CN109856559A

CN109856559A - 一种锂电池循环寿命的预测方法

Info

Publication number: CN109856559A
Application number: CN201910153648.5A
Authority: CN
Inventors: 甘小燕; 窦雅盛; 武鸿辉; 余俊锋
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109856559B

Abstract

本发明提供一种锂电池循环寿命的预测方法，将锂电池进行不同循环次数的充放电性能测试以及HPPC性能测试，记录不同循环次数的充放电过程中电压和容量；根据HPPC测试数据中锂电池电压的变化，计算在不同SOC下的充电和放电方向的内阻，计算每个循环次数下的根据不同SOC下拟合的平均值，即均值内阻；在不同循环次数下，将均值内阻与SOC进行拟合，寻找出相应的规律，得到在不同循环次数下的均值内阻；根据均值内阻与循环次数的测试数据进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测。本发明经过短期的循环测试即可快速预测电池循环寿命，极大地降低了常规测试所产生的时间和资源浪费。

Description

一种锂电池循环寿命的预测方法

技术领域

本发明属于锂电池测试技术领域，具体涉及一种锂电池循环寿命的预测方法。

背景技术

锂电池在长期使用过程中，内部会发生一系列的电化学反应和物理变化，使得电池性能和容量衰退，直至寿命终了。作为系统供能的关键部分，锂电池的损坏会导致整个系统的故障、崩溃，甚至造成财产损失和人员伤亡。对锂电池的寿命进行预测可以有效判断其未来工作能力，及时发现问题，避免不必要的麻烦和损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种锂电池循环寿命的预测方法，能够短时间内预测电池的剩余循环寿命，节省了常规测试所产生的时间，降低了资源浪费。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将锂电池进行不同循环次数的充放电性能测试以及HPPC性能测试，记录不同循环次数的充放电过程中电压和容量；

S2、根据HPPC测试数据中锂电池电压的变化，计算在不同SOC下的充电和放电方向的内阻，计算每个循环次数下的根据不同SOC下拟合的平均值，即均值内阻；在不同循环次数下，将均值内阻与SOC进行拟合，寻找出相应的规律，得到在不同循环次数下的均值内阻；

S3、根据均值内阻与循环次数的测试数据进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测；

1)根据均值内阻以及相应的容量保持率进行拟合得到均值内阻-容量保持率函数关系式；

2)根据电池循环次数以及相应的均值内阻进行拟合得到循环次数-均值内阻函数关系式；

3)根据1)和2)的函数关系式，计算电池某一容量保持率时对应的电池循环次数。

按上述方案，所述的S1在进行测试时，循环次数为0-1000次，且停止循环测试后的电池处于放电状态。

按上述方案，所述的S1在充放电性能测试时，充电电流为1/3C，充电截止电压为4.2V，充电截止电流设为0.13A，放电截止电压设为2.5V，恒流放电电流为0.5C、1C、2C或3C中的一个，C为电池充放电电流大小的比率。

按上述方案，所述的S1在HPPC性能测试时，按照以下步骤进行：

1)在一定温度下以C的一定倍率恒流放电；

2)恒流放电后，电池进行搁置1min以上；

3)搁置完成后，再以C的一定倍率恒流充电；

4)充电结束后，再进行搁置1min以上；

5)以以C的一定倍率恒流放电，使电池SOC下降；将电池搁置15min以上；

6)从1)开始重复循环上述步骤，循环次数设置为大于或等于20次；

循环结束后，测试完成。

按上述方案，所述的一定温度为-20℃-60℃。

按上述方案，所述的以C的一定倍率为0.5C、1C、2C或3C。

按上述方案，所述的均值内阻-容量保持率函数关系式为：

y＝-236.12x²+11.74x+0.8567

其中，x表示均值内阻，y表示容量保持率。

按上述方案，所述的循环次数-均值内阻函数关系式为：

x＝0.0718z+27.763

其中，z表示电池循环次数，x表示均值内阻。

本发明的有益效果为：本发明通过对电池进行短期循环，不改变原有的测试方法，只需要增加不同循环次数后的HPPC性能测试，从不同的SOC点提取均值内阻，建立模型，从而最终建立一种通过短期测试实现对锂离子电池长期循环寿命预测的方法，所需时间不长，并且不需要昂贵精密的测试设备和复杂的理论计算，经过短期的循环测试即可快速预测电池循环寿命，极大地降低了常规测试所产生的时间和资源浪费。

附图说明

图1为不同循环次数下欧姆内阻随SOC的变化曲线图。

图2为均值内阻随循环次数的变化曲线图。

图3为均值内阻与容量保持率的拟合关系图。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

一种锂电池循环寿命的预测方法，包括以下步骤：

S1、将锂电池进行不同循环次数(0-1000次，且停止循环测试后的电池处于放电状态)的充放电性能测试以及HPPC性能测试，记录不同循环次数的充放电过程中电压和容量。

在充放电性能测试时，充电电流为1/3C，充电截止电压为4.2V，充电截止电流设为0.13A，放电截止电压设为2.5V，恒流放电电流为0.5C、1C、2C或3C中的一个，C为电池充放电电流大小的比率。充放电倍率＝充放电电流/额定容量；例如：额定容量为100mAh的电池用20mA放电时，其放电倍率为0.2C。电池放电C率，1C、2C、0.2C是电池放电速率：表示放电快慢的一种量度。所用的容量1小时放电完毕，称为1C放电；5小时放电完毕，则称为1/5＝0.2C放电。一般可以通过不同的放电电流来检测电池的容量。对于24AH电池来说，2C放电电流为48A，0.5C放电电流为12A。

在HPPC性能测试时，按照以下步骤进行：

1)在一定温度(-20℃-60℃)下以C的一定倍率(0.5C、1C、2C或3C)恒流放电；

2)恒流放电后，电池进行搁置1min以上；

3)搁置完成后，再以以C的一定倍率恒流充电；

4)充电结束后，再进行搁置1min以上；

循环结束后，测试完成。

S2、根据HPPC测试数据中锂电池电压的变化，计算在不同SOC下的充电和放电方向的内阻，计算每个循环次数下的根据不同SOC下拟合的平均值，即均值内阻；在不同循环次数下，将均值内阻与SOC进行拟合，寻找出相应的规律，得到在不同循环次数下的均值内阻。

1)根据均值内阻以及相应的容量保持率进行拟合得到均值内阻-容量保持率函数关系式：

y＝-236.12x²+11.74x+0.8567

其中，x表示均值内阻，y表示容量保持率。

2)根据电池循环次数以及相应的均值内阻进行拟合得到循环次数-均值内阻函数关系式：

x＝0.0718z+27.763

其中，z表示电池循环次数，x表示均值内阻。

下面以18650锂电池为例进行进一步说明。

一种锂离子电池循环寿命的快速预测方法，包括以下步骤：

步骤1：将18650锂电池进行不同循环次数的充放电性能测试以及HPPC性能测试，记录不同循环次数的充放电过程中电压、容量等参数。

步骤2：根据HPPC测试数据中电池电压的变化，计算在不同SOC下的充电和放电方向的欧姆内阻，在不同循环次数下，将其均值与SOC进行拟合，如图1所示，在对18650锂电池进行300次循环寿命实验后，在不同循环次数后对电池进行HPPC放电实验，在不同SOC下提取充放电电压，对欧姆内阻进行辨识，得到在不同SOC下电池欧姆内阻的变化规律，如图1所示，从图中可以发现，当SOC＜0.1欧姆内阻变化剧烈，当SOC＞0.1时，欧姆内阻能够稳定在一个范围内波动，我们不妨将SOC＞0.1时的不同循环次数下的欧姆内阻做平均值处理，即取该范围内的平均值作为均值内阻R^*，因此，不同循环次数下则有对应的均值内阻R*，因此我们就得到了如图2所示的在不同循环次数下的均值内阻的变化曲线；

步骤3：根据均值内阻与循环次数的测试数据进行拟合计算，对电池的循环寿命进行预测；

如图2、3所示，所述拟合计算的方法，具体包括以下步骤：

1)根据均值内阻以及相应的容量保持率进行拟合得到线性函数关系式：y＝-236.12x²+11.74x+0.8567；其中，x表示均值内阻(Ω)，y表示容量保持率；

2)根据电池循环次数以及相应的均值内阻进行拟合得到线性函数关系式：x＝0.0718z+27.763

其中，z表示电池循环次数，x表示均值内阻；

3)计算电池容量保持率为92.8％时对应的电池循环次数。

本实施例以18650锂电池为例，电池标称容量为2.5Ah，循环测试条件是在25℃以2C倍率进行循环充放电实验，充放电模式为恒流恒压充电-搁置-恒流放电，充电截止电压为4.2V，

放电截止电压为2.5V，搁置休眠时间为1h，使用的测试设备为NEWARE BTS4000电池测试系统。选取2只电池进行循环1次、50次、100次、150次、200次、250次、300次，记录下相应地容量保持率，然后分别计算出不同循环次数下电池的均值内阻R^*。为了更直观说明循环次数、容量保持率、均值内阻R^*的变动关系，本例测试数据汇总如下表1

将循环次数，放电容量，容量保持率，均值欧姆内阻进行整理，得到以下数据：

循环次数	净放电容量(Ah)	容量保持率	均值内阻(Ω)
				2	2.4935	99.74％	0.02015
50	2.4398	97.59％	0.03613
				100	2.3866	95.46％	0.03804
150	2.3532	94.13％	0.04182
				200	2.3199	92.80％	0.04230
250	2.2749	91.00％	0.04546
				300	2.2239	88.96％	0.04597

表1

根据以上数据，可以对这些短期数据计算拟合并预测长期循环寿命。首先，以均值内阻为横轴，容量保持率为纵轴，做关系图，并用软件拟合出多项式关系式：y＝-236.12x²+11.74x+0.8567，如图3所示，据此关系式可以计算出在容量保持率为92.8％时的均值内阻R^*，R^*＝0.0426Ω；其次，以电池循环次数为横轴z，以均值内阻R^*为纵轴x，做线性关系图，并用软件拟合出线性关系式：x＝0.0718z+27.763，其中，z表示电池循环次数，x表示均值内阻，如图2所示，将上一步计算得到的R^*的数值0.0426带入关系式中，可计算得到在容量保持率为92.8％时的循环次数为206次，误差率为3％，相对误差较小，可见本发明方法对锂离子电池循环寿命预测结果较为准确。

本发明通过对电池进行短期循环，不改变原有的测试方法，只需要增加不同循环次数后的HPPC性能测试，从不同的SOC点提取均值内阻，建立模型，从而最终建立一种通过短期测试实现对锂离子电池长期循环寿命预测的方法。

本发明方法可应用于锂离子电池研发过程中研究中的循环寿命预测中，从而为相应的电池开发提供快速评价手段，缩短因常规循环测试耗时长而导致的性能评估时间长的问题。

本发明方法通过对18650电池进行短期的循环测试，即可根据循环次数、循环容量保持率及均值内阻3个数值间的关系进行拟合计算，从而预测出该电池在该测试条件下的循环寿命，这与常规循环测试相比，大大缩短了测试周期，也因此避免了由于长期测试所产生的能耗及资源浪费；另外，本发明预测方法是在短期实测数据基础上进行的数据拟合，纯理论计算及经验模型相比更具有普适性，因此预测准确度较高。

本发明方法仅是在原有循环测试数据进行一定的处理即可实现对电池长期循环寿命的预测，因此具有普遍的适用性，与实际测试结果一致性更好，加快了产品研发速度，在新能源等领域有较大的应用。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：它包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的S1在进行测试时，循环次数为0-1000次，且停止循环测试后的电池处于放电状态。

3.根据权利要求1所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的S1在充放电性能测试时，充电电流为1/3C，充电截止电压为4.2V，充电截止电流设为0.13A，放电截止电压设为2.5V，恒流放电电流为0.5C、1C、2C或3C中的一个，C为电池充放电电流大小的比率。

4.根据权利要求1所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的S1在HPPC性能测试时，按照以下步骤进行：

1)在一定温度下以C的一定倍率恒流放电；

2)恒流放电后，电池进行搁置1min以上；

3)搁置完成后，再以以C的一定倍率恒流充电；

4)充电结束后，再进行搁置1min以上；

循环结束后，测试完成。

5.根据权利要求4所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的一定温度为-20℃-60℃。

6.根据权利要求4所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的以C的一定倍率为0.5C、1C、2C或3C。

7.根据权利要求1所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的均值内阻-容量保持率函数关系式为：

y＝-236.12x²+11.74x+0.8567

其中，x表示均值内阻，y表示容量保持率。

8.根据权利要求7所述的锂电池循环寿命的预测方法，其特征在于：所述的循环次数-均值内阻函数关系式为：

x＝0.0718z+27.763

其中，z表示电池循环次数，x表示均值内阻。