CN108919137B - 一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，包括以下步骤：1)建立用以拟合单体电池电化学阻抗谱的等效电路模型；2)根据等效电路模型获取在不同温度和荷电状态下的传荷电阻值，从而得到拟合数据集；3)构建传荷电阻与电池温度和荷电状态之间的计算模型f(T,SOC)，并根据拟合数据集确定表达式中的参数；4)对拟合确定参数后的计算模型进行修正；5)定义电池标准状态，并根据修正后的计算模型g(T,SOC)计算在电池标准状态下传荷电阻值；6)根据折算到标准状态的传荷电阻的相对增长估算电池的老化状态。与现有技术相比，本发明具有计算简便、估计可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及纯电动汽车、插电式混合动力汽车电池管理领域，尤其是涉及一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法。
背景技术
随着电动车的推广应用，对车用电池安全性、可靠性的要求逐渐提高，车用电池的老化状态估计是先进电池管理系统的必需功能。锂离子电池在使用过程中的老化直接影响电动汽车的续驶里程和输出功率，通过对动力电池的老化状态的准确获取能够实现动力电池的高效安全利用，并且可靠估算动力电池的老化状态对于提升电池寿命的研究具有非常重要的意义。目前，有很多锂离子电池老化状态估计方法被提出来，如容量、阻抗等。相比于其他方法，采用电池阻抗的老化状态估计更能够描述电池在老化时机理变化。在研究电池寿命问题时，内阻随着寿命发生变化，为寿命估计提供重要参考，因此可以以内阻的变化来分析电池的老化过程，估计电池老化状态。
目前，在实验室中可利用电化学阻抗谱(EIS)测试的方法进行电池阻抗的测量。电池静置时，对电池施加小幅正弦电压/电流信号作为激励，以得到电池的电流/电压响应，通过响应和激励求出电池的阻抗，测量不同频率下的阻抗得到电池的阻抗谱，并采用参数辨识的方法得到电池的内阻值，用于老化状态的估计。但内阻值受当前电池状态参数如工作温度，荷电状态等影响，这些因素在电池使用历程中不断变化，使得利用电池内阻测量进行寿命估计方法的普适性、可靠性受限，精度很低。若严格控制这些状态变量，则大大提高了实验的复杂性。
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不同电池状态的电池老化状态估计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，用以在任意电池温度和荷电状态下通过测定电池传荷电阻估计电池老化状态，包括以下步骤：
1)建立用以拟合单体电池电化学阻抗谱的等效电路模型；
2)根据等效电路模型获取在不同温度和荷电状态下的传荷电阻值，从而得到拟合数据集；
3)构建传荷电阻与电池温度和荷电状态之间的计算模型f(T,SOC)，并根据拟合数据集确定表达式中的参数；
4)对比在某一老化状态和特定温度、荷电状态下获取的传荷电阻值，对拟合确定参数后的计算模型进行修正；
5)定义电池标准状态，并根据修正后的计算模型g(T,SOC)计算在电池标准状态下传荷电阻值，实现在某一老化状态和特定温度、荷电状态下获取的传荷电阻值折算到标准状态下的目的；
6)根据折算到标准状态的传荷电阻的相对增长估算电池的老化状态。
所述的步骤3)中，计算模型f(T,SOC)的表达式为：
其中，Rct为传荷电阻，SOC为荷电状态，T为电池温度，α1、α2、β1、β2为拟合参数。
所述的步骤4)中，通过在设定电池温度、荷电状态下由等效电路模型拟合的电化学阻抗谱得到的传荷电阻测量值与在相同电池温度和荷电状态下由计算模型计算得到的传荷电阻计算值的比值γ进行修正，修正后的传荷电阻计算模型为：
g(T,SOC)＝γf(T,SOC)。
所述的步骤6)中，传荷电阻的相对增长δ的表达式为：
其中，Rct,std为电池标准状态下传荷电阻值，Rct,fresh为标准状态下的寿命初始阻值。
所述的步骤6)中，当传荷电阻的相对增长δ＝200％时，达到老化终止，即电池寿命终结。
所述的电池标准状态为T0＝298K，SOC0＝0.5。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明主要包括确立传荷电阻函数模型，修正模型，传荷电阻值归一化处理三个关键步骤，考虑到了不同电池状态对电池内阻变化的影响，去除了电池温度和荷电状态对传荷电阻的影响，只需测定当前温度和荷电状态下的电池传荷电阻即可经过换算得到标准状态下的传荷电阻进而估算其老化状态，无需控制与电池实际状态一致，缩短了电池老化状态的研究周期，能简便、可靠地进行电池老化状态估计。
附图说明
图1为本发明所述电池老化状态估计方法的总体流程框图。
图2为本发明所述传荷电阻拟合时应用的等效电路模型。
图3为本发明所述实施例在不同温度下模型拟合结果。
图4为本发明所述实施例在不同荷电状态下模型拟合结果。
图5为本发明所述实施例用随机选取的不同温度和荷电状态组合下的传荷电阻值折算到标准状态下的结果对比。
图6为本发明所述实施例用传荷电阻增长率表征的老化状态变化情况。
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。
实施例
对于电池单体，采用图2的等效电路模型来对电池阻抗谱进行拟合。其中第一个RC环节用来描述负极固体电解质SEI膜阻抗，第二个RC环节用来描述传荷电阻和电双层电容阻抗，采用一个韦伯阻抗环节来描述锂离子在电极固相材料中的扩散，采用R0来描述固相材料的电子电导特性和液相的离子电导特性。8Ah磷酸铁锂电池作为此发明所述方法的实施载体。采用粒子群或Levenberg-Marquardt方法对阻抗模型中参数进行优化辨识以拟合电化学阻抗谱EIS，拟合频率区间选取为0.01Hz-1000Hz。对于不同温度、荷电状态和老化状态下的EIS重复执行参数优化辨识以获取不同状态下的传荷电阻Rct。
根据所提出的传荷电阻函数模型Rct＝f(T,SOC)，分步进行模型参数的确定。测量70％SOC下的5℃-45℃下Rct并采用进行拟合，结果如图3所示，可以得到m＝3.3997×10-16，α2＝6667.88。可认为α2不随着电池的温度和老化状态发生变化，m会随着电池的SOC、老化状态而变化。再测量25℃下不同SOC下的Rct并采用进行拟合，结果如图4所示，可以得到n＝4.2458×-4，β1＝0.3303，β2＝0.0338，联系上式知而α2＝6667.88，T＝298K，得α1＝2.7303×10-16。最终可确定传荷电阻函数模型Rct＝f(T,SOC)。
利用电化学阻抗谱EIS测量电池各种不同状态下的Rct，根据初定函数模型Rct＝f(T,SOC)代入各自温度T、荷电状态SOC获得电池相应状态下电阻计算值R’ct。以相应状态下传荷电阻实测值与模型计算值的比值作为模型的修正系数γ＝Rct/R’ct，获取修正后模型为Rct＝g(T,SOC)＝γf(T,SOC)。规定电池标准状态T0＝298K，SOC0＝0.5，利用修正后模型计算对应标准状态下传荷电阻值Rct,std。这样便可把各种温度和荷电状态组合下的传荷电阻折算到50％SOC，25℃下，以观察老化状态变化的情况。直接测量结果和折算后结果如图5所示，用箱型图的形式给出。在不同老化状态下随机选取10个不同荷电状态和温度组合下获得的实际Rct按照所述方法折算到标准状态下。每个“箱子”反映的是10个不同状态组合折算到标准状态下的统计规律。黑色虚线为在该老化状态下通过在标准状态下利用如图2所示等效电路模型进行EIS参数拟合得到的Rct。可以看出，黑色虚线和箱型图中的平均值重合效果较好。说明所述方法能够将不同温度和荷电状态下的传荷电阻折算到标准状态下并保留真实的变化趋势。
当定义标准状态下传荷电阻值是初始传荷电阻值的3倍时电池寿命终止。按照所述的电池老化状态SOH的计算公式得到如图6所示结果。可以看出，通过所述方法将不同温度和荷电状态下的传荷电阻Rct折算到标准状态下所计算得到的电池老化状态变化趋势与实际的老化状态变化趋势基本吻合。说明所述方法能够实现以电池传荷电阻为老化指标的老化状态估计，并且在估计过程中去除了温度和荷电状态对电池传荷电阻的影响。
Claims (5)
1.一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，用以在任意电池温度和荷电状态下通过测定电池传荷电阻估计电池老化状态，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立用以拟合单体电池电化学阻抗谱的等效电路模型；
2)根据等效电路模型获取在不同温度和荷电状态下的传荷电阻值，从而得到拟合数据集；
3)构建传荷电阻与电池温度和荷电状态之间的计算模型f(T,SOC)，并根据拟合数据集确定表达式中的参数，计算模型f(T,SOC)的表达式为：
其中，Rct为传荷电阻，SOC为荷电状态，T为电池温度，α1、α2、β1、β2为拟合参数；
4)对拟合确定参数后的计算模型进行修正；
5)定义电池标准状态，并根据修正后的计算模型g(T,SOC)计算在电池标准状态下传荷电阻值；
6)根据折算到标准状态的传荷电阻的相对增长估算电池的老化状态。
2.根据权利要求1所述的一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，其特征在于，所述的步骤4)中，通过在设定电池温度、荷电状态下由等效电路模型拟合的电化学阻抗谱得到的传荷电阻测量值与在相同电池温度和荷电状态下由计算模型计算得到的传荷电阻计算值的比值γ进行修正，修正后的传荷电阻计算模型为：
g(T,SOC)＝γf(T,SOC)。
3.根据权利要求1所述的一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，其特征在于，所述的步骤6)中，传荷电阻的相对增长δ的表达式为：
其中，Rct,std为电池标准状态下传荷电阻值，Rct,fresh为标准状态下的寿命初始阻值。
4.根据权利要求1所述的一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，其特征在于，所述的步骤6)中，当传荷电阻的相对增长δ＝200％时，达到老化终止，即电池寿命终结。
5.根据权利要求3所述的一种考虑不同电池状态的电池老化状态估计方法，其特征在于，所述的电池标准状态为T0＝298K，SOC0＝0.5。
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