CN107192952B - 一种电池内部温度检测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电池内部温度检测方法和装置，方法包括采集电池的交流阻抗谱；根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度。本发明提供的电池内部温度检测方法和装置，综合电池的阻抗特性参数与电池内部温度，在不损坏电池结构的前提下，检测电池内部温度，具有较高的可行性和实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池温度检测技术，具体涉及一种电池内部温度检测方法和装置。
背景技术
电池自问世以来，以其高能量密度、长使用寿命以及清洁环保等优越性能深受世界各国政府和研究人员的青睐，并被广泛应用于电动汽车行业和储能领域。
寿命问题和安全问题一直是制约电池技术发展最主要的两大难题。电池在使用过程中，伴随着循环次数的增加，电池的正负活性极材料逐渐老化，电解液逐渐分解，导致容量会发生衰减，内阻会增加，使用寿命会缩短。同时，电池内阻的增大，使得电池的产热也随之增大，容易造成电池内部温度升高，引起起火、爆炸等现象。
电池内阻作为衡量电池内部导电离子和电子传输难易程度的主要参数，直接决定着电池的功率特性，因而对电动汽车的动力性和储能密度有着重要影响。同时，内阻也决定着电池产热量的大小，是电池产热量检测的关键参数之一。
电池在实际运行的环境温度范围较广，在不同温度和工作状态下，电池内阻均不同。掌握电池内阻与温度、SOC(State of Charge，SOC)和充放电倍率等的内在关系，能够更好地为电池产热模型仿真和热管理系统设计提供依据。
在电池热模型仿真和热管理系统中最主要的手段之一就是对电池的内部环境温度进行检测和监控，而目前对于电池内部的环境温度难以直接进行测量，通常是用电池表面温度进行近似替代，但电池不是热的良导体，仅掌握电池表面温度分布不能充分说明电池内部的热状态，必须通过数学模型计算电池内部的温度，预测电池的热行为，这是电池组热管理系统设计时不可或缺的环节。
由于电池在实际使用过程中，电池结构必须保持完整性，不能拆解，故此无法对电池内部环境温度进行直接的测量，当前的电池内部温度测试方法，都是通过对电池外表面温度测定。电池的产热大部分来自于电池内部反应，通过传热的方式与外部进行热交换，但电池本身不是热的良导体，并不能保证传热的均匀性，因此电池的内部温度常高于电池的外表面温度，而用电池外表面温度近似替代内部温度显然不太准确。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种电池内部温度检测方法，综合电池的阻抗特性参数与电池内部温度，在不损坏电池结构的前提下，检测电池内部温度，具有较高的可行性和实用性。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
本发明提供一种电池内部温度检测方法，所述方法包括：
采集电池的交流阻抗谱；
根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度。
所述采集电池的交流阻抗谱包括：
以0.1C～1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.1C～1C；
调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h以上；
对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
所述T0范围为-20℃～60℃，所述获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱为获取环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
所述根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数包括：
根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围；
根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，并通过观察筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数。
所述阻抗参数包括频率、实部阻抗值、虚部阻抗值和阻抗相位角。
所述根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度包括：
将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数和温度进行拟合，得到如下电池内部温度检测模型：
R＝a*exp(-T/b)+c
其中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度，a、b、c为拟合参数；
根据所述电池内部温度检测模型得到电池内部温度。
本发明还提供一种电池内部温度检测装置，所述装置包括：
采集模块，用于采集电池的交流阻抗谱；
筛选模块，用于根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
检测模块，用于根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度。
所述采集模块具体包括：
充电单元，用于以0.1C～1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
第一调整单元，用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
第一测试单元，用于对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
放电单元，用于以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.1C～1C；
第二调整单元，用于调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h以上；
第二测试单元，用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
所述第一调整单元具体用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在范围为-20℃～60℃中任一环境温度T0条件下恒温静置12h以上；第二测试单元具体用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
所述筛选模块具体用于根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围，根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；所述检测模块具体用于将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数和温度进行拟合，得到如下电池内部温度检测模型，根据所述电池内部温度检测模型得到电池内部温度：
R＝a*exp(-T/b)+c
其中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度，a、b、c为拟合参数。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供通过对电池交流阻抗的测试，将电池的阻抗参数与电池内部温度综合起来，在不损坏电池结构的前提下，较为准确检测出电池内部的环境温度，具有较高的可行性和实用性；
(2)本发明使用交流阻抗对电池内部温度进行检测，是从电池内部阻抗参数特性出发，通过其与温度之间的映射关系，并根据这种关系推测电池的内部温度，采用该方法检测得到的电池内部温度偏差较小，测量更为准确；
(3)本发明通过建立电池内部温度检测模型，有效的排除电池的荷电状态对阻抗值的影响，能够快速准确预测不同内阻时的电池内部温度。
附图说明
图1是本发明实施例中电池内部温度检测方法流程图；
图2是本发明实施例中采集的电池交流阻抗谱示意图；
图3是本发明实施例中电池在不同荷电状态下特征频率带的交流阻抗谱示意图；
图4是本发明实施例中电池在不同环境温度下特征频率带的交流阻抗谱示意图；
图5是本发明实施例中电池内阻与温度关系曲线及其拟合曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
考虑到电池的电极材料的多样性，造成电池的交流阻抗谱也多种多样，为了使叙述更加清晰，本实施例以使用最为广泛的18650型磷酸铁锂动力电池为例进行说明，电池的标称容量为1.35Ah，正极材料为磷酸铁锂，负极材料为石墨。
本发明以下实施例提供的电池内部温度检测方法具体包括：
S101：采集电池的交流阻抗谱；
S102：根据S101采集的电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
S103：根据S102筛选出的与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度。
其中，S101中，采集环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱具体过程如下：
1)以1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
2)将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h；
3)对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
4)以恒流方式且以0.5C的放电电流倍率对电池进行放电；
5)调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h；
6)对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
S101中，还需要采集环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱，具体过程如下：
先将电池荷电状态调整为100％，并将电池在范围为-20℃～60℃中任一环境温度T0条件下恒温静置12h以上；然后对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
图2所示为电池处于环境温度0℃下100％荷电状态时所采集的交流阻抗谱示意图，图中，横轴Z′表示电池交流阻抗的实部，纵轴Z″表示电池交流阻抗的虚部，单位均用mΩ表示。
针对S101中采集的电池的交流阻抗谱，通过比较发现交流信号在2kHz～100Hz频率带范围内阻抗谱为一段圆弧曲线，并且在不同荷电状态下的圆弧曲线重合性好，如图3所示，但它会随着温度状态的变化而变化，如图4所示。确定特征频率范围内的阻抗谱，用于检测电池内部温度，减小电池的SOC对温度检测准确性的干扰。还需要从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的的阻抗参数，具体过程如下：
先根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围；
然后根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，并通过观察筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数，该阻抗参数包括频率、实部阻抗值、虚部阻抗值和阻抗相位角。通过观察比较发现阻抗参数中的实部阻抗值与温度存在明显的单调关系，因此能够通过测量电池内部阻抗的方法对电池内部温度进行准确的检测。
S103中，根据S102中确定的与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度具体过程如下：
首先，通过观察比较发现阻抗参数中的实部阻抗值与温度存在明显的单调关系，因此能够通过测量电池内部阻抗的方法对电池内部温度进行准确的检测。拟合参数a、b、c分别取6.31、25.16、31.4，将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数和温度进行拟合，如图5所示，根据图5所示的拟合曲线得到如下电池内部温度检测模型：
R＝a*exp(-T/b)+c＝6.31*exp(-T/25.16)+31.4
该式中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度；
然后，根据电池内部温度检测模型得到电池内部温度。
最后，通过在优选的特征频率范围内，筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数，利用S103中的电池内部温度检测模型对电池内部温度进行检测，并将电池阻抗测量时的温度值减去温度检测值，得到电池内部温度的检测偏差。由上述电池温度检测模型对电池内部温度的检测偏差如表1所示：
表1
从表1中可以看出，利用本发明中电池内部温度检测模型，与电池的测量值的偏差较小，因此可以利用该检测方法实现对电池内部温度的检测。
本实施例利用S103建立的电池内部温度检测模型，完成电池内部温度检测，并通过内部温度的检测值与测量时实际温度值计算温度偏差，这样可以直观的反映温度检测的准确性，表明利用阻抗谱检测电池内部温度的可行性。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种电池内部温度检测装置，由于这些设备解决问题的原理与一种电池内部温度检测方法相似，因此这些设备的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
该电池内部温度检测装置可以包括：采集模块、筛选模块和检测模块，其中，各自的功能分别为：
采集模块，用于采集电池的交流阻抗谱；
筛选模块，用于根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
检测模块，用于根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度。
采集模块具体可以包括：充电单元、第一调整单元、第一测试单元、放电单元、第二调整单元、第二测试单元
充电单元，用于以0.1C～1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
第一调整单元，用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
第一测试单元，用于对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
放电单元，用于以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.1C～1C；
第二调整单元，用于调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h以上；
第二测试单元，用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
上述采集模块具体用于采集环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱以及环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱，下面分别对2个采集过程进行介绍。
一、采集环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱：
1)以1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
2)将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
3)对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
4)以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.5C；
5)调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h；
6)对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
二、环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱：
在获取环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱的过程中，上述的第一调整单元具体用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在范围为-20℃～60℃中任一环境温度T0条件下恒温静置12h以上；上述的第二测试单元具体用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱。
上述的筛选模块具体用于根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围，根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数。
上述的检测模块具体用于将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数(包括频率、实部阻抗值、虚部阻抗值和阻抗相位角)和温度进行拟合，得到如下电池内部温度检测模型，根据所述电池内部温度检测模型得到电池内部温度：
R＝a*exp(-T/b)+c
其中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度，a、b、c为拟合参数。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本发明实施例提出了一种以电池内部的交流阻抗特性参数检测电池内部温度的方法和装置，将电池的阻抗特性参数与电池内部温度联系起来，在不损坏电池结构的前提下，检测出电池内部的环境温度，具有较高的可行性和实用性。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (2)
1.一种电池内部温度检测方法，其特征在于，所述方法包括：
采集电池的交流阻抗谱；
根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度；
所述采集电池的交流阻抗谱包括：
以0.1C～1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.1C～1C；
调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h以上；
对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱；
所述T0范围为-20℃～60℃，所述获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱为获取环境温度在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱；
所述根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数包括：
根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围；
根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
所述阻抗参数包括频率、实部阻抗值、虚部阻抗值和阻抗相位角；
所述根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度包括：
将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数和温度进行拟合，得到如下电池内部温度检测模型：
R＝a*exp(-T/b)+c
其中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度，a、b、c为拟合参数；
根据所述电池内部温度检测模型得到电池内部温度。
2.一种用于如权利要求1所述电池内部温度检测方法的装置，其特征在于，所述装置包括：
采集模块，用于采集电池的交流阻抗谱；
筛选模块，用于根据电池的交流阻抗谱确定特征频率范围，并从特征频率范围筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；
检测模块，用于根据与温度存在单调关系的阻抗参数以及其与温度的对应关系建立电池内部温度检测模型，进而得到电池内部温度；
所述采集模块具体包括：
充电单元，用于以0.1C～1C的充电倍率并采用恒流恒压方式对电池进行充电，至电池的电压达到截止电压，然后以截止电压充电至电流小于0.05C；
第一调整单元，用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在环境温度T0的条件下恒温静置12h以上；
第一测试单元，用于对恒温静置后的电池进行交流阻抗测试，获得100％荷电状态下电池的交流阻抗谱，该阻抗谱的频率范围为10kHz～10mHz；
放电单元，用于以恒流方式对电池进行放电，放电电流倍率为0.1C～1C；
第二调整单元，用于调整电池的荷电状态，每次下降的荷电状态百分比为10％，并将电池在不同荷电状态下分别静置2h以上；
第二测试单元，用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0下不同荷电状态下电池的交流阻抗谱；
所述第一调整单元具体用于将电池荷电状态调整为100％，并将电池在范围为-20℃～60℃中任一环境温度T0条件下恒温静置12h以上；第二测试单元具体用于对电池进行交流阻抗测试，获取环境温度T0在-20℃～60℃区间内不同荷电状态下电池的交流阻抗谱；
所述筛选模块具体用于根据电池的交流阻抗谱将2kHz～100Hz作为特征频率范围，根据特征频率范围内的阻抗参数和温度绘制阻抗参数～温度曲线，筛选出与温度存在单调关系的阻抗参数；所述检测模块具体用于将与温度存在单调关系且受荷电状态影响小于预设阈值的阻抗参数和温度进行拟合，得到如下电池内部温度检测模型，根据所述电池内部温度检测模型得到电池内部温度：
R＝a*exp(-T/b)+c
其中，R为电池的阻抗参数，T为电池的内部温度，a、b、c为拟合参数。
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