CN108828446A

CN108828446A - 一种老化过程对容量影响的修正方法

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Publication number: CN108828446A
Application number: CN201810357583.1A
Authority: CN
Inventors: 王顺利; 谢伟; 于春梅; 王露; 陈蕾; 张丽; 潘小琴; 王瑶; 李进; 凌利; 熊丽英; 张晓琴
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2018-11-16

Abstract

本发明涉及一种老化过程对容量影响的修正方法，属于新能源测控领域；该方法针对老化过程对容量影响的修正目标，提出了一种锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征；该方法在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达；该方法在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系；该方法在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合两因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系的建立，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达。

Description

一种老化过程对容量影响的修正方法

技术领域

本发明涉及一种老化过程对容量影响的修正方法，该方法针对锂离子电池组老化过程对容量影响的修正目标，综合考虑计算精度和复杂度，提出了一种锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征；老化过程对容量影响的修正方法在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达；老化过程对容量影响的修正方法在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系；老化过程对容量影响的修正方法在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合两因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系优化，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达；该方法是一种基于现代控制理论的锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，属于新能源测控领域。

背景技术

近年来，锂离子电池的工作性能之所以得到不断提高，主要是由于其内部正极、隔膜、负极和电解液材料的不断改进；同时，生产工艺和其他因素的提高也同样起到了非常重要的作用；其工作性能的快速发展，使得锂离子电池组成为最有希望的可充电动力电池组；航空锂离子电池组主要用于飞机点火、关键仪器仪表和应急迫降供能；鉴于飞机的高可靠性要求，锂离子电池组用作整个航空控制系统的应急能量供应设备；锂离子电池组用来解决瞬时能量不足的问题，并为应急处理提供能量供应保障，提高飞行维护和综合应用性能；因此，锂离子电池组作为辅助动力在航空应用中发展迅速；例如，美国军用A10、MQ-9、AH64等战机和无人机的电池来源于Eagle-Picher公司，已由使用镉镍电池组全部转为锂离子电池组，空运客机和国内军用飞机也逐步转为使用锂离子电池组；锂离子电池组的应用已成为航空发展史上一个重要的里程碑（美国航空航天局）；在市场和政策的推动下，锂离子电池组在航空领域迎来了前所未有的发展高潮。

针对锂离子电池成组工作时的电流倍率、老化和温度等关键参数的修正处理，相关研究人员展开了相关理论和实验研究；Bauer等进行了锂离子电池的老化实验研究；Bazinski等通过实验分析研究了温度对SOC估算效果的影响；Marongiu等分析了锂离子电池的老化特征；Monem等研究了不同充电方法下的老化过程；Osswald等分析了温度不均匀对SOC估算的影响；Petzl等展开了低温下的老化分析；Piret等进行了电化学阻抗的跟踪研究；Samadani等获得了不同使用情景下的锂离子电池性能与劣化规律；Shi等分析了记忆效应对锂离子电池SOC估算效果的影响；Yan等进行了四种不同类型大功率电池在HEV中的耐久性比较和降解机理分析；Zackrisson等进行了锂离子电池的生命周期评价方法研究；Zheng等进行了SOC和库仑效率状态的相关性研究；Kim等基于离散小波变换和电压信号特征提取，实现了电池单体一致性评价；Lin等通过电压检测实现了电池间SOC不平衡度的评价；Saw等分析了锂离子电池在成组集成中存在的问题；Shin等研究了基于统计模型的锂离子电池组单体间差异性管理方法；Shen等进行了锂离子电池的荷电状态、健康状态和功能状态的联合估计研究。

针对锂离子电池组老化过程对容量影响的修正目标，通过对老化过程对容量影响函数关系求取方法进行研究，结合老化影响系数和循环次数修正计算，探索并提出了准确表征锂离子电池组老化过程对容量影响修正的求取方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有锂离子电池组老化过程对容量影响描述方法的不足，提供一种锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，解决锂离子电池成组应用中老化特性的数学描述问题。

本发明主要用于求取锂离子电池组老化过程对容量影响函数关系，通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征；该方法在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达；该方法在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系；该方法在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系优化，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达。

本发明是基于锂离子电池组老化工作特性实验分析和现代控制理论研究相结合方式，实现的锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，具有较强的适用性；针对锂离子电池组老化工作特征描述目标，本发明进行老化过程对容量影响函数关系求取方法优化，实现成组老化过程对容量影响函数关系的数学描述；本发明老化过程对容量影响的修正方法通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征；在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达；在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系；在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法；本发明可对锂离子电池组老化工作特性进行准确描述，具有计算简洁、适应性好和精度高的优点。

附图说明

图1 是本发明锂离子电池组容量随循环次数变化规律示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法结合附图作进一步的详细描述；本发明针对锂离子电池成组应用时老化过程对容量影响的修正问题，提出了一种锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征；老化过程对容量影响的修正方法在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达；老化过程对容量影响的修正方法在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系；老化过程对容量影响的修正方法在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法；该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系的建立，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达，构造老化过程对容量影响的修正方案；为了更好的体现本发明，在本实施例中仅以航空锂离子电池组为例进行说明，但本领域技术人员应该熟知，根据本发明的技术思想可以实现多种锂离子电池组的老化过程对容量影响的修正；以下对锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法的实现步骤进行详细说明。

应用间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，结合电池模型参数辨识和卡尔曼算法，实现航空锂离子电池组SOC估算值的修正；通过对航空应用环境下SOC估算方法的研究，基于充放电过程实验分析，结合模型参数辨识原理实现估算过程，构建估算过程的结构模型；通过开展标准的1C₅A放电容量测定实验，结合安时积分法，获得不同于当前状态的实际放出电量Q _n _Deter；该参数使用放电结束末端的SOC值进行函数表征，通过使用符号SOC _n进行描述；电池厂商提供的额定容量Q _n _Rated，用符号SOC ₀表征；进而获得当前状态下的SOC相对变化比率如式1所示。

(1)

针对可用容量测定目标，用均衡充电方式维护充满电后的初始SOC值代替；这种情况下，所使用的SOC变化量即为Q _n的归一化表征；获得老化状态对电量Q _n的影响系数K _Q，计算表达式如式2所示。

(2)

因为老化过程是一个缓慢变化的过程，所以该函数关系的求取通过定期测定校准的方式实现；通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系如式3所示。

(3)

式中，N为最近一次容量测定后的循环次数，ΔQ _n为后续循环次数对额定容量的影响；在应用于航空锂离子电池组SOC估算过程中，老化过程对额定容量影响的修正处理通过式4进行计算获得。

(4)

针对循环次数对容量衰减的影响分析，开展航空锂离子电池组充放电实验；对其工作特性进行分析，通过记录每次循环充放电过程的放电容量，获得航空锂离子电池组的容量衰减规律；当航空锂离子电池组的材料结构随着充放电次数变化时，它将随之发生数学特征表现的变化；在老化过程的影响下，如果没有修正处理，其供能系统将承受过充、过放和瞬时供电能力不足等风险；容量随循环次数变化具有明显的规律性，看出具有明显的随次数增加而衰减的关系；因此，在航空锂离子电池组SOC估算过程中表征充放电性能是必要的，同时还要考虑充放电循环次数；通过进行测试数据分析，获得了航空锂离子电池组的容量衰减规律，并进行归一化处理以提高其变化规律的适应性和一般性，获取实验结果如1所示。

参见图1，本发明锂离子电池组的容量随循环次数变化具有明显的线性衰减关系；因此，通过考虑充放电循环次数，利用老化影响系数进行修正处理；进而，表征航空锂离子电池组SOC估算过程的充放电性能；通过进行直线拟合，获得其函数关系如式5所示。

(5)

式中，R_C是归一化后的容量随充放电循环次数的变化量，N是循环次数，p ₁是一次项系数，p ₂为常数项；通过直线拟合，获得一次项的值为p ₁= -0.0001029，常数项的值为p ₂=1.0000；因此，每次循环对额定容量的衰减比率为p ₁；因此，实时修正计算的容量表达式如式6所示。

(6)

通过对航空锂离子电池组的性能测试数据进行分析，获得了航空锂离子电池组的容量衰减特性；通过上述实验研究，确定电池组额定容量与循环次数的关系，并作为影响因素融入SOC估算过程中；由实验结果可知，容量随时间变化缓慢，在一定时期内被作为常量用于航空锂离子电池组SOC估算过程中；同时，容量的变化规律通过循环充放电实验获得；在实时SOC估算过程中，通过循环充放电实验，获得精确的航空锂离子电池组容量的衰减特征描述；

综上所述，本发明针对锂离子电池组老化过程对容量影响的修正目标，综合考虑老化影响系数和循环次数修正计算，提出老化过程对容量影响的修正方法，在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系的建立，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达，为锂离子电池组SOC估算和工作状态实时监测提供基础。

本发明的以上实施例仅以航空锂离子电池组为例进行了老化过程对容量影响修正的说明，但可以理解的是，在不脱离本发明精神和范围下本领域技术人员可以对其进行任意的改变和变化。

Claims

1.一种老化过程对容量影响的修正方法，其特征在于，提出了一种锂离子电池组老化过程对容量影响的修正方法，通过间歇式老化程度测定和实时校准计算处理过程，实现了锂离子电池成组老化过程对容量影响关系的有效表征。

2.根据权利要求1所述的一种老化过程对容量影响的修正方法，其特征在于，老化过程对容量影响的修正方法在容量归一化表征的基础上，通过老化状态对电量的影响系数计算获得老化因素影响的数学表达。

3.根据权利要求1所述的一种老化过程对容量影响的修正方法，其特征在于，老化过程对容量影响的修正方法在定期测定校准基础上，通过额定容量与循环次数相关值的同步获取和修正，获得叠加循环次数修正的函数关系。

4.根据权利要求1所述的一种老化过程对容量影响的修正方法，其特征在于，老化过程对容量影响的修正方法在老化影响系数和循环次数修正计算的基础上，结合两因素影响的叠加计算处理，获得老化过程对额定容量影响修正的计算方法。

5.根据权利要求1所述的一种老化过程对容量影响的修正方法，其特征在于，该方法在充分考虑锂离子电池成组工作基础上，结合老化过程对容量影响函数关系的建立，实现对锂离子电池组老化过程特性的数学表达。