CN107069131B - 一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法 - Google Patents

一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，是一种基于集总热学等效电路和特殊信号激励的结合数学算法的电池集总热学参数辨识方法，该方法基于电池热学等效电路模拟电池的温升，通过温度变化实验得到该环境下的热学时间常数，根据不同温度下的阻抗建立阻抗与温度的函数关系，施加单一频率与幅值的正弦交流电流确保电池热学模型具有较高的精度。根据电池温升模型和阻抗与温度的函数关系计算电池在特殊激励下的温度变化，经过搜索迭代算法逼近实际测试的电池温度，从而辨识得到电池比热容和热阻。该方法不需要复杂的测试设备，如绝热量热仪、等温量热仪等昂贵的热学测试设备；并具有辨识锂离子电池热学参数简单可靠和工程易于实现等优点。

Description

一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法
技术领域
本发明涉及电池热学参数测量技术领域，具体说是一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，尤指通过正弦电流加热和空气冷却相结合测量锂离子电池集总热学参数的方法。
背景技术
能源紧缺和环境污染的双重压力助推了电动汽车的快速发展，锂离子电池(锂电池)具有单体电压高、能量密度高、寿命长、无记忆效应和无污染等优点，成为电动汽车动力驱动的首选电池。
锂离子电池热学参数的准确辨识是电池热管理的关键，现有的热学参数辨识方法一般是依靠量热仪等热学测试设备，比如绝热量热仪，一般是保证在绝热环境中将电池加热，根据加热功率和电池的温升计算电池比热容，但测试设备非常昂贵，而且难以在工程上应用，因此在实际车辆上测试比热容较为困难。
此外电池与环境对流换热系数一般采用经验值，但对热管理带来很多不确定性，可能导致电池局部温度过高，因此准确估算电池与环境的热阻具有非常重要的意义。
因此，开发工程上能够可靠、准确辨识电池集总热学参数对电池热管理、电池热安全及提高电池的可靠性显得十分重要。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，能够改善现有技术中比热容测试依赖昂贵设备、难以在线测试和导热电阻难以准确估计等问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，包括如下步骤：
S1、在外部无电流激励的情况下，将电池在温箱内某温度下静置一段时间，然后调整温箱温度为另一温度，在温度变化过程中实时测试电池温度和环境温度；
S2、对测试得出的电池温度和环境温度作差得到电池温差，将电池温差对时间进行微分，得到电池的热学时间常数，计算公式为
其中，τT为热学时间常数，Tb为电池温度，Ta为环境温度；
S3、选取某些温度点，测试这些温度点的EIS(电化学阻抗谱)；根据测试得到的EIS，构建电池阻抗与温度的函数关系，关系式为
其中，Rx(T)为温度T时的阻抗，Earx为活化能，单位为kJ/mol，R为摩尔气体常数，brx为比例系数；
S4、对电池施加某频率某幅值的恒频恒幅的正弦交流电流激励，升高电池的温度，记录在温升过程中的电池温度和环境温度；
S5、根据阻抗与温度的函数关系计算电池在温升过程中各温度下的实部阻抗，并计算电池在各温度下的产热率，计算公式为
其中，为电池在各温度下的产热率，I为正弦交流电流峰值，Re(T)为电池在温升过程中各温度下的实部阻抗值；
S6、根据电池集总热学等效电路，建立电池温升模型，然后基于电池温升模型，根据电池在各温度下的产热率和热学时间常数，利用搜索迭代算法估算电池的集总热学参数。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中所述静置时间为5小时以上。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中所述某温度为25℃，所述另一温度为-15℃。
在上述技术方案的基础上，步骤S4中，所述正弦交流电流的幅值为10A，频率为500Hz。
在上述技术方案的基础上，步骤S6中所述电池的集总热学参数为电池的比热容和热阻。
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、钛酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池等动力电池。
本发明所述的一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，具有以下有益效果：
1、具有辨识锂离子电池热学参数简单可靠和工程易于实现等优点；
2、改变环境温度时，同时记录环境温度和电池温度，利用两者的温差估算电池的热学时间常数，能够排除其他因素对热学时间常数的影响，提高热学参数的估计精度；
3、施加恒频恒幅的正弦交流电流，保证电池的SOC不变，使得电池熵变热基本为0，从而提高电池热学模型的精度；
4、基于集总热学等效电路模型，结合热学时间常数，利用搜索迭代算法以最小误差逼近电池温升曲线，得到电池热学参数；
5、该方法结合温度变化和正弦交流电流加热过程，基于集总热学等效电路模型，以工程可实现的方式准确、可靠辨识电池热学参数；
6、该方法提供了一种工程上测试锂离子电池集总热学参数的方法，及时掌握电池比热容及电池散热热阻的情况，为电池热管理和安全预警提供依据。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是集总热学等效电路模型；
图2是冷却时电池的温度变化图；
图3是在不同温度下锂离子电池的EIS阻抗Nyquist图；
图4是输入电流随时间的变化图；
图5是施加500Hz电流时电池的温度变化图；
图6是求解比热容和热阻的搜索迭代算法示意图；
图7是在绝热量热仪中加热时电池的温度变化图；
图8是施加不同频率时电池温度与误差的变化图；
图9是集总热学参数辨识方法的示意图。
具体实施方式
以下具体实施例以三元材料动力电池为例进行说明。
如图1-9所示，一种锂离子集总热学参数的辨识方法，包括如下步骤：
S1、在外部无电流激励的情况下，将电池在温箱内某温度下静置一段时间，然后调整温箱温度为另一温度，在温度变化过程中实时测试电池温度和环境温度；
S2、对测试得出的电池温度和环境温度作差得到电池温差，将电池温差对时间进行微分，得到电池的热学时间常数，计算公式为
其中，τT为热学时间常数，Tb为电池温度，Ta为环境温度；
S3、选取某些温度点，测试这些温度点的EIS(电化学阻抗谱)；根据测试得到的EIS，构建电池阻抗与温度的函数关系，关系式为
其中，Rx(T)为温度T时的阻抗，Earx为活化能，单位为kJ/mol，R为摩尔气体常数，brx为比例系数；
S4、对电池施加某频率某幅值的恒频恒幅的正弦交流电流激励，升高电池的温度，记录在温升过程中的电池温度和环境温度；
S5、根据阻抗与温度的函数关系计算电池在温升过程中各温度下的实部阻抗，并计算电池在各温度下的产热率，计算公式为
其中，为电池在各温度下的产热率，I为正弦交流电流峰值，Re(T)为电池在温升过程中各温度下的实部阻抗值；
S6、根据电池集总热学等效电路，建立电池温升模型，然后基于电池温升模型，根据电池在各温度下的产热率和热学时间常数，利用搜索迭代算法估算电池的集总热学参数。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中所述静置时间为5小时以上。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中所述某温度为25℃，所述另一温度为-15℃。
在上述技术方案的基础上，步骤S4中，所述正弦交流电流的幅值为10A，频率为500Hz。
在上述技术方案的基础上，步骤S6中所述电池的集总热学参数为电池的比热容和热阻。
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、钛酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池、三元材料动力电池。
根据热力学第一定律，电池集总热学等效电路模型如图1所示，包括电池产热率电池比热容C'p，电池与环境热交换的热阻RT，电池温度Tb和环境温度Ta，根据基尔霍夫定律，有
当电池产热率为0时，则
则热学时间常数为
在25℃下荷电状态(SOC)为50％的电池静置5小时以上，以保证电池达到热学平衡，然后调整温箱温度为-15℃，电池温度与环境温度逐渐降低，其中环境温度迅速降为-15℃，电池温度逐渐下降，其温度从6℃下降到-10℃的温度变化如图2所示，冷却过程中，电池温度下降先快速下降然后缓慢下降，存在热学时间常数，根据该曲线利用公式(3)可计算得到τT为81.978s。
在锂离子电池荷电状态(SOC)为50％时，选取具有代表性的几个温度点进行阻抗谱测试实验：分别在从-15℃到6℃每3℃的间隔温度环境下，利用电化学工作站测试锂离子电池的电化学阻抗谱，得到阻抗虚部与阻抗实部的变化曲线，如图3所示。结果表明：随着温度的降低，电池阻抗逐渐增大，中频区的圆弧段直径增加更加明显；曲线穿过横轴，即阻抗虚部为0时，实部阻抗较小，此时施加的激励的频率在kHz数量级上。
电池内部反应速率与温度存在很大的相关性，温度越高反应速率越快，温度较低时电池反应速率较慢，电池阻抗是表征电池反应速率的一个量，阻抗与温度的关系符合Arrhenius方程，对施加500Hz激励下的电池的实部阻抗和虚部阻抗分别利用公式(4)进行拟合，得到阻抗与温度的函数关系。
其中，Rx(T)为温度T时的阻抗，Earx为活化能，单位通常为kJ/mol，活化能的降低可大幅提高反应速率，活化能的高低决定了温度对反应速率的影响幅度；R为摩尔气体常数，brx为比例系数。
当电池在正弦交流电流激励下，由于在长时间尺度上电池无充电和放电，故电池熵变热基本为0，电池极化产热率为
其中，I为正弦交流电流峰值，Re(T)为电池在温升过程中各温度下的实部阻抗值，实部阻抗值是个与温度相关的函数。在-15℃下，对电池施加如图4所示的频率为500Hz、幅值为10A的交流电流，电池温度逐渐升高，电池温升曲线如图5所示，施加该电流1360s后，电池温度从-15℃升高到0.316℃。
根据公式(4)对正弦交流电流加热过程电池各温度下的阻抗进行计算，得到各温度下的实部阻抗Re(T)，根据公式(5)可计算加热过程中的产热率。
基于电池集总热学等效电路模型，采用如图6所示的搜索迭代法，根据公式(6)的最小值确定电池热学参数，计算得到电池比热容C'p为1.441J/(g*K)，电池与环境的热阻RT为56.89g*K/W。
Πe＝∑(T1(t)-T2(t)) (6)
在绝热量热仪中，将电池从31℃加热到60℃，如图7所示。利用公式(7)可计算得到实测的比热容C'p为1.421J/(g*K)，与通过实验测试的结果相差0.02J/(g*K)，表明本发明提出的热学测试方法精度较高。
对电池施加不同频率的正弦交流电流，如5A/50Hz，10A/5kHz,其计算得出的电池温度与实测的电池温度如图8所示，最大温度误差不超过1.5℃，表明本发明提出的热学参数辨识方法精度较高，而且不需要昂贵的测试设备，实验室普通的设备在工程上就可以实现热学参数的准确测量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在外部无电流激励的情况下，将电池在温箱内某温度下静置一段时间，然后调整温箱温度为另一温度，在温度变化过程中实时测试电池温度和环境温度；
S2、对测试得出的电池温度和环境温度作差得到电池温差，将电池温差对时间进行微分，得到电池的热学时间常数；
S3、选取某些温度点，测试这些温度点的EIS；根据测试得到的EIS，构建电池阻抗与温度的函数关系；
S4、对电池施加某频率某幅值的恒频恒幅的正弦交流电流激励，升高电池的温度，记录在温升过程中的电池温度和环境温度；
S5、根据阻抗与温度的函数关系计算电池在温升过程中各温度下的实部阻抗，并计算电池在各温度下的产热率；
S6、根据电池集总热学等效电路，建立电池温升模型，然后基于电池温升模型，根据电池在各温度下的产热率和热学时间常数，利用搜索迭代算法估算电池的集总热学参数；
步骤S6中所述电池的集总热学参数为电池的比热容和热阻。
2.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S1中所述静置时间为5小时以上。
3.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S1中所述某温度为25℃，所述另一温度为-15℃。
4.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S2中热学时间常数的计算公式为：
其中，τT为热学时间常数，Tb为电池温度，Ta为环境温度。
5.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S3中电池阻抗与温度的函数关系式为：
其中，Rx(T)为温度T时的阻抗，Earx为活化能，单位为kJ/mol，R为摩尔气体常数，brx为比例系数。
6.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S4中，所述正弦交流电流的幅值为10A，频率为500Hz。
7.如权利要求1所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，步骤S5中所述产热率的计算公式为：
其中，为电池在各温度下的产热率，I为正弦交流电流峰值，Re(T)为电池在温升过程中各温度下的实部阻抗值。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述的锂离子电池集总热学参数的辨识方法，其特征在于，所述锂离子电池是锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、钛酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108681619B (zh) * 2018-04-03 2022-03-04 哈尔滨工业大学 方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法
CN110501643B (zh) * 2019-07-19 2022-04-26 江苏大学 一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法
CN112964991B (zh) * 2019-11-28 2022-07-15 比亚迪股份有限公司 电池内部温度信息处理方法、计算机设备和存储介质
CN112487748B (zh) * 2020-10-14 2023-01-13 中车长春轨道客车股份有限公司 一种考虑时频域特性的锂离子电池分数阶模型建立方法
CN112582710B (zh) * 2020-11-12 2022-06-10 欣旺达电动汽车电池有限公司 锂离子电池自加热方法、锂离子电池及电动车
CN112590763A (zh) * 2020-12-23 2021-04-02 吉林大学 一种基于电池热及老化的行星混联混动汽车能量优化方法
CN113011007B (zh) * 2021-02-26 2023-02-03 山东大学 一种锂离子动力电池热模型参数快速辨识方法及系统
CN113764747A (zh) * 2021-08-12 2021-12-07 岚图汽车科技有限公司 一种检测电池热管理系统接触热阻方法及装置
CN117110914B (zh) * 2023-10-24 2024-04-05 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池温度测量方法、装置、电子设备及存储介质

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102792175B (zh) * 2010-10-05 2015-03-25 丰田自动车株式会社 蓄电元件的状态推定方法及状态推定装置
US9417270B2 (en) * 2013-01-08 2016-08-16 GM Global Technology Operations LLC Systems and methods to capture and utilize temperature information in a battery system
US9488533B2 (en) * 2014-04-11 2016-11-08 Kidde Technologies, Inc. Self-learning monitoring systems for electrical devices
CN104849675B (zh) * 2015-06-17 2018-03-27 哈尔滨工业大学 锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法

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