CN110426639A - 一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法及系统。该方法包括如下步骤：对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；根据阻抗测试步骤中得到的动态阻抗谱，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式。本发明利用了数据驱动，同时结合了锂离子电池在放电过程中的动态阻抗特性的寿命预测方法，节约资源的同时，提高了预测的可靠性，并且，预测方式简单方便，大大缩短了预测时间提高了预测效率。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法及系统。
背景技术
由于锂离子电池具有能量密度高，安全性好，没有记忆效应，而且绿色环保等特点，自问世以来，市场规模飞速扩大，应用领域也发生了一系列变化。随着锂离子电池循环寿命的延长及比容量的不断增大，其应用范围也从最初的便携式电子设备如智能手机、笔记本电脑等扩大到现在的电动汽车及智能电网等领域，然而其寿命预测始终是制约锂离子电池合理、高效、安全应用的重要因素。
由于锂离子电池的工作环境及使用方式相对复杂，循环寿命受多种因素影响，所以其有效寿命的预测较为困难，然而准确预测其循环寿命对于锂离子电池高效、安全 使用具有重要意义。
中国公开号为CN 106908737 A，公开了一种基于电化学反应机理仿真的锂离子电池寿命预测方法，包括以下步骤：参数测量、电化学反应机理模型的建立、模型耦合计算、寿命预测，根据仿真计算过程中电池容量的变化，进行数学拟合，预测电池的使用寿命。
基于电化学反应机理仿真的锂离子电池寿命预测方法利用电化学反应机理建立仿真模型预测电池的使用寿命，该方法计算量大，运算过程耗时较长且建模复杂，费时费力不适合实际应用。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法及系统，旨在解决现有寿命预测方法计算量大，运算过程耗时较长且建模复杂费时费力的问题。
一方面，本发明提出了一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，该方法包括如下步骤：阻抗测试步骤，对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；曲线获取步骤，根据所述阻抗测试步骤中得到的动态阻抗谱，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；所述参数值为所述动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，在所述曲线获取步骤中，根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，在所述阻抗测试步骤，对锂离子电池进行N周充放电循环具体包括：将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行充电，并在充电后，对锂离子电池进行放电，重复上述充电和放电步骤N周。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，所述参数值为阻抗实部时，阻抗实部与循环次数之间的关系式为一次函数关系式。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，所述锂离子电池处于预设荷电状态下，锂离子电池的荷电状态为10%~90%。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，还包括如下步骤：寿命预测步骤，获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，根据所述曲线获取步骤确认的参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
本发明提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，通过对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，然后，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式，也就是说，既利用了数据驱动，同时又结合了锂离子电池在放电过程中的动态阻抗特性的寿命预测方法，节约资源的同时，提高了预测的可靠性，并且，预测方式简单方便，大大缩短了预测时间提高了预测效率。
另一方面，本发明还提出了一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统包括：阻抗测试模块，对锂离子电池进行充N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；曲线获取模块，其与所述阻抗测试模块电连接，用以接收所述阻抗测试模块中得到的动态阻抗谱，并根据所述动态阻抗谱确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；所述参数值为所述动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，所述曲线获取模块，用以根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，所述阻抗测试模块，对锂离子电池进行充N周充放电循环具体包括：将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行恒流充电，并在充电后，对锂离子电池进行恒流放电，重复上述充电和放电N周。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，所述参数值为阻抗实部时，阻抗实部与循环次数之间的关系式为一次函数关系式。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，所述锂离子电池处于预设荷电状态下，锂离子电池的荷电状态为10%~90%。
进一步地，上述基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，还包括：寿命预测模块，其与所述曲线获取模块确认的参数值与时尚循环次数之间的关系时，还用以获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，以根据所述参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
方法实施例：
参见图1，其为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法的流程图。如图所示，该寿命预测方法包括如下步骤：
阻抗测试步骤S1，对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱。
具体地，为避免锂离子电池充放电时其温差大导致锂离子电池不稳定，优选地，首先将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，在对锂离子电池进行N周充放电循环，以确保动态阻抗测量的准确性；也就是说，首先，将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行充电，并在充电后，对锂离子电池进行放电，重复上述充电和放电步骤N周，充放电过程中其中50次锂离子电池的放电容量的循环曲线如图2所示；在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱，如图3所示，图3中以5组数据为例进行说明。其中，M周测试中，任意相邻两次动态阻抗的测试所处的放电过程的周数之间间断，例如第i周放电过程中进行了第k次动态阻抗的测试，第i+j次进行了第k+1次动态阻抗的测试，且j≠1。为避免放电过程中放电电流对锂离子电池产生干扰，进一步优选地，在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电，以避免放电电流对锂离子电池的动态阻抗产生干扰，进而确保锂离子电池的动态阻抗测试的准确性。当然，为了便于放电，锂离子电池的各周放放电方式均可为恒流方式。为保证测试的动态阻抗精确反馈锂离子电池的情况，优选地，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布，也就是说，在第i周锂离子电池放电过程中对锂离子电池处于预设荷电状态下进行第一次动态阻抗测试，在第i+j周锂离子电池放电过程中对锂离子电池处于预设荷电状态下进行第二次动态阻抗测试，在第i+2j周锂离子电池放电过程中对锂离子电池处于预设荷电状态下进行第三次动态阻抗测试，……直至，在第i+（M-1）j周锂离子电池放电过程中对锂离子电池处于预设荷电状态下进行第M次动态阻抗测试，以得到M组测试数据，其中，j≠0。其中，预设时间段可以根据实际情况例如锂离子电池充电前所处环境温度和锂离子电池充放电时所处环境温度之间的差值确定。锂离子电池处于预设荷电状态下，优选地，锂离子电池的荷电状态为10%~90%，即剩余容量为其完全充电状态的容量的百分比为10%~90%，以确保锂离子电池放电的稳定性，进而确保测试数据的准确性。进一步优选地，锂离子电池处于预设荷电状态下，锂离子电池的荷电状态为60%。在图3的动态阻抗谱中，各条曲线代表其中一次放电过程中测试的数据，且每个点代表一个频率下对应的阻抗实部和阻抗虚部。
曲线获取步骤S2，根据阻抗测试步骤中得到的动态阻抗谱，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；参数值为动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
具体地，首先根据阻抗测试步骤S1中得到的动态阻抗谱，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，例如动态阻抗谱频率为20Hz时的动态阻抗的阻抗实部；然后，根据确认的不同循环次数的同一频率下的参数值，得到该参数值与循环次数之间的关系式。其中，参数值可以为动态阻抗的阻抗实部Z'、阻抗虚部或阻抗模，当然，亦可为其他参数例如阻抗角等。参数值为阻抗实部Z'时，阻抗实部Z'与循环次数N之间的关系式为一次函数关系式。优选地，可根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式，如图4所示。
寿命预测步骤S3，获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，根据曲线获取步骤S2确认的参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
具体地，根据待预测锂离子电池使用环境和参数获取待预测锂离子电池在其使用环境下寿命终止时的参数值，利用曲线获取步骤S2中建立的关系式得到循环次数，即待预测锂离子电池的寿命，进而完成此阶段的寿命预测。该参数值与曲线获取步骤S2中建立的关系式中的参数值相适配，即在曲线获取步骤S2中建立的是阻抗实部Z'与循环次数N之间的关系式，则在寿命预测步骤S3中获取待预测锂离子电池在其使用环境下寿命终止时的阻抗实部。其中，待预测锂离子电池寿命终止时的参数值可以通过与待预测锂离子电池同一规格的锂离子电池在其寿命终止时进行测试得到，尤其是，锂离子电池寿命终止时，其循环次数为未知数，以利用曲线获取步骤S2中建立的关系式得到循环次数，即为待预测锂离子电池的循环次数，也就是说，此时计算得到的待预测锂离子电池的循环次数就是待预测锂离子电池的寿命。
以下对该寿命预测方法进行详细的说明：
阻抗测试步骤S1：
将锂离子电池放在25℃的恒温环境中，静置2h，对其进行恒流充电，充电倍率为1.0C；并在充电基础上，对锂离子电池进行恒流放电，放电倍率为1.0C；重复步骤上述充电和放电，重复500周，其中50次锂离子电池的放电容量的循环曲线如图2所示；并在充放电过程中，测试第100周、200周、300周、400周、500周放电过程中的60%SOC的动态阻抗，得到这五组动态阻抗谱，如图3所示；
曲线获取步骤S2：
取动态阻抗谱频率为20Hz时的阻抗实部Z'，做Z'与循环次数N的曲线，并对曲线进行拟合，得到循环次数N与阻抗实部Z'的关系式：N=-592.85+529.57 Z'，如图4所示；
寿命预测步骤S3：
假设在某一环境下锂离子电池容量衰减到额定容量的92%时，该锂离子电池不能使用，可知锂离子电池容量衰减到额定容量的92%时其阻抗实部Z'为3.49mΩ，亦可通过其他与该锂离子电池同一规格的锂离子电池进行测量得知，即在与该锂离子电池同一规格的锂离子电池衰减到额定容量的92%时，测试其阻抗实部Z'，然后利用曲线获取步骤S2中得到的关系式：N=-592.85+529.57 Z'，计算得到循环次数即在该环境下锂离子电池的寿命为1255，即完成了此阶段的寿命预测。
为了验证该预测方式的准确性，还进行了验证：
容量衰减到额定容量的92%时，锂离子电池的实际循环次数为1245，误差为0.8%，因此，寿命预测可靠性较高。
综上，本实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，通过对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，然后，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式，也就是说，既利用了数据驱动，同时又结合了锂离子电池在放电过程中的动态阻抗特性的寿命预测方法，节约资源的同时，提高了预测的可靠性，并且，预测方式简单方便，大大缩短了预测时间提高了预测效率。
系统实施例：
参见图5，图5为本发明实施例提供的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统的结构框图。如图所示，该系统包括：
阻抗测试模块100，对锂离子电池进行充N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；
曲线获取模块200，其与阻抗测试模块电连接，用以接收阻抗测试模块中得到的动态阻抗谱，并根据动态阻抗谱确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；参数值为动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
进一步地，曲线获取模块，用以根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式。
进一步地，阻抗测试模块，对锂离子电池进行充N周充放电循环具体包括：将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行恒流充电，并在充电后，对锂离子电池进行恒流放电，重复上述充电和放电N周。
进一步地，在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电。
进一步地，参数值为阻抗实部时，阻抗实部与循环次数之间的关系式为一次函数关系式。
进一步地，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布。
进一步地，锂离子电池处于预设荷电状态下，锂离子电池的荷电状态为10%~90%。
进一步地，该系统还包括：寿命预测模块300，其与曲线获取模块确认的参数值与时尚循环次数之间的关系时，还用以获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，以根据参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
由于寿命预测方法实施例具有上述效果，所以该寿命预测系统实施例也具有相应的技术效果。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (16)
1.一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
阻抗测试步骤，对锂离子电池进行N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；
曲线获取步骤，根据所述阻抗测试步骤中得到的动态阻抗谱，确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；所述参数值为所述动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
2.根据权利要求1所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
在所述曲线获取步骤中，根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式。
3.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
在所述阻抗测试步骤，对锂离子电池进行N周充放电循环具体包括：
将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行充电，并在充电后，对锂离子电池进行放电，重复上述充电和放电步骤N周。
4.根据权利要求5所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电。
5.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述参数值为阻抗实部时，阻抗实部与循环次数之间的关系式为一次函数关系式。
6.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布。
7.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述锂离子电池处于预设荷电状态时，锂离子电池的荷电状态为10%~90%。
8.根据权利要求1或2所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
寿命预测步骤，获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，根据所述曲线获取步骤确认的参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
9.一种基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测系统，其特征在于，包括：
阻抗测试模块，对锂离子电池进行充N周充放电循环，并在N周放电过程中，对具有间隔的M周放电过程中锂离子电池处于预设荷电状态下进行动态阻抗测试，以得到M组测试数据，以得到锂离子电池M周放电过程中预设荷电状态下的动态阻抗谱；
曲线获取模块，其与所述阻抗测试模块电连接，用以接收所述阻抗测试模块中得到的动态阻抗谱，并根据所述动态阻抗谱确定动态阻抗谱中不同循环次数的同一频率下的参数值，得到参数值与循环次数之间的关系式；所述参数值为所述动态阻抗的阻抗实部、阻抗虚部或阻抗模。
10.根据权利要求9所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述曲线获取模块，用以根据不同循环次数的同一频率下的参数值，绘制参数值与其对应的循环次数之间的曲线，并对曲线进行拟合，以得到参数值与循环次数之间的关系式。
11.根据权利要求9或10所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述阻抗测试模块，对锂离子电池进行充N周充放电循环具体包括：
将锂离子电池放在恒温环境中静置预设时间段后，对锂离子电池进行恒流充电，并在充电后，对锂离子电池进行恒流放电，重复上述充电和放电N周。
12.根据权利要求5所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
在对锂离子电池进行N周放电过程中，对锂离子电池进行动态阻抗测试的放电阶段中锂离子电池的放电方式为恒流放电。
13.根据权利要求9或10所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述参数值为阻抗实部时，阻抗实部与循环次数之间的关系式为一次函数关系式。
14.根据权利要求9或10所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，M周中任意相邻两次测试时序等间隔排布。
15.根据权利要求9或10所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，
所述锂离子电池处于预设荷电状态时，锂离子电池的荷电状态为10%~90%。
16.根据权利要求9或10所述的基于动态阻抗谱的锂离子电池寿命预测方法，其特征在于，还包括：
寿命预测模块，其与所述曲线获取模块确认的参数值与时尚循环次数之间的关系时，还用以获取待预测锂离子电池寿命终止时的参数值，以根据所述参数值与循环次数之间的关系式，计算待预测锂离子电池的循环次数。
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