電倍率下的聲發(fā)射信號(hào)幅度。

圖4 不同充放電倍率下的聲發(fā)射幅度

從圖4可以看出，用不同的電流等級(jí)給電池充電時(shí)，隨著充電電流減小，聲發(fā)射信號(hào)幅度也隨之減?。煌瑯?，用不同的電流等級(jí)給電池放電時(shí)，隨著放電電流減小，聲發(fā)射信號(hào)幅度隨之減小。這表明充放電過程的聲發(fā)射幅度與電流倍率呈正相關(guān)。

不同充放電倍率下的聲發(fā)射信號(hào)總數(shù)不同，計(jì)算同一電流等級(jí)的電池聲發(fā)射信號(hào)幅度平均值，如圖5所示。從圖5中可知，在同一電流等級(jí)下，放電過程比充電過程的聲發(fā)射信號(hào)幅度高。

圖5 不同充放電倍率下聲發(fā)射信號(hào)平均幅度

圖6為充放電過程中聲發(fā)射波形，除噪聲干擾外，電池充放電過程中記錄的聲發(fā)射信號(hào)都存在兩個(gè)脈沖型波形。筆者將一個(gè)信號(hào)中先采集的波形設(shè)為波形1，后采集的波形設(shè)為波形2。充電時(shí)，鋰離子從正極活性材料中脫出，產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射波形，鋰離子經(jīng)過電解液和隔膜，嵌入負(fù)極活性材料，也產(chǎn)生突發(fā)型聲發(fā)射波形，因此每個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的兩個(gè)波形可以代表鋰離子在2個(gè)電極中的運(yùn)動(dòng)。放電過程與之同理，也由于鋰離子在正、負(fù)極活性材料中嵌入/脫嵌產(chǎn)生波形1和波形2。

圖6 充放電過程中聲發(fā)射波形

圖7為2150 mA電流下的聲發(fā)射波形，在鋰電池充、放電過程中各選取一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，2個(gè)信號(hào)的波形1如圖7(a)所示，2個(gè)信號(hào)的波形2如圖7(b)所示。對(duì)比圖7可知，充電聲發(fā)射信號(hào)的波形1和波形2的輪廓不同，所以應(yīng)屬于2個(gè)聲發(fā)射源(正極材料、負(fù)極材料)；且2個(gè)波形的初始采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，波形1采樣點(diǎn)向正方向，波形2采樣點(diǎn)向負(fù)方向，因?yàn)樽饔糜诼暟l(fā)射源(正極、負(fù)極材料)的方向相反 (嵌入/脫嵌)，所以波形1和波形2的初始采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反。同理，放電過程聲發(fā)射信號(hào)中的波形1和波形2也反向。

圖7 2150mA電流下的聲發(fā)射波形

圖7(a)中充電與放電的波形1應(yīng)為同一個(gè)聲發(fā)射源，由于是同一個(gè)電極材料產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，所以波形輪廓一樣;但兩個(gè)波形的起始采樣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)反向，是因?yàn)槌浞烹姇r(shí)鋰離子的擴(kuò)散方向?qū)τ谕粋€(gè)電極材料是相反的。由于各電流下的聲發(fā)射信號(hào)特征與2150 mA一致，因此不重復(fù)給出其他電流倍率下的波形比較圖。

根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)存在2個(gè)突發(fā)型波形的特點(diǎn)，將2個(gè)波形首次穿越閾值的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔定義為聲發(fā)射信號(hào)的波形時(shí)間間隔，如圖8所示。圖9為不同充放電倍率下的電池聲發(fā)射信號(hào)波形時(shí)間間隔。從圖9可以看出，隨著充放電倍率增加，聲發(fā)射信號(hào)的波形時(shí)間間隔減小。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因可能是充放電倍率增加，鋰離子在電解液中的運(yùn)動(dòng)速率變快，鋰離子到達(dá)反應(yīng)電極的時(shí)間縮短，聲發(fā)射波形時(shí)間間隔減小。

圖8 波形時(shí)間間隔示意圖

圖9 不同充放電倍率下聲發(fā)射信號(hào)波形時(shí)間間隔

為了解信號(hào)的頻域成分，采用傅里葉變換得到電池聲發(fā)射信號(hào)的全局性頻譜特征。圖10和圖11分別為鋰電池充放電過程中的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻域特性圖。從圖11中可知，充放電過程中的聲發(fā)射有用信號(hào)的主要頻率范圍在250 kHz以下。

圖10 充電聲發(fā)射信號(hào)

圖11 放電聲發(fā)射信號(hào)

3 電池聲發(fā)射信號(hào)小波閾值去噪

閾值采集模式已經(jīng)屏蔽大部分環(huán)境噪聲，但采集到的電池聲發(fā)射信號(hào)仍包含彈性波在傳播過程中的干擾噪聲。下面對(duì)電池聲發(fā)射信號(hào)采用小波閾值去噪。

3.1 小波基

首先,需要為電池聲發(fā)射信號(hào)選取合適特性的小波基函數(shù)。由于聲發(fā)射信號(hào)易受噪聲干擾，同時(shí)需要滿足保持信號(hào)降噪后的完整、不失真的要求，故需選擇具有對(duì)稱性、正交性和一定階次消失矩的小波基函數(shù)。根據(jù)上述小波基函數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，Daubechies小波、Symlets小波和Coiflets小波比較適合。通過對(duì)比電池聲發(fā)射信號(hào)與以上3種小波的波形，db8和sym25小波的波形更接近待處理的電池聲發(fā)射信號(hào)。后續(xù)比較采用上述兩種小波基對(duì)電池聲發(fā)射信號(hào)去噪的效果，選取最佳的小波基。

3.2 閾值規(guī)則

小波閾值去噪利用了信號(hào)小波系數(shù)與噪聲的小波系數(shù)的分布頻域不同。因此閾值的選取十分重要，閾值過大導(dǎo)致信號(hào)噪聲去除過多,閾值過小會(huì)使信號(hào)噪聲去除不完全。以下為4種常用的閾值選取方法：固定閾值(Sqtwolog)、無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)閾值(Rigrsure)、啟發(fā)式閾值(Heursure)和極值閾值(Minmax)。

3.3 閾值函數(shù)

常用的閾值函數(shù)有：硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)。硬閾值函數(shù)有較好的連續(xù)性，可以較好地保持原信號(hào)的完整信息。相比硬閾值函數(shù)，軟閾值處理后的小波系數(shù)有更好的連續(xù)性，但是可能使去噪后信號(hào)過于光滑，丟失有用信息。

3.4 降噪評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

采用信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)和均方根誤差(Root Mean Square Error，RMSE)評(píng)估信號(hào)去噪效果,其計(jì)算公式為

(1)

(2)

3.5 聲發(fā)射信號(hào)降噪分析

為更好地保持原始信號(hào)的完整信息，選用硬閾值函數(shù)對(duì)信號(hào)去噪。本文分別用sym25、db8小波基、3種分解層數(shù)(3層、4層、5層)和4種閾值準(zhǔn)則(Sqtwolog、Rigrsure、Heursure、Minmax)對(duì)電池的聲發(fā)射信號(hào)去噪，表4～表7為使用小波閾值降噪的信噪比和均方根誤差。從表4～表7可知，隨著分解層數(shù)增加，去噪信號(hào)的信噪比減小，而均方根誤差增大，說(shuō)明分解層數(shù)增加，信號(hào)去噪效果變差，因此選擇3層為小波分解層數(shù)。對(duì)比4種閾值方法的去噪信號(hào)，Rigrsure的效果最好。sym25和db8小波去噪的信噪比和均方根誤差總體差別不大，由于在采用3層分解和Rigrsure閾值時(shí)，sym25效果比db8更好，因此本文對(duì)于不同充放電倍率下的電池聲發(fā)射信號(hào)采用sym25小波、3層分解層數(shù)和Rigrsure硬閾值去噪。

表4 sym25分解的信噪比

表5 sym25分解的均方根誤差

表6 db8小波分解的信噪比

表7 db8小波分解的均方根誤差

4 鋰電池聲發(fā)射小波包分解

小波包常用于非平穩(wěn)信號(hào)處理[20]。小波包分解相比小波分解，可以對(duì)其沒有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，根據(jù)被分析信號(hào)的特征自適應(yīng)選擇頻帶，提高信號(hào)時(shí)-頻分辨率，適于處理突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)。本文用小波包分解方法對(duì)不同充放電倍率下的電池聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行研究與處理，得到電池工作時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)能量分布規(guī)律。

4.1 小波包分解

小波包分解是讓信號(hào)通過一系列中心頻率不同但帶寬相同的濾波器將信號(hào)逐層分解為多個(gè)均勻的頻帶。3層分解、采樣頻率fs為1 MHz的小波分包解樹如圖12所示。S(0,0)為原始信號(hào)，經(jīng)過低通濾波器{h(k)}得到信號(hào)的低頻分量，經(jīng)過高通濾波器{g(k)}得到信號(hào)的高頻分量。

圖12 3層小波包分解樹及頻帶劃分

4.2 小波包能量表征

對(duì)信號(hào)進(jìn)行n層小波包分解，采用二次能量型表示每個(gè)頻帶的信號(hào)，各分解層的能量為

(3)

式中:Si,j為分解的第i層第j個(gè)頻帶信號(hào);i=1,2,…,n;j=0,1,…，2i-1。

各頻帶組成的小波包頻帶譜為

Ei=[Ei,0,Ei,1,…,Ei,2i-1]T

(4)

各頻帶能量占總能量百分比為

(5)

4.3 聲發(fā)射電池信號(hào)分析

與小波降噪中選取小波函數(shù)的原則相同，需選擇具有對(duì)稱性、緊支性、正交性和消失矩等特征且與原始信號(hào)波形相似的小波函數(shù)，以保證良好的局部時(shí)-頻域分析能力。因此，選擇sym25小波作為小波包分解的基函數(shù)。

小波包分解層數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，經(jīng)驗(yàn)公式為

(6)

式中:fs為采樣頻率；J為分解層數(shù)。

電池聲發(fā)射信號(hào)的采樣頻率為1 MHz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得到J≤9。當(dāng)分解層數(shù)為4時(shí)，層數(shù)為4的每個(gè)頻帶上的頻帶寬度可達(dá)31.25 kHz，頻帶寬度和計(jì)算量較適中，因此將電池聲發(fā)射信號(hào)分解為4層。

對(duì)不同的電流充放電倍率的所有聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行小波包分解，所有的聲發(fā)射信號(hào)都選取2800個(gè)采樣點(diǎn)，聲發(fā)射信號(hào)的頻帶能量分布如圖13所示。例如：2150 mA電池充電過程中記錄有255個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，圖13(a)為255個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的小波包頻譜圖，為便于比較聲發(fā)射信號(hào)各頻帶隨時(shí)間的變化規(guī)律，將占聲發(fā)射信號(hào)總數(shù)1/4的信號(hào)頻帶用同一個(gè)顏色表示，因此每個(gè)圖中的頻帶都有4種顏色。由于在聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍超過250 kHz時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的小波包能量百分比幾乎沒有,所以沒有給出頻帶8之后的小波包能量譜。

從圖13中可以看出聲發(fā)射信號(hào)能量分布較為廣泛。雖然電池充放電倍率不同，但聲發(fā)射信號(hào)頻帶的能量都主要集中在頻帶3(62.5～93.75 kHz)和頻帶4(93.75～125 kHz)。充電過程中的聲發(fā)射信號(hào)能量譜與放電聲發(fā)射信號(hào)能量譜很相似，可以印證充放電過程中的聲發(fā)射源是一樣的。在每個(gè)充放電倍率下，聲發(fā)射記錄的時(shí)間較短，聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量不多，從圖13可知，較短時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的小波包能量變化不大。在圖13(b)中有一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的能量譜明顯不同于2150 mA放電過程中的其他聲發(fā)射信號(hào)能量譜，圖14為該信號(hào)的波形。從圖14可看出，該信號(hào)屬于電磁噪聲干擾。同理圖13(c)和圖13(g)中也存在這樣的異常聲發(fā)射信號(hào)。因此，可以根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)能量譜來(lái)判斷信號(hào)是否為有效電池聲發(fā)射信號(hào)。

圖13 聲發(fā)射信號(hào)的頻帶能量分布

圖14 2150 mA放電異常聲發(fā)射信號(hào)

5 結(jié)論

基于聲發(fā)射技術(shù)對(duì)鋰電池電池狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)，采集了不同充放電倍率下電池的聲發(fā)射信號(hào)，通過對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析，得出以下結(jié)論：

① 電極活性材料為電池充放電時(shí)的聲發(fā)射源，在充電和放電過程中，鋰離子在電池內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)方向相反，向正、負(fù)電極活性材料嵌入/脫嵌的方向相反，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)波形的初始穿越閾值點(diǎn)符號(hào)不同，且由于有2個(gè)聲發(fā)射源(正、負(fù)電極活性材料)，所以每個(gè)聲發(fā)射信號(hào)中存在2個(gè)突發(fā)型波形。

② 電池聲發(fā)射信號(hào)的峰值幅度與充放電倍率有關(guān)，充放電倍率越大，聲發(fā)射信號(hào)的幅度越大。且在同一等級(jí)的充放電倍率下，放電聲發(fā)射信號(hào)幅度大于充電聲發(fā)射信號(hào)幅度。波形時(shí)間間隔與電池充放電倍率有關(guān)，充放電倍率越大，波形時(shí)間間隔越小。

③ 對(duì)聲發(fā)射信號(hào)波形進(jìn)行傅里葉變換得到信號(hào)頻率成分，可知電池聲發(fā)射信號(hào)的主要頻率在250 kHz以下，與電池噪聲干擾的頻率段不同，采集的雙突發(fā)型波形屬于電池工作過程中的有用聲發(fā)射信號(hào)。

④ 包含2個(gè)突發(fā)型波形的聲發(fā)射信號(hào)的小波包分解能量分布范圍較廣，不同充放電倍率的聲發(fā)射信號(hào)頻帶相似，在短時(shí)間內(nèi)，電池的充放電過程的聲發(fā)射源沒有改變。