CN110501643A - 一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，包括三个步骤:(1)Bode相移值影响因素分析及最佳频率区间确定：获取不同温度、不同荷电状态、不同健康状态下电池的电化学阻抗相移值，并在试验激振频率范围内确定相移值不受健康状态和荷电状态干扰，但对内部温度敏感的频率区间；(2)建立内部温度与电化学阻抗相移值映射关系：在选定的频带区间内确定最佳激振频率点，并找到该频率点下相移值和内部温度映射关系；(3)电池内部温度估算流程：将待测电池置于不同的环境温度下，并利用最佳频率点给予待测电池激振，获取该频率点下的相移值，利用步骤(2)得到的相移值与电池内部温度映射关系估算出待测电池的内部温度。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车用锂电池测温技术领域，具体涉及到一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法。
背景技术
电池在充放电时，在其内部进行着复杂化学反应，并伴随着各种热量的产生，造成电池内部温度实时变化。目前，对锂离子电池的温度监测主要是对其表面温度的检测，通过对部分单体电池粘贴测温电阻、热电偶，以实时监测单体电池温度。由于锂离子单体电池结构上的特点，使其在各个方向上热传导系数有很大差别，传统的测量电池表面温度方法，难以真实的反映锂离子单体电池内部的温度。因此，寻找一种准确估算锂离子电池的内部温度方法尤为关键。
基于电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)对电池内部温度进行估算的方法得到了国内外学者的广泛研究，但多局限于研究电化学阻抗谱特征量受内部温度与荷电状态的影响程度。实际应用中，为达到电动汽车电压及能量等级要求，常采用单体电池串并联成电池模组的形式，由于电池组工作过程中的不均衡性，导致锂电池单体的健康状态各不相同。因此，为了准确估算整个电池组温度，有必要研究电池健康状态对电化学阻抗谱特征量的影响。同时，基于电化学阻抗谱特征量的电池内部温度估计的研究多处于理论分析阶段，未深入探寻电化学阻抗谱特征量与电池内部温度映射关系，将其有效地应用到电池组内部温度的在线估计中。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，包括三个步骤:(1)Bode相移值影响因素分析及最佳频率区间确定：获取不同温度、不同荷电状态、不同健康状态下电池的电化学阻抗相移值，并在试验激振频率范围内确定电化学阻抗相移值不受健康状态和荷电状态干扰，但对内部温度敏感的频率区间；(2)建立内部温度与电化学阻抗相移值映射关系：在选定的频带区间内确定最佳激振频率点，并找到该频率点下相移值和内部温度映射关系；(3)电池内部温度估算流程：将待测电池置于不同的环境温度下，并利用最佳频率点给予待测电池激振，获取该频率点下的相移值，利用步骤(2)得到的相移值与电池内部温度映射关系估算出待测电池的内部温度。
本发明的有益效果：
通过对锂电池瞬间施加单点频率激振的快捷方法，可以迅速地得到当前状态下的电池内部温度，具有很好的及时性，杜绝安全隐患；比起在电池表面贴装温度传感器的方法，节约大量成本，且能准确反映出电池内部的真实温度。
附图说明
图1为本发明电池内部温度估算的流程图；
图2为50％SOC的磷酸铁锂电池在激振频率为12Hz的相移值与内部温度的拟合关系曲线；
图3为50％SOC的磷酸铁锂电池在激振频率为44Hz的相移值与内部温度的拟合关系曲线；
图4为50％SOC的磷酸铁锂电池在激振频率为79Hz时的相移值与内部温度的拟合关系曲线；
图5为每间隔5℃的温度标定区间，采用线性函数分段表征的相移值与内部温度关系图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提出的磷酸铁锂电池内部温度估算方法的流程图如图1所示，电池内部温度估算包括以下步骤：
(1)Bode相移值影响因素分析及最佳频率区间确定：利用电化学工作站对4块不同健康状态电池在5℃、25℃及55℃及0～100％SOC范围内进行电化学阻抗谱试验，获取不同温度、不同荷电状态、不同健康状态下电化学阻抗相移值。在测试的激振0.01Hz～10000Hz的频率区间分析相移值与健康状态和荷电状态间关系，分别对5℃、25℃及55℃下不同荷电状态相同健康状态(92％SOH)及不同健康状态相同荷电状态(50％SOC)的电化学阻抗相移值进行分析，得到相移值不受SOC和SOH干扰的频率区间是10Hz～100Hz；进一步采集SOC为50％时电池在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃下电化学阻抗相移值，验证结果表明10Hz～100Hz频率区间相移值对电池内部温度比较敏感。
(2)建立内部温度与电化学阻抗相移值映射关系：在步骤(1)确定的10Hz～100Hz频带区间内分别利用指数函数及线性函数描述相移值和内部温度映射关系。
指数函数描述：在步骤(1)确定的10Hz～100Hz的频率区间内，选取了三个激振频率点，分别为12Hz、44Hz及79Hz，使用指数函数描述这三个频率点下的相移值与内部温度映射关系，如图1～3所示，具体的指数函数表达式如下式：
其中，a、b、c为拟合系数，x为相移值，T为内部温度，三种激振频率点下拟合系数如表1所示，表1为在12Hz、44Hz及79Hz三种频率下利用指数函数表达式拟合系数。
表1三种激振频率下指数函数拟合系数
线性函数描述：在12Hz、44Hz及79Hz三种激振频率下，每间隔5℃的温度标定区间，采用线性函数对相移值与内部温度的关系进行分段表征，如图5所示，每个温度区间内线性函数的斜率与截距如表2所示，表2为利用线性函数估算电池内部温度时，每个温度区间内线性函数斜率与截距。
表2分段函数斜率与截距
(3)电池内部温度估算流程：将待测电池置于变化的环境温度中，本发明选定7℃、13℃、17℃、23℃、27℃、33℃、37℃、43℃、47℃及53℃，当然不仅仅局限与此，在三种选定频率点下对电池进行激振，并计算相移值，分别代入利用步骤(2)所确定的两种不同函数表达式中对内部温度进行估算，最终估算结果误差值如表3及表4所示，表3为采用指数函数表达式估算内部温度与真实值的误差；表4为利用线性函数估算内部温度与真实值误差。
表3基于指数函数的内部温度估算值与真实值误差
表4基于线性函数的内部温度估算值与真实值误差
从表3采用指数函数描述时，当激振频率选择为12Hz和79Hz时，电池内部温度为13℃、17℃和53℃时，估算结果误差在2℃～3℃，其余内部温度下估算结果误差都在±2℃内；但当选择44Hz的激振频率时，温度估算结果相对误差较大。从表4中可以看出使用分段线性函数的估算方法可有效提高电池内部温度的估算精度；除了个别点温度估算误差超过2℃，其余情况下，大部分情况下内部温度估算的误差都可以保持在2℃以内。在5℃～55℃的整个温度区间内，平均估算误差保持在1℃以内。锂离子电池常用的工作温度是5℃～55℃，在该温度范围对电池进行上述三种频率下任一数值单点激振，将实时采集到的相移值带入离线标定的线性函数计算，便可以实现对电池内部温度的准确估算，具体流程如图1所示。
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 (9)
1.一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)Bode相移值影响因素分析及最佳频率区间确定：获取不同温度、不同荷电状态、不同健康状态下电池的电化学阻抗相移值，并在试验激振频率范围内确定电化学阻抗相移值不受健康状态和荷电状态干扰，但对内部温度敏感的频率区间，为最佳频率区间；
(2)建立内部温度与电化学阻抗相移值映射关系：在步骤(1)确定的频带区间内确定最佳激振频率点，并找到该频率点下电化学阻抗相移角绝对值和内部温度映射关系；
(3)电池内部温度估算：将待测电池置于不同的环境温度下，并利用最佳激振频率点给予待测电池激振，获取该频率点下的电化学阻抗相移角，利用步骤(2)得到的电化学阻抗相移值与电池内部温度映射关系估算出待测电池的内部温度。
2.根据权利要求1所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，激振频率范围设为0.01Hz～10000Hz。
3.根据权利要求1所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，最佳频率区间为10Hz～100Hz。
4.根据权利要求1所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述最佳激振频率点为12Hz、44Hz及79Hz。
5.根据权利要求4所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现方法包括：
在激振频率点12Hz、44Hz及79Hz下，使用指数函数描述这三个频率点下的相移值与内部温度映射关系，具体的指数函数表达式如下式：
其中，a、b、c为拟合系数，x为相移值，T为内部温度。
6.根据权利要求5所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述拟合系数a、b、c的取值为：
在12Hz频率点下，a、b、c分别取值为58.17、1.96、3.82；
在44Hz频率点下，a、b、c分别取值为57.99、1.94、4.07；
在79Hz频率点下，a、b、c分别取值为48.51、2.13、4.31。
7.根据权利要求5所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现方法还可以用如下方法替换：
在12Hz、44Hz及79Hz三种激振频率下，每间隔5℃的温度标定区间，采用线性函数对相移值与内部温度的关系进行分段表征。
8.根据权利要求7所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述线性函数的斜率与截距的取值为：
在12Hz频率点下，
温度区间为[5，10]时，斜率K与截距b的取值分别为-4.31、30.17；
温度区间为[10，15]时，斜率K与截距b的取值分别为-3.82、27.86；
温度区间为[15，20]时，斜率K与截距b的取值分别为-7.35、39.78；
温度区间为[20，25]时，斜率K与截距b的取值分别为-7.25、39.49；
温度区间为[25，30]时，斜率K与截距b的取值分别为-11.11、47.22；
温度区间为[30，35]时，斜率K与截距b的取值分别为-13.16、50.39；
温度区间为[35，40]时，斜率K与截距b的取值分别为-14.29、51.71；
温度区间为[40，45]时，斜率K与截距b的取值分别为-21.74、57.83；
温度区间为[45，50]时，斜率K与截距b的取值分别为-50.12、74.51；
温度区间为[50，55]时，斜率K与截距b的取值分别为-33.33、66.33；
在44Hz频率点下，
温度区间为[5，10]时，斜率K与截距b的取值分别为-3.55、26.61；
温度区间为[10，15]时，斜率K与截距b的取值分别为-3.33、27.13；
温度区间为[15，20]时，斜率K与截距b的取值分别为-6.33、38.04；
温度区间为[20，25]时，斜率K与截距b的取值分别为-5.95、36.96；
温度区间为[25，30]时，斜率K与截距b的取值分别为-9.81、44.71；
温度区间为[30，35]时，斜率K与截距b的取值分别为-13.51、50.27；
温度区间为[35，40]时，斜率K与截距b的取值分别为-12.21、48.78；
温度区间为[40，45]时，斜率K与截距b的取值分别为-20.83、55.12；
温度区间为[45，50]时，斜率K与截距b的取值分别为-41.67、65.11；
温度区间为[50，55]时，斜率K与截距b的取值分别为-29.41、60.59；
在79Hz频率点下，
温度区间为[5，10]时，斜率K与截距b的取值分别为-7.04、45.14；
温度区间为[10，15]时，斜率K与截距b的取值分别为-3.41、26.97；
温度区间为[15，20]时，斜率K与截距b的取值分别为-6.33、37.28；
温度区间为[20，25]时，斜率K与截距b的取值分别为-13.16、50.39；
温度区间为[25，30]时，斜率K与截距b的取值分别为-8.77、41.49；
温度区间为[30，35]时，斜率K与截距b的取值分别为-11.11、44.56；
温度区间为[35，40]时，斜率K与截距b的取值分别为-16.13、48.87；
温度区间为[40，45]时，斜率K与截距b的取值分别为-19.23、50.58；
温度区间为[45，50]时，斜率K与截距b的取值分别为-41.76、37.92；
温度区间为[50，55]时，斜率K与截距b的取值分别为-33.33、55.67。
9.根据权利要求1所述的一种基于Bode图对全寿命周期电池内部温度估计的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的环境温度可以设置为7℃、13℃、17℃、23℃、27℃、33℃、37℃、43℃、47℃及53℃。
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