CN106289566A

CN106289566A - 一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算的方法

Info

Publication number: CN106289566A
Application number: CN201610569870.XA
Authority: CN
Inventors: 张剑波; 李哲; 司德春; 苏来锁
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2017-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: CN106289566B

Abstract

本发明提出一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算的方法，属于二次电池测温技术领域，该方法具体包括：获取稳定情况下各类二次电池在多个温度、多个荷电状态下所对应的多组电化学阻抗谱数据；确定电化学阻抗谱特征量对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感的频率范围，并获得该频率范围中选取的某频率点下电化学阻抗谱特征量和环境温度的关系；在实际环境中测量电池在该频率点下的单频电化学阻抗谱，获取该频率点下的电化学阻抗谱实部值；利用该款电池在该频率点电化学阻抗谱特征量和温度的关系计算出此时电池的内部温度。本发明避免了内置传感器对电池产生的影响，在保证较高精度同时，提高了温度估算速率，增加了实验便捷性。

Description

一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算的方法

技术领域

本发明属于二次电池测温技术领域，特别涉及到一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算的方法。

背景技术

二次电池目前广泛应用在各个领域，市场上主要的二次电池有锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池各种类型。近年来，随着二次电池制备技术和生产工艺的进步，价格逐渐递减，二次电池的产量和销售量得到了快速增长。其中锂离子电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、对环境友好等诸多优点，更宜用于纯电动汽车、插电式电动汽车以及混合动力汽车的主要驱动能源，其在手机、笔记本电脑、航天设备等领域也得到了广泛的应用。

但二次电池在应用过程中仍然面临诸多问题，电池的性能、老化和安全问题都与电池的温度敏感相关，电池温度的可靠、实时检测方法是优化电池使用、延缓电池衰减、提高电池安全性的重大需求。以锂离子电池为例，如电池的安全性能。锂离子电池的热安全是影响锂离子电池正常使用的一个重要方面，如果锂离子电池使用温度过高，会造成电池性能的加速下降，另外，高温下锂离子电池还面临着安全隐患，如在电动汽车上出现的由于电池局部温度过高导致其起火，手机长时间高功率使用引起电池温度过高，并进一步导致手机故障。因此，二次电池在使用过程中需要实时监测其内部温度，判断电池当前的使用环境，及时优化电池的外部工作条件，进而提高电池的安全性。

获取二次电池温度的传统方法是利用温度测量装置，可以分为内部测量和外部测量。内部测量通常是通过内置微型温度传感器来获取电池的温度，该方法较为复杂且成本较高，当需要测量多节电池内部温度时，需要对电池做特殊的设计；另外，这种测量方法会影响电池的性能和使用寿命。外部测量通常是利用电池表面的热电偶来获取电池当前的温度，由于电池使用过程中内外存在温差，该方法的测量结果不能准确地反映出电池内部的实际温度；且当电池数量较多时，需要较多的传感器来获取温度信息，增加测量温度所需要的成本。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的目的是提出一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算的方法。该方法能准确地估算出二次电池内部温度，便于人们及时掌握电池的内部温度，判断电池当前的使用环境，及时优化电池的外部工作条件，进而提高电池使用的安全性。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算方法，其特征在于，包括：

S1、采用电化学阻抗谱标定法，获取稳定情况下各类二次电池在多个温度、多个荷电状态下所对应的多组电化学阻抗谱数据；

S2、确定每类二次电池的多组电化学阻抗谱数据中电化学阻抗谱的特征量对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感的频率范围，并从该频率范围任意选取某个频率点，获得该频率点下电化学阻抗谱特征量和环境温度的关系；

S3、测量实际环境中待测二次电池在步骤S2中同类电池得到的频率点下的单频电化学阻抗谱，并获取该频率点下的电化学阻抗谱特征量；

S4、利用步骤S2得到的该类电池在该频率点电化学阻抗谱特征量和温度的关系估算出待测二次电池的内部温度。

本发明的特点及有益效果：

根据本发明的电池内部温度估算方法，能够简单、快速的获得二次电池的内部温度。通过对二次电池测量EIS，得到某一频率下电池EIS实部和电池内部温度的关系来估算电池的内部温度。此方法不需要改变电池本身的结构，测量原理简单，这种方法能够迅速得到电池内部温度，从而优化电池的工作条件，提高电池的安全性。

附图说明

图1是本发明一个实施例的锂离子电池内部温度的估算流程图；

图2是本实施例的锂离子电池的温度测量实验装置示意图；

图3是本实施例的锂离子电池在25℃，SOC为50％的EIS示意图；

图4是本实施例的锂离子电池在0℃，25℃，40℃，SOC为50％的EIS示意图；

图5是本实施例的锂离子电池在测量频率为251.18Hz时EIS实部与温度的关系示意图；

图6是本实施例的锂离子电池在测量频率为3.98Hz时EIS实部与温度的关系示意图；

图7是本实施例的锂离子电池在测量频率为1Hz时EIS实部与温度的关系示意图；

图8是本实施例的锂离子电池在不同频率下定义的函数G(f)变化示意图；

图9是本实施例的锂离子电池在测量频率为3.98Hz时EIS实部与温度的关系示意图；

图10是本实施例的锂离子电池EIS实部与温度的关系示意图。

具体实施方式

下面详述本发明的实施例，通过参考附图描述的实施例旨在用于解释发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了提出一种基于电化学阻抗的电池内部温度估算方法，下面参考附图描述本发明实施例的电池内部温度测量方法，本发明以锂离子电池为实施例，但本方法不仅限于锂离子电池，也可用于镍氢电池或铅酸等各类二次电池。

本发明的一个实施例为对锂离子电池的温度测量方法的流程如图1所示，本发明实施例的电池的温度估算方法包括以下步骤：

S101，采用电化学阻抗谱(EIS,Electrochemical Impedance Spectroscopy)标定法，获取稳定情况下二次电池在多个温度、多个荷电状态(SOC,State of Charge)下所对应的多组EIS数据；

稳定情况是指将电池置于温箱中静置足够长时间(3小时)，电池内部温度和外界环境(温箱)温度一致后的状态。本发明选取合适频率(频率范围为0.01—10000Hz)的电化学阻抗谱。过低的测试频率会增加测量时间，且低频下测试会影响电池的SOC值；过高的频率，测试结果受到外界感抗的影响较大，测试误差比较大。

多个温度的选取原则为：覆盖常用的温度范围。温度过低会造成电解液凝固，对电池EIS造成非常态的影响，且过低的温度不符合电池的实际使用工况；温度过高会加速电池内部的副反应，且高温下EIS值较小，测量误差很大。多个荷电状态选择原则为：覆盖常见的SOC范围。电池正常工作的SOC范围通常在20％-90％之间，选取合适的SOC范围能够避免极端SOC(如过充、过放)对电化学阻抗谱测试结果的影响，从而影响合适频率范围的选取。

如图2所示为对锂离子电池EIS测量的实验装置该实验装置由下述设备组成：锂离子电池(18650型电池，18指直径为18mm,65指高度为65mm,0表示圆柱形)、电化学阻抗谱测量装置、温度控制装置(本实施例为一温度可控温箱)、电脑，其中：将锂离子电池样品放置在温箱中，电化学阻抗谱测量装置的输入端与锂离子电池样品相连，电化学阻抗谱测量装置的输出端与电脑相连。

具体实验步骤为：首先对锂离子电池样品进行EIS标定，测定该电池样品在不同SOC下、不同温度下对应的多组EIS数据。图3为本实施例在25℃、SOC为50％下的锂离子电池阻抗谱示意图。图4为SOC为50％时，在25℃、40℃、55℃下的锂离子电池阻抗谱示意图，可以看出随着温度升高，表示欧姆阻抗的半圆在变小。

S102，确定EIS实部对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感的频率范围，并从该频率范围任意选取某个频率点，获得该频率点下EIS实部和环境温度的关系。

本发明实施例中采用的是EIS实部为EIS特征量来进行计算和预测温度，但不仅限于实部。选取EIS特征量和数据处理结果相关：在分析电池电化学阻抗谱虚部和测试频率的关系时，更容易找到测试结果对温度敏感，对荷电状态变化相对不敏感的合适频率范围。本发明方法还可依据对温度变化的敏感度和对SOC变化的不敏感度来选为估算温度的EIS特征量，如虚部、幅值、相位角，或这些成分的函数等。

本实施例通过在各个频率下，比较电池各个温度下EIS实部极差与所有EIS实部数据极差来确定合适的频率范围，在这个频率范围内，EIS实部对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感。

具体的如

图5，图6，图7所示，为频率分别在251.18Hz，12.58Hz，1Hz时，电池在9个不同SOC下(10％～90％)EIS实部随温度(-20、-10、0、25、40、55、60℃)变化图。从

图5可以看出在频率251.8Hz时，各个温度下EIS实部变化不是很大；从图7可以看出在频率为1Hz时，EIS实部在各个温度下随SOC则有较大的变化；从图6可以看出，在频率为12.58Hz时，EIS实部随温度变化较大，同时在各个SOC下EIS实部变化很小。

因此，通过在各个频率下，比较电池各个温度下EIS实部极差与所有EIS实部数据极差来确定合适的频率范围，在这个频率范围内，EIS实部对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感。如图9为频率在12.58Hz下电池EIS实部与温度的关系示意图(纵坐标范围较图6变小)。横坐标为环境温度，纵坐标为EIS实部值，x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆为每个温度下不同SOC的阻抗实部数据极差，x₀为所有温度下的阻抗实部数据极差。

定义函数：

G (f) = \frac{(x_{1} + x_{2} + x_{3} + x_{4} + x_{5} + x_{6}) / 7}{x_{0}} - - - (1),

函数G(f)表示不同频率下对SOC敏感度和对温度敏感度的比值，函数G(f)数值越小，则表示对SOC越不敏感，对温度较为敏感。通过定义函数G(f)，可以得到在不同频率下函数G(f)的数值，如图8所示，在频率为3.98Hz时，函数G(f)取得最小值，也可以发现在函数G(f)取最小值附近也满足对SOC较不敏感，而对温度更敏感。通过确定G(f)的范围，从而找到一个频率范围，在这个频率范围下，SOC的变化对电池EIS实部影响较小，而温度的变化对EIS实部影响很大。例如，在本发明实施例中，获取的频率范围约为3Hz到80Hz。

所述的获取电化学阻抗谱的特征量对温度变化敏感，而对荷电状态变化不敏感的的频率范围方法也可以采用其他数据处理方法，而不仅限于本实施例采用的数学方法。

从所确定的频率范围中选择一个频率，拟合出此频率下电化学阻抗谱中的EIS实部和温度的函数关系。在测量频率为3.98Hz下，本发明一个实施例的锂离子电池EIS实部与温度的关系如图8所示，在本发明实施例中，用阿伦尼乌斯公式：

T = A \exp (\frac{B}{R}) - - - (2)

来进行拟合，其中T为电池内部温度，R为EIS实部，A,B为拟合值。本发明实施例中，拟合得到拟合值分别为：

A＝229.52,B＝0.007338。

从而得到锂离子电池EIS实部与温度的关系曲线如图9所示。

S103，在实际环境中测量待测锂离子电池在步骤S102选取的频率点下的单频EIS，获取该频率点下的EIS实部值。

具体地，将待测锂离子电池置于实际环境中，并获取在S102中频率下的EIS实部。

S104，利用该锂离子电池在该频率点EIS实部和温度的关系计算出此时电池的内部温度。

具体地，根据S102中的函数关系(公式2)；来估算温度，得到电池的内部温度。如在本发明实施例中，在频率为12.58Hz下，利用实验结果拟合获得电池EIS实部和内部温度函数关系为

本实施例通过验证实验来对本方法进行检验。将同类锂离子电池置于温箱中，分别在稳态情况下测量5℃，15℃和30℃的单频阻抗，并采用公式(2)来估算温度。实验表明，在5℃，15℃和30℃三种情况下的估算误差为±1.5℃，估算精度较高。

Claims

1.一种基于电化学阻抗对二次电池内部温度估算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个温度的选取原则为：覆盖二次电池常用的温度范围。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多个荷电状态选择原则为：选取二次电池正常工作的荷电状态范围在20％-90％之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用电化学阻抗谱标定法中电化学阻抗谱选取频率范围为0.01—10000Hz。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定每类二次电池的多组电化学阻抗谱数据中电化学阻抗谱的特征量对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感的频率范围是通过在各个频率下，比较电池各个温度下电化学阻抗谱特征量极差与所有电化学阻抗谱特征量数据极差来确定合适的频率范围，在这个频率范围内，电化学阻抗谱特征量对温度变化敏感、而对荷电状态变化相对不敏感。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，选取电化学阻抗谱特征量和数据处理结果相关；所述电化学阻抗谱特征量选取电化学阻抗谱的实部、虚部、幅值、相位角，或这些成分的函数中任一种。