(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011610861.3
(22)申请日 2020.12.30
(71)申请人 宁德新能源科技有限公司
地址 352100 福建省宁德市蕉城区漳湾镇
新港路1号
(72)发明人 吉登粤 揭晓 甄杰明
(74)专利代理机构 北京五洲洋和知识产权代理
事务所(普通合伙) 11387
代理人 张向琨
(51)Int.Cl.
G01N 27/02(2006.01)
G01N 27/26(2006.01)
G01R 31/389(2019.01)
(54)发明名称
的方法及电池测试设备
(57)摘要
本公开提供了一种锂离子电池EIS的交流阻
抗数据处理与解读的方法及电池测试设备，其包
阻抗实部以及阻抗虚部；做KK检验，判断是否稳
定可解析；之后，对所获得的阻抗实部与阻抗虚
部的负数作带线散点图，对不在第一象限的散点
删除，对剩下的数据进行平滑；对获得的数据中
代表韦伯阻抗部分的数据进行删减，得到预处理
数据；对预处理后的频率与阻抗实部的数据构建
特征函数F(t)的解析方程组；求解得到数组{1/
f ,F(t)}；作图，以log(1/f)为横坐标，以F(t)为
纵坐标，得到带有多个峰的带线散点图，各峰为
对应频率下的锂离子电池的相应特征的电化学
过程；对带线散点图的各个峰进行积分，由此能
精细化解读锂离子电池的电化学行为。权利要求书2页 说明书11页 附图4页CN 112763545 A 2021.05.07
C N 112763545
A
1.一种锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，包括以下步骤：
步骤S1：获得锂离子电池的交流阻抗数据，交流阻抗数据包括频率、阻抗实部和阻抗虚部；
步骤S2：对所获得的交流阻抗数据做KK检验，判断所获得的交流阻抗数据是否稳定可解析；
步骤S3：在判定所获得的交流阻抗数据是稳定可解析之后，对所获得的阻抗实部与阻抗虚部的负数作带线散点图，以阻抗实部为x轴，以阻抗虚部的负数为y轴，对不在第一象限的散点删除，对剩下的数据进行平滑，获得稳定的数据；
步骤S4：对步骤S3获得的数据中代表韦伯阻抗部分的数据进行删减，得到预处理数据，预处理后的数据包括频率、阻抗实部和阻抗虚部；
步骤S5：对预处理后的频率与阻抗实部的数据构建特征函数F(t)的解析方程组；
步骤S6：对解析方程组求解，得到频率f与相应的特征函数F(t)的数组{1/f,F(t)}；
步骤S7，对所获得的数组作图，以log(1/f)为横坐标，以F(t)为纵坐标，得到带有多个峰的带线散点图，各峰为对应频率下的锂离子电池的相应特征的电化学过程；
步骤S8，对带线散点图的各个峰进行积分，获得各个峰的峰面积，各个峰的峰面积为各个峰的实际阻抗。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S1中，采用电化学工作站对锂离子电池进行EIS测试，EIS测试中采用恒压扰动，恒压扰动为1mv至5mv扰动，频率范围为500khz至30mhz，每个频率数量级取10至100间整数个离散的频率数据与阻抗数据，测试温度为‑25℃至55℃。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤二中，采用现有Zview或ZSimpWin软件对所获得的交流阻抗数据进行Kramers‑Kronig检验，如果Kramers‑Kronig检验不通过，则说明所获得的交流阻抗数据不能用，终止本方法操作，如果Kramers‑Kronig检验通过，对所获得的交流阻抗数据在1hz下的低频区进行平滑连接，平滑连接采用RC等效电路拟合插值连接，如果平滑连接能够实现，则判定所获得的交流阻抗数据为稳定可解析的；
如果平滑连接不能够实现，则认为所获得的交流阻抗数据不是稳定可解析的；或者
在步骤二中，采用python自写脚本，首先构建阻抗实部与虚部的方程，即方程为Kramers‑Kronig方程，即检验阻抗实部与虚部的数据能否相互转换，再采用python中math 模块将方程写入，采用xlrd模块导入所获得的交流阻抗数据，包括频率、阻抗实部与阻抗虚部，采用numpy模块对阻抗实部与虚部数据进行Kramers‑Kronig检验；如果Kramers‑Kronig 检验不通过，则说明所获得的交流阻抗数据不能用，终止本方法操作，如果Kramers‑Kronig 检验通过，对所获得的交流阻抗数据在1hz下的低频区进行平滑连接，平滑连接采用RC等效电路拟合插值连接，如果平滑连接能够实现，则判定所获得的交流阻抗数据为稳定可解析的；如果平滑连接不能够实现，则认为所获得的交流阻抗数据不是稳定可解析的。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S3中，在判定所获得的交流阻抗数据是稳定可解析之后，用p y t h o n的matplotlib对所获得的阻抗实部与阻抗虚部的负数作带线散点图，以阻抗实部为x轴，以阻抗虚部的负数为y轴，对不在第一象限的散点删除；利用python的savgol_filter算法对剩下的数据进行平滑，由此获得稳定的数据。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S4中，采用python的math、xlrd与xlwt模块对阻抗实部与阻抗虚部数据进行判定，将阻抗实部与阻抗虚部属于韦伯阻抗的数据删除。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S5中，
采用python首先利用xlrd模块将频率f、阻抗实部的数据转换为列矩阵f(n)、Z(n)，采用python的ridge regularization方阵对Z(n)进行处理，其中采用python的math模块进行循环处理，得到处理后的阻抗数据Z(n)；计算总阻抗Z(max)，Z(max)是前述中Z(n)的最大的实部数据值，欧姆阻抗Ro＝Z(1)，为前述中Z(n)的最小的实部数据值，Ro为阻抗实部代表欧姆阻抗的值，Rpol＝Z(max)‑Z(1)，Rpol为总的极化、为每个特征时间下的阻抗之和；
其次，基于特征时间t、频率f、角频率的关系ω，t＝1/f，ω＝2×π×f，基于德拜弛豫方程，特征函数F(t)为待求解的特征时间分布函数且将F(t)定义为列矩阵，令阻抗数据Z(ω)＝Z(max)，构建解析方程组，方程组表示为：
7.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S6中，采用python的math模块输入处理后的阻抗实部数据Z(n)频率数据f(n)以及步骤S5的方程组；假定求解方程为高斯过程，调用python中的cvxopt模块的slove sp求解器对输入的方程组、处理的阻抗列数据(f(n),Z(n))进行求解，其中限制条件F(t)>0，得到{t，F(t)}两列数据。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S7中，采用python的matplotlib作图。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S7中，采用originpro8.0进行分峰作图。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，其特征在于，
在步骤S8中，采用python中的math模块对各个峰进行积分。
11.一种电池测试设备，包括：
阻抗测试装置，配置成能够测试电池的交流阻抗；以及
计算处理装置，配置成运行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法及电池测
试设备
技术领域
[0001]本公开涉及电化学阻抗谱领域，尤其涉及一种锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法及电池测试设备。
背景技术
[0002]交流阻抗谱是常用的一种对锂离子电池进行诊断的工具，交流阻抗谱一般为对锂离子电池进行一个稳定的小电流或者小电压干扰输入信号，根据输出信号得到锂离子电池的阻抗信息。常见的交流阻抗谱能得到锂离子电池的欧姆阻抗、电化学阻抗以及韦伯扩散阻抗，在Nyqusit图中，电化学阻抗通常表现为一个半圆，但是由于锂离子电池由正负极构成，且正负极的电化学响应频率的不一致，导致常规的电化学阻抗谱分辨率较低，无法更进一步分析阻抗谱中的高中频区半圆。提高阻抗数据的分辨率，更加精细分析锂离子电池的电化学行为显得很有必要。
发明内容
[0003]鉴于背景技术中存在的问题，本公开的目的在于提供一种锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法及电池测试设备，其能精细化解读锂离子电池的电化学行为。[0004]为了实现上述目的，在一些实施例中，本公开提供了一种锂离子电池EIS的交流阻抗数据处理与解读的方法，包括步骤：步骤S1：获得锂离子电池的交流阻抗数据，交流阻抗数据包括频率、阻抗实部以及阻抗虚部；步骤S2：对所获得的交流阻抗数据做KK检验，判断所获得的交流阻抗数据是否稳定可解析；步骤S3：在判定所获得的交流阻抗数据是稳定可解析之后，对所获得的阻抗实部与阻抗虚部的负数作带线散点图，以阻抗实部为x轴，以阻抗虚部的负数为y轴，对不在第一象限的散点删除，对剩下的数据进行平滑，获得稳定的数据；步骤S4：对步骤S3获得的数据中代表韦伯阻抗部分的数据进行删减，得到预处理数据，预处理后的数据包括频率、阻抗实部和阻抗虚部；步骤S5：对预处理后的频率与阻抗实部的数据构建特征函数F(t)的解析方程组；步骤S6：对解析方程组求解，得到频率f与相应的特征函数F(t)的数组{1/f,F(t)}；步骤S7，对所获得的数组作图，以log(1/f)为横坐标，以F (t)为纵坐标，得到带有多个峰的带线散点图，各峰为对应频率下的锂离子电池的相应特征的电化学过程；步骤S8，对带线散点图的各个峰进行积分，获得各个峰的峰面积，各个峰的峰面积为各个峰的实际阻抗。
[0005]在一些实施例中，在步骤S1中，采用电化学工作站对锂离子电池进行EIS测试，EIS 测试中采用恒压扰动，恒压扰动为1mv至5mv扰动，频率范围为500khz至30mhz，每个频率数量级取10至100间整数个离散的频率数据与阻抗数据，测试温度为‑25℃至55℃。
[0006]在一些实施例中，在步骤二中，采用现有Zview或ZSimpWin软件对所获得的交流阻抗数据进行Kramers‑Kronig检验，如果Kramers‑Kronig检验不通过，则说明所获得的交流阻抗数据不能用，终止本方法操作，如果Kramers‑Kronig检验通过，对所获得的交流阻抗数
据在1hz下的低频区进行平滑连接，平滑连接采用RC等效电路拟合插值连接，如果平滑连接能够实现，则判定所获得的交流阻抗数据为稳定可解析的；如果平滑连接不能够实现，则认为所获得的交流阻抗数据不是稳定可解析的；或者在步骤二中，采用python自写脚本，首先构建阻抗实部与虚部的方程，即方程为Kramers‑Kronig方程，即检验阻抗实部与虚部的数据能否相互转换，再采用python中math模块将方程写入，采用xlrd模块导入所获得的交流阻抗数据，包括频率、阻抗实部与阻抗虚部，采用numpy模块对阻抗实部与虚部数据进行Kramers‑Kronig检验；如果Kramers‑Kronig检验不通过，则说明所获得的交流阻抗数据不能用，终止本方法操作，如果Kramers‑Kronig检验通过，对所获得的交流阻抗数据在1hz下的低频区进行平滑连接，平滑连接采用RC等效电路拟合插值连接，如果平滑连接能够实现，则判定所获得的交流阻抗数据为稳定可解析的；如果平滑连接不能够实现，则认为所获得的交流阻抗数据不是稳定可解析的。
[0007]在一些实施例中，在步骤S3中，在判定所获得的交流阻抗数据是稳定可解析之后，用python的matplotlib对所获得的阻抗实部与阻抗虚部的负数作带线散点图，以阻抗实部为x轴，以阻抗虚部的负数为y轴，对不在第一象限的散点删除；利用python的savgol_ filter算法对剩下的数据进行平滑，由此
获得稳定的数据。
[0008]在一些实施例中，在步骤S4中，采用python的math、xlrd与xlwt模块对阻抗实部与阻抗虚部数据进行判定，将阻抗实部与阻抗虚部属于韦伯阻抗的数据删除。
[0009]在一些实施例中，在步骤S5中，采用python首先利用xlrd模块将频率f、Za(阻抗实部Za和阻抗虚部Zb可以互相表示，所以仅处理阻抗实部Za即可)的数据转换为列矩阵f(n)、Z(n)，采用python的ridge regularization方阵对Z(n)进行处理，其中采用python的math 模块进行循环处理，得到处理后的阻抗数据Z(n)；计算总阻抗Z(max)，Z(max)是前述中Z(n)的最大的实部数据值，欧姆阻抗Ro＝Z(1)，为前述中Z(n)的最小的实部数据值，Ro为阻抗实部代表欧姆阻抗的值，即阻抗实部数据与x轴交点的值，Rpol＝Z(max)‑Z(1)，即Rpol为总的极化，为每个特征时间下的阻抗之和；其次，基于特征时间t、频率f、角频率的关系ω，t＝1/ f，ω＝2×π×f，基于德拜弛豫方程，特征函数F(t)为待求解的特征时间分布函数且将F(t)定义为列矩阵，令阻抗数据Z(ω)＝Z(max)，构建解析方程组，方程组表示为：
[0010]
[0011]在一些实施例中，在步骤S6中，采用python的math模块输入处理后的阻抗实部数据Z(n)频率数据f(n)以及步骤5的方程组；假定求解方程为高斯过程，调用python中的cvxopt模块的slove sp求解器对输入的方程组、处理的阻抗列数据(f(n),Z(n))进行求解，其中限制条件F(t)>0，得到{t，F(t)}两列数据。
[0012]在一些实施例中，在步骤S7中，采用python的matplotlib作图。
[0013]在一些实施例中，在步骤S7中，采用originpro8.0进行分峰作图。
[0014]在一些实施例中，在步骤S8中，采用python中的math模块对各个峰进行积分。[0015]在一些实施例中，步骤S8得到的各个峰的峰面积进一步采用作图来表示。[0016]在一些实施例中，本公开提供了一种电池测试设备，其包括：阻抗测试装置，配置成能够测试电池的交流阻抗；以及计算处理装置，配置成运行前述的方法。
[0017]本公开的有益效果如下：通过步骤S3和步骤S4，实现数据精修化过程，使得EIS最
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