CN106772075A - 一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，包括步骤：S1：测得电池单体的阻抗和温度的特性关系；S2：构建电池内部温度梯度；S3：将电池单体离散化为多个电池片，根据每个电池片的位置，结合电池内部温度梯度得到每个电池片的温度；S4：利用事先实验得到的电池阻抗和温度的特性关系，得到每个电池片阻抗；S5：根据每个电池片的阻抗优化电池阻抗模型。与现有技术相比，本发明将电池单体离散化为多个电池片，分别计算每个电池片的阻抗后再优化电池阻抗模型，得到的模型更加准确。

Description

一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法

技术领域

本发明涉及一种电力储能领域，尤其是涉及一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法。

背景技术

锂离子电池作为纯电动汽车和混合动力汽车的动力来源，对汽车的动力性能影响很大。因此需要电池管理系统，对电池的状态估计、功率预测等进行研究。电池管理系统一般是基于电池模型来进行研究的，因而电池模型的精度对管理系统的性能有很大影响。实际应用中，电池工作温度范围较大，而电池模型中的阻抗特性受温度的影响也很大。为了得到更精确的电池模型，需要考虑温度的影响。

现有研究及工程实现中，电池模型一般不考虑电池内部温度梯度，而是将电池表面温度或者平均温度作为模型的参数，通过表面温度修正电池模型阻抗参数，这导致模型的精度不高，从而影响电池管理性能。然而，实际上电池在充放电过程中，会导致电池内部产生温度梯度。此时，如果用表面温度或者环境温度来修正电池阻抗模型，将会带来较大误差。所以，需要考虑存在温度梯度时的阻抗特性模型。

本发明在实际应用中，通过离线试验得到电池单体阻抗和温度的对应关系，基于在线计算的电池内部温度，结合电池表面温度，构建电池内部温度梯度。将电池单体进行离散化处理，获得离散化电池片阻抗和温度的特性关系。利用离散化电池片阻抗和电池单体阻抗的关系，在线修正电池单体阻抗，从而为电池模型提供了更加精确的参数。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，包括步骤：

S1：测得电池单体的阻抗和温度的特性关系；

S2：构建电池内部温度梯度；

S3：将电池单体离散化为多个电池片，根据每个电池片的位置，结合电池内部温度梯度得到每个电池片的温度；

S4：利用事先实验得到的电池阻抗和温度的特性关系，得到每个电池片阻抗；

S5：根据每个电池片的阻抗优化电池阻抗模型。

所述步骤S1包括步骤：

S11：将电池单体放在恒温箱中，静置直至电池单体的各层温度达到稳态；

S12：在电池单体一个表面的中心贴热电偶用于检测电池单体的表面温度；

S13：改变恒温箱的温度后，重复步骤S11和S12，直至获得指定组数据；

S14：进行电化学交流阻抗谱测试，通过数据拟合，得到不同温度下，电池单体阻抗的实验数据。

所述步骤S2具体包括步骤：

S21：采集电池单体工作过程中的电流和电压；

S22：利用集总参数热模型在线计算电池单体内部温度；

S23：结合电池单体工作过程中实测的表面温度，构建电池单体内部温度梯度。

所述步骤S22中的计算电池难题内部温度具体包括步骤：

S221：测得环境温度和电池单体各方向的表面温度；

S222：根据电池单体工作过程中的电流和电压计算电池单体的发热量；

S223：根据电池单体各方向的表面温度、电池单体的发热量以及电池单体的尺寸信息计算x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，以及z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻；

S224：根据x、y或z方向电池单体的表面温度、电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、以及环境温度计算电池单体内部温度。

所述集总参数热模型具体为：

其中：Tin为电池单体内部温度，Tsurf,x、Tsurf,y、Tsurf,z分别为x、y、z方向的电池单体的表面温度，Ta为环境温度，Rin,x、Rout,x分别为x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,y、Rout,y分别为y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,z、Rout,z分别为z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，q为电池单体的发热量，h为换热系数，Sx、Sy、Sz分别为是垂直于x轴、y轴、z轴的电池单体表面的表面积。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明在构建电池内部温度梯度时，采用的是软测量的方法，并不影响电池单体的性能和寿命。

2)本发明对电池模型阻抗修正时利用了内部温度梯度，因而所涉及的电池模型精度更高，并且需要的数据量较小，模型计算量小。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明的工作原理图；

图3为电池单体等效模型示例；

图4为本发明的离线实验图示例；

图5为电池单体离散化示意图；

图6(a)为电池单体欧姆阻抗和温度的关系图；

图6(b)为离散化后电池片欧姆阻抗和温度的关系图；

图7(a)为电池单体极化阻抗和温度的关系图；

图7(b)为离散化后电池片极化阻抗和温度的关系图；

图8为集总参数热模型示意图；

图9为电池单体在存在温度梯度时的离散分析原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，如图1所示，包括步骤：

S1：测得电池单体的阻抗和温度的特性关系，具体包括步骤：

S11：将电池单体放在恒温箱中，静置直至电池单体的各层温度达到稳态；

S12：在电池单体一个表面的中心贴热电偶用于检测电池单体的表面温度；

S13：改变恒温箱的温度后，重复步骤S11和S12，直至获得指定组数据；

S14：进行电化学交流阻抗谱测试，通过数据拟合，得到不同温度下，电池单体阻抗的实验数据。

S2：构建电池内部温度梯度，具体包括步骤：

S21：采集电池单体工作过程中的电流和电压；

S22：利用集总参数热模型在线计算电池单体内部温度，

集总参数热模型具体为：

其中：Tin为电池单体内部温度，Tsurf,x、Tsurf,y、Tsurf,z分别为x、y、z方向的电池单体的表面温度，Ta为环境温度，Rin,x、Rout,x分别为x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,y、Rout,y分别为y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,z、Rout,z分别为z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，q为电池单体的发热量，h为换热系数，Sx、Sy、Sz分别为是垂直于x轴、y轴、z轴的电池单体表面的表面积。

其中计算电池难题内部温度具体包括步骤：

S221：测得环境温度和电池单体各方向的表面温度；

S222：根据电池单体工作过程中的电流和电压计算电池单体的发热量；

S223：根据电池单体各方向的表面温度、电池单体的发热量以及电池单体的尺寸信息计算x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，以及z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻；

S224：根据x、y或z方向电池单体的表面温度、电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、以及环境温度计算电池单体内部温度。

S23：结合电池单体工作过程中实测的表面温度，构建电池单体内部温度梯度。

S3：将电池单体离散化为多个电池片，根据每个电池片的位置，结合电池内部温度梯度得到每个电池片的温度；

S4：利用事先实验得到的电池阻抗和温度的特性关系，得到每个电池片阻抗；

S5：根据每个电池片的阻抗优化电池阻抗模型。

以下，将参考附图详细地解释本发明的优选实施例。

图2是本发明的工作原理图。首先对电池进行离线基本实验，获得电池单体阻抗和温度的特性关系。然后采集电池工作过程中的电流和电压，利用集总参数热模型估计电池内部温度。之后结合电池工作过程中实测的表面温度，构建电池内部温度梯度。将电池单体进行离散化处理，获得离散化后电池片阻抗和温度的关系。最后，利用电池片阻抗和电池单体阻抗的关系，在线更新阻抗模型。

常见的电池模型包括PNGV模型，二阶RC回路模型，三阶RC模型等，此处以图3所示的PNGV电池模型为例说明本发明的应用原理。该模型中，将电池特性描述成1阶RC电路。R_o表示欧姆内阻，RC回路模拟极化响应，C描述电池吸收、放出电量时随着负载电流的时间累计而产生的开路电压的变化特性，此电容的大小反映了电池的容量大小。电池模型的输入量为电流I。该电路可用公式表示：

U＝I*R_o+OCV+I*(R_p//C_p)

由上述公式可以看出，建立阻抗和温度关系的时候，实际就是建立R_o、R_p、C_p和温度的关系。而考虑温度梯度的阻抗更新，即根据电池内部温度梯度来优化R_o、R_p和C_p的取值。在实验中，可根据电压、电流数据，通过数据拟合的方法得到R_o、R_p和C_p及其在不同温度下的取值。

图4是本发明的离线实验设计图。进行离线实验时，将电池单体放在恒温箱中，用于研究电池单体阻抗和温度的特性关系。每次改变恒温箱的温度时，静止3个小时，使得电池单体的各层温度达到稳态，在电池一个表面的中心贴热电偶用于检测电池单体的温度。之后进行电化学交流阻抗谱测试(Electrochemical Impedance Spectroscopy,简称EIS)，通过数据拟合，得到不同温度下，电池单体阻抗的实验数据，及上述R_o、R_p和C_p在不同温度下的取值。

为了更好地分析电池阻抗和温度的关系，可以将电池单体进行离散化处理。如图5所示，电池单体可以离散化成N片电池片。考虑图5所述的离散化思路，电池单体可以认为是由离散化后的电池片并联而成，则离散化后电池片的欧姆内阻R_o__subcell为N*R_o。取N＝10时，关系图如图6(b)所示。同样，根据图5所述的离散化思路，离散化后电池片的极化内阻R_p__subcell为N*R_p。取N＝10时，关系图如图7(b)所示。

在上述离散化的电池阻抗更新中，需要在线构建电池内部温度梯度。而为了在线构建电池内部温度梯度，在电池表面温度测量的基础上，还需要获得电池内部温度。本发明中，采用集总参数热模型来获得电池内部温度。典型的集总参数热模型的示意图如图8。该模型将电池内部发热机理简化成3个方向。并且每个方向上都存在两个热阻，分别是电池表面和电池内部热阻以及电池表面和环境之间的热阻。

根据图3中的电池模型，q＝(U-OCV)*I，U是端电压，OCV是开路电压。联立集总参数热模型方程组，可得Rin,x、Rin,y、Rin,z、Rout,x、Rout,y、Rout,z和换热系数h的值。然后将计算结果带入集总参数热模型的第一个方程，即可获得电池内部温度T_in。当获得内部温度T_in及测量获得的表面温度，即可在线构建电池内部温度梯度。

实际工况中，电池在充放电过程中会导致电池内部产生温度梯度，如图9所示。将电池单体离散化成N片之后，根据离散化后电池片的位置，可以获得每片电池片的温度。根据电池单体阻抗和温度的特性关系，可以得到每片电池片的欧姆内阻R_0i和每片电池片的极化电阻R_pi(i表示电池片的位置，取值为1～N)。以N＝6为例，可以获得考虑温度梯度下电池单体的欧姆内阻R_o和极化电阻R_p，方程如下：

利用此在线构建内部温度梯度的方法更新的欧姆内阻和极化内阻，可以获得更好的电池模型。

Claims (5)

1.一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，其特征在于，包括步骤：

S1：测得电池单体的阻抗和温度的特性关系；

S2：构建电池内部温度梯度；

S3：将电池单体离散化为多个电池片，根据每个电池片的位置，结合电池内部温度梯度得到每个电池片的温度；

S4：利用事先实验得到的电池阻抗和温度的特性关系，得到每个电池片阻抗；

S5：根据每个电池片的阻抗优化电池阻抗模型。

2.根据权利要求1所述的一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，其特征在于，所述步骤S1包括步骤：

S11：将电池单体放在恒温箱中，静置直至电池单体的各层温度达到稳态；

S12：在电池单体一个表面的中心贴热电偶用于检测电池单体的表面温度；

S13：改变恒温箱的温度后，重复步骤S11和S12，直至获得指定组数据；

S14：进行电化学交流阻抗谱测试，通过数据拟合，得到不同温度下，电池单体阻抗的实验数据。

3.根据权利要求1所述的一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括步骤：

S21：采集电池单体工作过程中的电流和电压；

S22：利用集总参数热模型在线计算电池单体内部温度；

S23：结合电池单体工作过程中实测的表面温度，构建电池单体内部温度梯度。

4.根据权利要求3所述的一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，其特征在于，所述步骤S22中的计算电池难题内部温度具体包括步骤：

S221：测得环境温度和电池单体各方向的表面温度；

S222：根据电池单体工作过程中的电流和电压计算电池单体的发热量；

S223：根据电池单体各方向的表面温度、电池单体的发热量以及电池单体的尺寸信息计算x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，以及z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻；

S224：根据x、y或z方向电池单体的表面温度、电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻、以及环境温度计算电池单体内部温度。

5.根据权利要求4所述的一种考虑温度梯度的在线电池阻抗模型优化方法，其特征在于，所述集总参数热模型具体为：

$\frac{Tin-Tsurf,x}{Rin,x}=\frac{Tsurf,x-Ta}{Rout,x}$

$\frac{Tin-Tsurf,y}{Rin,y}=\frac{Tsurf,y-Ta}{Rout,y}$

$\frac{Tin-Tsurf,z}{Rin,z}=\frac{Tsurf,z-Ta}{Rout,z}$

$q=\frac{Tin-Tsurf,x}{Rin,x}+\frac{Tin-Tsurf,y}{Rin,y}+\frac{Tin-Tsurf,z}{Rin,z}$

$\frac{Rout,x}{Rout,y}=\frac{Sy}{Sx}$

$\frac{Rout,x}{Rout,z}=\frac{Sz}{Sx}$

$\frac{Rout,x}{Rout,z}=\frac{Sz}{Sx}$

$Rout,x=\frac{1}{h*Sx}$

其中：Tin为电池单体内部温度，Tsurf,x、Tsurf,y、Tsurf,z分别为x、y、z方向的电池单体的表面温度，Ta为环境温度，Rin,x、Rout,x分别为x方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,y、Rout,y分别为y方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，Rin,z、Rout,z分别为z方向电池单体内部的热阻和电池表面与空气的对流换热热阻，q为电池单体的发热量，h为换热系数，Sx、Sy、Sz分别为是垂直于x轴、y轴、z轴的电池单体表面的表面积。