CN109738809A - 动力与储能电池功率特性的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明动力与储能电池功率特性的估计方法，包括如下步骤：步骤1，对电池工作过程进行分析；步骤2，分析获取电池工作过程中各部分电位与外部过程之间的响应关系；步骤3，通过电池外部信号对内部状态的辨识，获取电池的功率特性；步骤4，进行验证。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：首先，方法可靠性高、通适性强，不仅可用于新能源车用动力电池，也可以用于储能用电池；其次，本发明基于功率特性的内因的变化来表征功率特性的变化，可以根据应用工况的不同，确定哪些内因对功率特性影响较大；再次，本发明提出的方法估计功率特性的精度高；最后，本方法可置于BMS或EMS中，以实现硬件化应用，具有很好的工业化应用前景。

Description

动力与储能电池功率特性的估计方法

技术领域

本发明属于电池功率特性技术领域，尤其是涉及一种动力与储能电池功率特性的评估方法。

背景技术

随着动力电池和新能源汽车的发展，也随着储能行业尤其是以锂离子电池为首的电化学储能行业的蓬勃发展，动力与储能电池在使用过程中由于种种原因总会出现性能衰减的问题。主要包括内阻升高、平台电压降低、容量降低、功率性能、安全性降低下降等问题。

这些问题的发生都是由于电池内部状态发生了变化，从而对电池内部各过程产生了不同的影响。因此电池外部特征发生的变化，都是可以与电池内部状态的改变及其所带来的电池内部过程的改变等内部特征的变化进行匹配。因此可以通过研究内部特征的改变来表征外部特征的变化。

功率特性是动力电池的一个很重要的评价指标，其定义为指在某个荷电状态(SOC)下所能发出的最大功率，也可以说成是在某指定电压值下电池所能给出的最大电流，P＝UI(W)＝RI²。因此，在恒电流充放电情况下，电池的功率特性与内阻成正比。

根据文献《功率型锂离子动力电池的内阻特性》(北京交通大学学报，2001，35(5)：119-123)可知，电池单体的内阻特性可以代表整组电池的内阻特性，即可通过电池单体的内阻特性来代表整个电池系统的内阻特性。因此，可以通过电池单体的内阻特性与功率特性之间的关系，来反应电池系统的内阻特性与功率特性之间的关系。

电池内阻特性主要包括固相浓差极化内阻、液相浓差极化内阻、反应极化内阻、欧姆内阻等四部分，因此可以通过分析这四部分的变化来分析功率特性的变化。

专利CN106932730A提供了一种功率特性的测试装置及其测试方法，该专利对电池系统提供一个脉冲信号检测其电压和电流信号，从而判断不同电池系统间功率特性的好坏。但该专利并没有揭示为何两个电池系统间的功率特性差异的真正原因。

专利CN108287317A提供了一种电池功率预测模型的生成方法，其通过对训练样品的分析得出功率矩阵，然后通过卷积神经网络算法获得预测模型。该方法只是通过对海量样品分析获得的一个具有一定精度的预测模型。缺点是海量数据获取困难，另外海量数据中有效数据少。而且该专利只是提供了一个输入与输出之间的相关性，并未按照其机理进行预测的。

专利CN106908732A提供了一种利用复合脉冲功率特性试验获得等效电路模型参数识别的方法，本方法用电阻、电容等元器件表示的电路，来表征电池的特性。该方法主要是基于特定工况下的数据转换模型，误差较大，且没与电池内部状态的直接对应关系，也没有通过所得的参数来获取电池的功率特性。

因此，基于以上分析，本发明人认为为了更好的理解功率特性以及更好的解释功率特性的发挥，应该了解电池的哪些内部状态影响功率特性的发挥，而哪些内因是主要影响因素，通过对主要影响因素的估算，建立一个功率特性的估计方法，以此获得准确的电池功率特性，同时可用于预测功率特性的变化。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种动力与储能电池功率特性的估计方法。

为了解决上述技术问题，本发明动力与储能电池功率特性的估计方法，包括如下步骤：步骤1，对电池工作过程进行分析；步骤2，分析获取电池工作过程中各部分电位与外部过程之间的响应关系；步骤3，通过电池外部信号对内部状态的辨识，获取电池的功率特性；步骤4，进行验证。

优选地，步骤2中，各部分电位包括固相浓差极化过电位、液相浓差极化过电位、反应极化过电位及欧姆极化过电位。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，获取电池正负极活性材料的开路电压；

步骤3.2，对电池进行电流测试，对电池充放电过程中的正负极嵌锂状态进行辨识，并建立荷电状态与正负极嵌锂状态的对应关系；

步骤3.3，对不同荷电状态下的电池使用不同电流进行瞬态激励，通过电池的阶跃电压获取瞬态极化参数；

步骤3.4，通过对不同放电电流下的电池端电压进行拟合，获取固相浓差极化因子和液相浓差极化因子；

步骤3.5，获取电池功率特性并建立电池功率特性模型。

优选地，步骤4包括：

步骤4.1，进行荷电状态、不同电流的脉冲充放电测试，获得电池的内部状态；

步骤4.2，通过不同的荷电状态和脉冲电流对电池进行测试，对电池的阶跃电压进仿真；

步骤4.3，将实验数据与仿真数据的对比，验证估计方法的可靠性。

优选地，步骤1中，电池工作过程包括固相反应过程、液相反应过程和电化学反应过程。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

首先，本发明提出了一种动力与储能电池功率特性的估计方法，该方法可靠性高、通适性强，不仅可用于新能源车用动力电池，也可以用于储能用电池；

其次，本发明基于功率特性的内因的变化来表征功率特性的变化，可以根据应用工况的不同，确定哪些内因对功率特性影响较大；

再次，本发明提出的方法估计功率特性的精度高；

最后，本方法可置于BMS或EMS中，以实现硬件化应用，具有很好的工业化应用前景。

附图说明

图1为本发明的功率特性评估方法建立思路；

图2为本发明的功率特性评估方法建立过程；

图3为本发明的功率特性评估方法验证过程。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1～图3所示，本发明提供了一种动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于：首先，通过电化学模型来对电池工作过程进行分析；其次，分析电池工作过程中各部分电位的发展情况及其特征；然后，通过电池外部信号对内部状态的辨识，得到电池的内部状态参数，进而估算电池对功率特性；最后，对评估方法进行验证。

其中，所述的电池工作过程主要包括以下几个过程：固相反应过程、液相反应过程和电化学反应过程进行研究；

进一步的，所述的固相反应过程包括固相离子传递过程、固相电荷传递过程；

进一步的，所述的液相反应过程包括液相离子传递过程、液相电荷传递过程；

进一步的，所述的电化学反应过程包括固相/液相界面的锂离子脱嵌过程；

进一步的，所述的对电池工作过程进行分析所得到的结果是：利用电化学模型，建立电池的外部过程与内部过程之间的对应关系；

其中，所述的电池工作过程中各部分电位包括固相浓差极化过电位、液相浓差极化过电位、反应极化过电位、欧姆极化过电位；

进一步的，分析在电池工作过程中各部分电位的发展情况及其特征所得到的结果是：通过电化学模型仿真，各部分电位对外部过程的响应不同，可进一步对各个过程中内部影响因子进行辨识；

其中，所述的估算电池的功率特性是指通过分析电池的内部过程，来对电池的功率特性进行估算。

其中，所述的对评估方法进行验证：通过实验数据与仿真数据对比，验证方法的可靠性。

实施例2

本发明提供了一种动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于：所述的估算电池的功率特性是指通过分析电池的内部过程，来对电池的功率特性进行估算；

进一步的，首先要对电池正负极活性材料的开路电压进行测试分析；

进一步的，然后要对电池进行小电流测试数据，来对电池充放电过程中的正负极嵌锂状态进行辨识，并建立荷电状态与正负极嵌锂状态的对应关系；

进一步的，需要通过对不同荷电状态下的电池使用不同电流进行瞬态激励，通过电池的阶跃电压对瞬态极化参数进行估计；

进一步的，需要通过对不同放电电流下的电池端电压进行拟合，以对固相浓差极化因子和液相浓差极化因子进行估计；

所述的固相浓差极化因子的变化决定着电池的固相极化过电位；

所述的液相浓差极化因子的变化决定着电池的液相极化过电位；

进一步的，根据内部过程辨识结果，结合电化学模型，最终建立电池功率特性模型，即获取电池功率特性的估算方法。

实施例3

本发明提供了一种动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于：所述的对评估方法进行验证的过程包括：首先进行荷电状态、不同电流的脉冲充放电测试，通过参数辨识获得电池的内部状态；其次，另选不同的荷电状态和脉冲电流对电池进行测试，利用所获得的电池状态，对电池的阶跃电压进仿真；最后，通过实验数据与仿真数据的对比，验证估计方法的可靠性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对电池工作过程进行分析；

步骤2，分析获取电池工作过程中各部分电位与外部过程之间的响应关系；

步骤3，通过电池外部信号对内部状态的辨识，获取电池的功率特性；

步骤4，进行验证。

2.根据权利要求1所述的动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于，步骤2中，各部分电位包括固相浓差极化过电位、液相浓差极化过电位、反应极化过电位及欧姆极化过电位。

3.根据权利要求2所述的动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3.1，获取电池正负极活性材料的开路电压；

步骤3.2，对电池进行电流测试，对电池充放电过程中的正负极嵌锂状态进行辨识，并建立荷电状态与正负极嵌锂状态的对应关系；

步骤3.3，对不同荷电状态下的电池使用不同电流进行瞬态激励，通过电池的阶跃电压获取瞬态极化参数；

步骤3.4，通过对不同放电电流下的电池端电压进行拟合，获取固相浓差极化因子和液相浓差极化因子；

步骤3.5，获取电池功率特性并建立电池功率特性模型。

4.根据权利要求3所述的动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于，步骤4包括：

步骤4.1，进行荷电状态、不同电流的脉冲充放电测试，获得电池的内部状态；

步骤4.2，通过不同的荷电状态和脉冲电流对电池进行测试，对电池的阶跃电压进仿真；

步骤4.3，将实验数据与仿真数据的对比，验证估计方法的可靠性。

5.根据权利要求1所述的动力与储能电池功率特性的估计方法，其特征在于，步骤1中，电池工作过程包括固相反应过程、液相反应过程和电化学反应过程。