CN109632138A - 基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法 - Google Patents

基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，包括电池充电IC(dQ/dV‑V)曲线求取、电池IC曲线特征点电压值与内部温度关系求解及基于温度‑特征点电压值关系对电池内部温度进行估算。所述电池充电IC曲线求取采用多项式滤波的方法，具体是利用k阶多项式曲线拟合n个数据，根据最小二乘法原理使实际值与拟合值差值平方和最小，即求得多项式各阶系数ai，进而求解电池IC曲线；电池IC曲线特征点电压值与内部温度关系求解时根据充放电循环测试结果，离线建立特征点电压值与内部温度关系；估算电池内部温度时，采集车辆运行工况下电池充电电压，基于多项式滤波法求解电池充电IC曲线并提取特征点电压，再通过温度‑特征点电压关系求得电池内部温度。

Description

基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法
技术领域
本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及动力电池温度预估。
背景技术
温度对电池使用性能和循环寿命有着重要的影响，精确估测电池温度可有效提高电动汽车动力电池组安全性和使用寿命。在实际过程中，采用串并联的方式将单体电池组装成电池组，各单体电池产热和散热情况不同，导致整体电池组内不同区域的温度场分布存在明显差异。传统检测方式主要通过温度传感器对电池表面温度进行检测，不能反应其内部温度变化，难以从实质上保证动力电池组的安全。电池管理系统(Battery ManagementSystem,BMS)采集的温度大多是电池表面温度，电池内部温度的在线测量较为困难。
基于温度变化会影响电池某些频率阻抗的大小和相位偏移，国外学者提出通过电化学阻抗频谱法(EIS)和热阻抗频谱分析法(TIS)来检测电池内部温度。通过频谱分析可在频域上追踪电池内部热量与温度关系。这些方法提供了更多的思路去探究对电池内部温度敏感的参量，为电池温度测量提供了新的突破口，但这些方法需借助电化学工作站或交流阻抗仪等设备，且该方法的测试需要在电池静止状态下进行测量，测试流程较为复杂，限制了该测试方法的实际应用。
发明内容
本发明提出了一种基于电池充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，包括电池充电IC(dQ/dV-V)曲线求取、电池IC曲线特征点电压值与内部温度关系求解及基于温度-特征点电压值关系对电池内部温度进行估算。
上述电池充电IC曲线求取采用多项式滤波的方法，具体过程如下：
利用k阶多项式曲线拟合n个数据，根据最小二乘法原理只需要使实际值与拟合值差值平方和最小，即可求得多项式各阶系数ai。
设n＝2m+1，n个数据分别为(x-m,y-m)，(x-m+1,y-m+1)，...，(x0,y0)，...，(xm,ym)
拟合矩阵可表示为
即为
Y(2m+1)＝X(2m+1)×k·Ak×1+E(2m+1)×1 (2)
其中，E表示拟合数据偏差矩阵。
目标函数为
系数矩阵A的最小二乘解为
进而求解电池充电IC曲线。
上述电池IC曲线特征点电压值与内部温度关系求解：
设定电池在固定环境温度(0℃,5℃,25℃,35℃,45℃,55℃)下分别静置24小时以上，以保证电池内部温度与外部温度一致，对静止后的电池以0.2C进行充放电循环测试。测试完毕后，首先寻求电池充电IC曲线特征点描述内部温度，接着分析特征点与内部温度相关性，最后离线建立特征点与内部温度相应函数关系。
上述基于温度-特征点电压值关系估算电池内部温度：对实际车辆运行工况下对电池充电电压进行采集，基于多项式滤波法求解电池充电IC曲线并提取其特征点电压，再通过离线建立的温度-特征点电压关系求得电池内部温度。
本发明的有益效果：
1，本发明提出了基于电池充电电压微分曲线特征点电压值在线估测电池内部温度的方法，该方法有别于现有的温度传感器直接测量表面温度的方法，具有高精度，实时性，通用性的特点。
2，本发明高精度在于避免了传统温度监测方案仅仅只对电池表面温度进行检测，未能实时反映内部温度变化情况，难以实质上保证动力电池组的安全的缺陷；
3，本发明实时性在于可在电池运行过程中实时采集IC曲线数据，进而实时估算电池内部温度；
4，本发明通用性在于不需要对电池组进行复杂的布线，只需基于电池充电电压、充电时间等基本数据，创新性的提出了通过IC曲线特征点电压值估测其内部温度。
附图说明
图1为电池内部温度在线估算流程
图2为利用多项式滤波求解电池的IC曲线及特征点分析
图3、4、5、6分别为不同电池特征点电压与温度的关系曲线
表1为拟合函数的相关参数
具体实施方式
下面结合图1-6对本发明进行进一步说明。
附图1为本发明提出的电池内部温度在线估算流程图。电池温度在线估算主要分为3个阶段。
附图1中电池充电IC曲线求解阶段：1.实时采集电池电压及电流，并利用安时积分法计算电池容量；2.利用多项式滤波计算电池IC曲线，具体过程如下：
利用k阶多项式曲线拟合n个数据，根据最小二乘法原理只需要使实际值与拟合值差值平方和最小，即可得到多项式各阶系数ai。
设n＝2m+1，n个数据分别为(x-m，y-m)，(x-m+1，y-m+1)，...，(x0，y0)，...，(xm，ym)
拟合矩阵可表示为
即为
Y(2m+1)＝X(2m+1)×k·Ak×1+E(2m+1)×1 (2)
其中，E表示每次拟合的数据偏差矩阵；A表示系数矩阵；X及Y表示测量数据矩阵。
目标函数为
系数矩阵A的最小二乘解为
进而求解电池充电IC曲线。
附图1中基于温度-特征点关系估算电池内部温度流程图：1.电池IC曲线特征点与电池内部温度关系求解，设定电池在固定环境温度(0℃,5℃,25℃,35℃,45℃,55℃)下分别静置24小时以上，以保证电池内部温度与外部温度一致，对静止后的电池以0.2C进行充放电循环测试。测试完毕后，首先寻求电池充电IC曲线特征点描述内部温度，如图2中标注的特征点，接着分析该特征点与内部温度相关性，最后离线建立驻点1电压值与内部温度相应函数关系，如图3-6及表1所示，附图3至6给出了同一型号的不同电池温度与特征点电压函数关系，从图中可以看出不同电池该关系类似，均可用指数函数y＝a*exp(-x/b)+c描述，a、b、c为系数，x表示特征点电压值，y表示温度，具体参数数值见表1；2.实际电池充电过程中实时判断电池IC曲线是否到达特征点，当到达特征点，则提取特征点电压值，否则，一直重复附图1中电池IC曲线求解阶段；3.将实际电池的特征点电压值带入离线标定的指数函数中即可估算电池内部温度。
表1不同单体函数关系拟合系数
从不同电池拟合结果可以看出，参数基本类似，采用数值平均的方法得到abc在实际应用过程中固定数值分别为：a＝0.071，b＝18.63，c＝3.24。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，电池充电IC(dQ/dV-V)曲线求取；
步骤2，电池IC曲线特征点电压值与内部温度关系求解；
步骤3，基于温度-特征点电压值关系对电池内部温度进行估算。
2.根据权利要求1所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，步骤1的实现方法采用多项式滤波法。
3.根据权利要求2所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，步骤1的具体实现过程如下：
利用k阶多项式曲线拟合n个数据，根据最小二乘法原理，使实际值与拟合值差值平方和最小，可求得多项式各阶系数ai，得到k阶多项式曲线。
设n＝2m+1，n个数据分别为(x-m,y-m)，(x-m+1,y-m+1)，...，(x0,y0)，...，(xm,ym)
拟合矩阵可表示为
即为
Y(2m+1)＝X(2m+1)×k·Ak×1+E(2m+1)×1
其中，E表示拟合数据偏差矩阵。
目标函数为
系数矩阵A的最小二乘解为
进而求解电池充电IC曲线。
4.根据权利要求2所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，步骤1中，在所述利用k阶多项式曲线拟合n个数据方法之前还包括：实时采集电池电压及电流，利用安时积分法计算电池容量。
5.根据权利要求1所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，步骤2的实现方法：
设定电池在固定环境温度(0℃,5℃,25℃,35℃,45℃,55℃)下分别静置24小时以上，以保证电池内部温度与外部温度一致，对静止后的电池以0.2C进行充放电循环测试；
测试完毕后，首先寻求电池充电IC曲线特征点描述内部温度，接着分析特征点与内部温度相关性，最后离线建立特征点与内部温度相应函数关系。
6.根据权利要求5所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，所述建立的函数关系为指数函数关系：y＝a*exp(-x/b)+c。
7.根据权利要求6所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，所述指数函数关系：y＝a*exp(-x/b)+c中系数的数值为：
所述abc的拟合数值为：
1号电池：a＝0.06867，b＝18.43121，c＝3.23694；
2号电池：a＝0.06987，b＝18.51834，c＝3.23673；
3号电池：a＝0.07258，b＝20.51195，c＝3.23585；
4号电池：a＝0.07180，b＝17.04696，c＝3.23996。
由拟合数值得到abc的固定数值分别为：a＝0.071，b＝18.63，c＝3.24。
8.根据权利要求1所述的基于充电电压曲线的电池内部温度在线预估方法，其特征在于，步骤3的实现方法：对实际车辆运行工况下对电池充电电压进行采集，实时判断电池IC曲线是否到达特征点，当到达特征点，则提取特征点电压值，否则，一直重复电池IC曲线求解，基于多项式滤波法求解电池充电IC曲线并提取其特征点电压，再通过离线建立的温度-特征点电压关系求得电池内部温度。
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