CN103869256B - 一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池soh的估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，包含以下步骤：以1C到0.5C之间任一恒定电流对电池进行充电，再以0.1C到0.05C之间任一恒定电流对电池进行放电；在电池放电到0电荷状态时对电池进行交流阻抗测试，并拟合出的电池的电荷转移阻抗；在Origin9中拟合出容量衰减曲线以及电荷转移阻抗曲线；根据电荷转移阻抗递增曲线对出容量衰减曲线进行修正，建立出电池健康状况SOH随循环圈数变化的估算函数，计算出可供所述同类型电池健康状况的判断依据。本发明的方法，加入电荷转移阻抗对SOH进行估算，估算结果更加精确，且不需要拆解电池。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池健康状态估算领域，具体涉及一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法。
背景技术
随着电动汽车(EDVs)的迅猛发展，包括纯电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)，电池技术得到世界范围的重视和关注。因此，基于现有的电池技术，一个重要的研究领域是提高电池在电动汽车中的使用效率和寿命。目前动力锂离子电池作为纯电动汽车最优的解决方案，其仍然有潜在过充电过放电引发安全事故的风险。准确的估算电池的健康状态SOH(State of Charge)是一个保证电动车安全运行的关键技术。伴随电池循环圈数增加，电池容量衰减，内阻增大，电池的健康状态SOH能代表电池的老化程度。
现有电池的健康状态SOH有多种定义方法，例如通过电池当前容量和初始容量的比值定义，即其中C为电池当前容量，C0为电池初始容量。目前也有根据电池内阻、功率密度和能量密度来定义SOH的算法。
电池容量衰减的主要原因在于电池正极活性材料的损失，电池负极材料的损失，电池电解液的损失和电池隔膜的老化所导致。不同类型电池的在不同的循环充放电制式的情况下电池的容量衰减的机制也不相同。目前阶段在对电池健康状态SOH估算的时候，仅仅估算电池容量衰减的幅度，并无法从电池容量衰减的机理来判断电池内部阻抗的变化。
现阶段对电池容量衰减机理的深入研究，通常将电池进行拆解，将正负极活性材料进行SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)，EDS(Energy DispersiveSpectroscopy)能量色散谱测试，分析电极活性材料的衰减情况，从而推断电池的衰减机理。这种方法在实际电动汽车所使用的动力锂离子电池并没有可行性，拆解电池的方法使得电池无法使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，包含以下顺序的步骤：
S1.以1C到0.5C之间任一恒定电流对电池进行充电，再以0.1C到0.05C之间任一恒定电流对电池进行放电，并记录每圈放电过程放出的电量；
S2.在电池放电到0电荷状态时对电池进行交流阻抗测试，取中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线在NOVA1.1中拟合出的电池的电荷转移阻抗；
S3.根据每圈放电电量、电荷转移阻抗、圈数作为估算函数的输入参数，在0rigin9中拟合出容量衰减曲线以及电荷转移阻抗曲线；
S4.根据电荷转移阻抗递增曲线对出容量衰减曲线进行修正，建立出电池健康状况SOH随循环圈数变化的估算函数，计算出可供所述同类型电池健康状况的判断依据。
所述的估算函数，定义为SOH＝1-C·Rct，其中C为容量衰减曲线，Rct为电池的电荷转移阻抗。
所述的基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，还包括步骤S5，验证估算方法的准确性：
所述电池的剩余容量和所述真实值之间的标准误差符合以下回归方程的显著性检验且误差小于7％：
其中，为所述电池的剩余容量的估算值，CAhi为所述电池的剩余容量的真实值，为所述电池的剩余容量的估算值，i为循环圈数，表示电池循环圈数从1到i的i个采集点；
误差技术满足方程：
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明在传统电池健康状态SOH估算中加入电荷转移阻抗进行修正。电荷转移阻抗有别于目前的对于电池内阻的修正方法，将内阻中的随循环圈数变化不大的纯欧姆阻抗剔除，对电池健康状态SOH估算更加精确，同时不需要拆解电池，保持电池的完整性。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法的流程图；
图2为图1所述方法中的电池容量变化曲线图；
图3为图1所述方法中电池电荷转移阻抗与电池循环次数关系曲线；
图4为图1所述方法中经过1700次充放电循环后点电池电荷转移阻抗的估计值和真实值的对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1，一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，包含以下顺序的步骤：
S1.以1C到0.5C之间任一恒定电流对电池进行充电，再以0.1C到0.05C之间任一恒定电流对电池进行放电，并记录每圈放电过程放出的电量；
S2.在电池放电到0电荷状态时对电池进行交流阻抗测试，取中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线在NOVA1.1中拟合出的电池的电荷转移阻抗；
S3.根据每圈放电电量、电荷转移阻抗、圈数作为估算函数的输入参数，在Origin9中拟合出容量衰减曲线以及电荷转移阻抗曲线；
S4.根据电荷转移阻抗递增曲线对出容量衰减曲线进行修正，建立出电池健康状况SOH随循环圈数变化的估算函数，计算出可供所述同类型电池健康状况的判断依据；所述的估算函数，定义为SOH＝1-C·Rct，其中C为容量衰减曲线，Rct为电池的电荷转移阻抗。
S5.验证估算方法的准确性：
所述电池的剩余容量和所述真实值之间的标准误差符合以下回归方程的显著性检验且误差小于7％：
其中，为所述电池的剩余容量的估算值，CAhi为所述电池的剩余容量的真实值，为所述电池的剩余容量的估算值，i为循环圈数，表示电池循环圈数从1到i的i个采集点；
误差技术满足方程：
通常实施使用中的电动车动力型锂离子电池，其放电制式由实际电动车运行方式和路况决定，从而非常复杂没有规律。而放电到0电量时静置一段时间电池内部电化学系统区域稳定，因此，通过对电池交流阻抗测试可以非侵入式的检测电池的内部信息，进而分析电池容量的变化情况。
下面进一步具体实施例对技术方案进行说明，如图1、2、3、4，一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，包含以下顺序的步骤：
步骤S1：以恒定0.5C电流对电池进行充电，电池电压稳定在4.2V时，充电电流减小到0.01C视为电池充电充满；以0.05C对电池进行放电，电池电压降低到2.5V视为电池放电到0电量，同时记录放出的电量；
考虑到电池正极和负极材料的多样性，在本发明的实施例中以应用最广泛的钴酸锂为正极，石墨为负极的18650锂离子电池为例进行说明；需要说明的是，本发明实施例亦可以使用其他不同的正极和负极材料的电池；
图2为的电池容量变化曲线图；根据本发明一个实施例的钴酸锂为正极，石墨为负极的18650动力锂离子电池不同衰减情况下的容量变化曲线：其中一条曲线为电池经历1700次充放电循环过程记录的电池容量；另外一条曲线为电池容量变化曲线在Origin9中根据玻尔兹曼函数进行修正，得到电池容量衰减公式：
本示例公式为
实际不同型号、品牌电池得出电池容量衰减公式不同，本公式旨在对测试中同型号电池负责；其中，C为电池实际容量，x为循环圈数；
步骤S2：获取1，5，10，15，20，25……循环圈数中电池0电量时的中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线，通过NOVA1.1电化学软件拟合出电荷转移阻抗，无损的非侵入性的得到电池内部的变化情况，同时在Origin9中拟合出电荷转移阻抗与循环圈数关系曲线；如图3，其中一条曲线为电荷转移阻抗与循环圈数关系曲线在Origin9中根据玻尔兹曼函数进行修正，得到电池电荷转移阻抗递增公式；即实线为电池经历1700次充放电循环过程记录的电荷转移阻抗，虚线为Origin9软件中拟合出电池容量衰减曲线，得出电池电荷转移阻抗递增公式
本示例公式为
实际不同型号、品牌电池得出电池容量衰减公式不同，本公式旨在对测试中同型号电池负责。其中，Rct为电池的电荷转移阻抗，x为循环圈数；
步骤S3：将电荷转移阻抗与循环圈数关系曲线与容量衰减曲线结合分析，在Origin9中定义电池健康状态SOH与循环圈数的曲线关系；所述曲线关系定义公式为
SOH＝1-C·Rct (3)
可见图4，红色为电池SOH预测曲线，黑色为电池实际SOH值；图4中真实值为对应圈数的电池容量与电荷转移阻抗通过定义公式(3)计算值，虚线为拟合曲线经过定义公式(3)得到的预测值。预测值满足验证步骤S5。
步骤S4：进行验证，将同种型号18650动力锂离子电池在上述相同充放电制式条件下测试，由所述模型预测该测试电池的估算健康状态SOH值，所述电池的剩余容量和所述真实值之间的标准误差符合以下回归方程的显著性检验且误差小于7％：
其中，为所述电池的剩余容量的估算值，CAhi为所述电池的剩余容量的真实值，为所述电池的剩余容量的估算值，i为循环圈数，表示电池循环圈数从1到i的i个采集点；
误差技术满足方程：
从上述实施例中，可以发现对锂离子动力电池进行“充电-放电”的模式循环，随着循环次数的增加，SOH值线性递减，说明本发明方法估算的SOH能够得到相对准确的电池健康状态，相比现有技术的评估方法更准确，这是由于循环次数不同(充放电电流、电压参数设置一致)，之后又以相同的倍率放电，再静置，中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线通过NOVA1.1电化学软件拟合出电荷转移阻抗，并且电荷转移阻抗与循环次数呈现线性关系，即循环次数越多，电荷转移阻抗随循环圈数增加而线性递增，这与电池的内部元件的老化损失有关；锂离子动力电池的老化损失原因主要体现在电池内阻、充放电电流大小、极片制作工艺、涂料是否均匀、压实密度有关。在采用同一个电池的情况下，可以忽略充放电电流大小、极片制作工艺、涂布是否均匀、压实密度对电池极化的影响，所以此状态下电池的老化损失主要体现在电池内阻的增大。电池的内阻包括欧姆电阻和电荷转移阻抗，电池的欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配等有关，内阻小的电池的放电能力强，内阻大的电池放电能力弱，说明电池健康状态差，电池电荷转移阻抗大，说明电池内部产生较大阻抗。而Rb纯欧姆阻抗在电池循环寿命中变化不大，通过NOVA1.1电化学软件对中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线中的Rb纯欧姆阻抗进行剔除，单独找出电池电荷转移阻抗，对电池的内部阻抗值作为加以修正。
Nova软件是瑞士万通公司Autolab电化学工作站配套软件，具有拟合交流阻抗曲线功能，OriginOrigin为OriginLab公司出品的较流行的专业函数绘图软件，是公认的简单易学、操作灵活、功能强大的软件，既可以满足一般用户的制图需要，也可以满足高级用户数据分析、函数拟合的需要。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于交流阻抗测试动力锂离子电池SOH的估算方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
S1.以1C到0.5C之间任一恒定电流对电池进行充电，再以0.1C到0.05C之间任一恒定电流对电池进行放电，并记录每圈放电过程放出的电量；
S2.在电池放电到0电荷状态时对电池进行交流阻抗测试，取中频0.25Hz～1.2KHz交流阻抗曲线在NOVA1.1中拟合出的电池的电荷转移阻抗；
S3.根据每圈放电电量、电荷转移阻抗、圈数作为估算函数的输入参数，在Origin9中拟合出容量衰减曲线以及电荷转移阻抗曲线；
S4.根据电荷转移阻抗递增曲线对容量衰减曲线进行修正，建立电池健康状况SOH随循环圈数变化的估算函数，计算出可供同类型电池健康状况的判断依据；
所述的估算函数，定义为SOH＝1-C·Rct，其中C为容量衰减曲线，Rct为电池的电荷转移阻抗。
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