CN110515009A - 电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法 - Google Patents

电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，包括：(1)电化学阻抗相移值获取：利用电化学工作站对4块不同健康状态单体电池在5℃、25℃及55℃环境温度及0～100％SOC范围内进行EIS试验，获得不同温度、不同荷电状态、不同健康状态电化学阻抗相移值；(2)电化学阻抗相移值特性分析：在试验激振频率范围内分别分析电化学阻抗相移值与健康状态和荷电状态间关系，寻找相移值受健康状态及荷电状态干扰最小频率区间；(3)温度敏感频率区间确定：采集荷电状态为50％时电池在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃温度下电化学阻抗相移值，寻找相移值对电池内部温度敏感频率区间。

Description

电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定 方法
技术领域
本发明属于电动汽车用电池测温技术领域，具体涉及到一种电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法。
背景技术
纯电动汽车及混合动力汽车能量源主要来自于动力电池，锂离子电池因其优良特性而广泛应用于动力电池领域，但随着动力电池能量密度的不断提升，电池的热稳定性将难以避免地变差，未来热失控的风险也将呈现上升趋势。因此，对电池组中各单体电池内部温度进行准确监测，保证所有单体电池都工作在正常的温度范围内，对锂离子动力电池的长久使用与电动汽车的行驶安全具有重要意义。
电化学阻抗谱是电池内部化学机理的直接反映，在锂电池不同状态下，会呈现出不断变化的形态，基于电化学阻抗谱特征量可对电池内部温度进行估算。实际应用中，动力电池组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，导致各电池单体的健康状态各不相同，电池荷电状态(State of Charge,SOC)及健康状态(State of Health,SOH)都会对电化学阻抗谱特征量及频带产生干扰。因此，有必要对动力电池全寿命周期范围内其内部温度敏感频带进行标定。
发明内容
针对上述问题，本发明提出的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法包括三个步骤：
(1)电化学阻抗相移值获取：利用电化学工作站对4块不同健康状态单体电池在5℃、25℃及55℃环境温度及0～100％SOC范围内进行电化学阻抗谱(ElectrochemicalImpedance Spectroscopy,EIS)试验，获得不同温度、不同荷电状态、不同健康状态电化学阻抗相移值；
(2)电化学阻抗相移值特性分析：在试验激振频率范围内分别分析电化学阻抗相移值与健康状态和荷电状态间关系，寻找相移值受健康状态及荷电状态干扰最小频率区间；
(3)温度敏感频率区间确定：采集荷电状态为50％时电池在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃温度下电化学阻抗相移值，寻找相移值对电池内部温度敏感频率区间。
本发明的有益效果：
通过研究健康状态对电化学阻抗谱特征量的影响，确定了一种电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法。该方法可有效解决电动汽车电池模组中单体电池健康状态不一致对内部温度估算影响的问题，提高了利用电化学阻抗谱特征量对电池内部温度估算方法的精度与适用性。
附图说明
图1为本发明使用的试验仪器连接示意图；
图2为相同SOH、不同SOC的电池在25℃的电化学阻抗相移值图像；
图3为相同SOC、不同SOH的电池在25℃的电化学阻抗相移值图像；
图4为相同SOH、不同SOC的电池在5℃的电化学阻抗相移值图像；
图5为相同SOC、不同SOH的电池在5℃的电化学阻抗相移值图像；
图6为相同SOH、不同SOC的电池在55℃的电化学阻抗相移值图像；
图7为相同SOC、不同SOH的电池在55℃的电化学阻抗相移值图像；
图8为50％SOC的电池在5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃温度下电化学阻抗相移值图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的实施主要包含以下步骤：
(1)将磷酸铁锂电池先后置于在5℃、25℃及55℃的恒温环境下，当然这里磷酸铁锂电池仅为阐述方便，并不局限与此，使用电化学工作站对不同SOC与不同SOH下的电化学阻抗相移值进行采集，为了保证电池内部温度与恒温箱温度一致，在进行EIS测试前试验电池至少在相应环境温度下搁置2小时。对磷酸铁锂电池EIS试验施加的激振频率范围是0.01Hz～10000Hz，该频率范围不仅可以降低测试时间成本，还可以较好的观测到高中低频下的电池内部化学反应机理。
本发明使用的试验仪器连接如图1所示，上位机通过数据线与电化学工作站相连接，可设置电化学工作站测试参数，实现试验数据的采集和显示；电化学工作站通过动力接线与放置在恒温箱中的锂电池正负极相连，所选用的磷酸铁锂电池规格为18650型；通过恒温箱可进行电池内部温度的调节。
(2)电池内部的化学反应在低温与高温下受到的影响较大，全寿命周期内电化学阻抗谱特征量受温度范围影响，本发明选择5℃、25℃及55℃三个温度对电化学阻抗相移值特性进行分析，当然温度选择不仅仅局限与此。
在0.01Hz～10000Hz的频率区间范围内选择出电化学阻抗相移值不受SOC和SOH影响的频带，25℃温度下不同荷电状态相同健康状态(92％SOH)的电化学阻抗相移值曲线如图2所示，得到电化学阻抗相移值不受电池荷电状态的影响的频率区间为10Hz～100Hz，25℃温度下不同健康状态相同荷电状态(50％SOC)的电化学阻抗相移值曲线如图3所示，参考上述不受电池荷电状态影响的频带区间得到电化学阻抗相移值不受电池健康状态的影响的频率区间为10Hz～100Hz。5℃与55℃温度下的电化学阻抗相移值曲线如图4至图7所示，得知在5℃与55℃温度下，电化学阻抗相移值不受SOC和SOH干扰的频率区间同样是10Hz～100Hz。
(3)为了探索在步骤(2)确定的10Hz～100Hz的频率区间内电化学阻抗相移值与电池内部温度的敏感程度，在5℃～55℃温度范围内进行了多温度点标定试验，具体的温度点为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃，获得这些温度点下的电化学阻抗相移值曲线如图8所示。从图中可以看出，在10Hz～100Hz的频率区间内，不同内部温度下的相移值差距最大，对电池内部温度非常敏感，进而可确定温度敏感频率区间为10Hz～100Hz。
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.电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)电化学阻抗相移值获取：利用电化学工作站对4块不同健康状态单体电池在5℃、25℃及55℃环境温度及0～100％SOC范围内进行EIS试验，获得不同温度、不同荷电状态、不同健康状态电化学阻抗相移值；
(2)电化学阻抗相移值特性分析：在试验激振频率范围内分别分析电化学阻抗相移值与健康状态和荷电状态间关系，寻找电化学阻抗相移值受健康状态及荷电状态干扰最小频率区间；
(3)温度敏感频率区间确定：采集荷电状态为50％时电池在5℃～55℃温度范围内电化学阻抗相移值，寻找电化学阻抗相移值对电池内部温度敏感频率区间。
2.根据权利要求1所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述步骤(1)的实现方法包括：
将电池先后置于在5℃、25℃及55℃的恒温环境下，使用电化学工作站对不同SOC与不同SOH下的电化学阻抗相移值数据进行采集，对电池EIS试验施加激振频率范围为0.01Hz～10000Hz。
3.根据权利要求2所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述步骤(1)的实现还包括：在进行EIS测试前试验电池至少在相应环境温度下搁置2小时。
4.根据权利要求2或3所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述步骤(1)所采用的试验连接方法包括：
上位机通过数据线与电化学工作站相连接，能够设置电化学工作站测试参数，实现试验数据的采集和显示；电化学工作站通过动力接线与放置在恒温箱中的电池正负极相连，通过恒温箱可进行电池内部温度的调节。
5.根据权利要求2或3所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，试验所选用的电池为磷酸铁锂电池，规格为18650型。
6.根据权利要求1所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述步骤(2)的实现方法包括：
在0.01Hz～10000Hz的频率区间范围内选择出电化学阻抗相移值不受SOC和SOH影响的频带，根据25℃温度下不同荷电状态相同健康状态的电化学阻抗相移值，得到电化学阻抗相移值不受电池荷电状态的影响的频率区间为10Hz～100Hz；根据25℃温度下不同健康状态相同荷电状态的电化学阻抗相移值，以及不受电池荷电状态影响的频带区间得到电化学阻抗相移值不受电池健康状态的影响的频率区间为10Hz～100Hz；根据5℃与55℃温度下的电化学阻抗相移值，得出在5℃与55℃温度下，电化学阻抗相移值不受SOC和SOH干扰的频率区间是10Hz～100Hz。
7.根据权利要求6所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述25℃温度下不同荷电状态相同健康状态是指92％的SOH；所述25℃温度下不同健康状态相同荷电状态是指50％的SOC。
8.根据权利要求1所述的电池全寿命周期内电化学阻抗谱特征量对温度敏感频带标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，5℃～55℃温度范围内设置多温度点，具体的温度点为5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111693881A (zh) * 2020-05-28 2020-09-22 江苏大学 基于“标准化温度”的宽温度范围下电池健康状态在线估测方法
CN112698230A (zh) * 2020-12-02 2021-04-23 国网上海市电力公司 一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法
WO2022038237A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for diagnosing lithium plating in lithium ion batteries by using electrochemical impedance spectroscopy

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006091020A1 (en) * 2005-02-25 2006-08-31 Lg Chem, Ltd. Lithium secondary battery with high performance
CN107768708A (zh) * 2017-08-28 2018-03-06 天津力神电池股份有限公司 锂电池石墨负极材料循环性能的快速评价方法
CN108051479A (zh) * 2017-11-04 2018-05-18 山西长征动力科技有限公司 一种分析涂碳箔材界面导电性能的检测方法
CN109143108A (zh) * 2018-07-25 2019-01-04 合肥工业大学 一种基于电化学阻抗谱的锂离子电池soh的估计方法
CN109411840A (zh) * 2018-10-24 2019-03-01 宁波普瑞均胜汽车电子有限公司 基于阻抗相位角的锂离子电池温度检测方法
WO2019070513A1 (en) * 2017-10-04 2019-04-11 Trustees Of Tufts College ELECTROLYTIC COMPOSITES IN THE FORM OF GEL
CN109932657A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于电化学电池中软短路的确定和表征的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006091020A1 (en) * 2005-02-25 2006-08-31 Lg Chem, Ltd. Lithium secondary battery with high performance
CN107768708A (zh) * 2017-08-28 2018-03-06 天津力神电池股份有限公司 锂电池石墨负极材料循环性能的快速评价方法
WO2019070513A1 (en) * 2017-10-04 2019-04-11 Trustees Of Tufts College ELECTROLYTIC COMPOSITES IN THE FORM OF GEL
CN108051479A (zh) * 2017-11-04 2018-05-18 山西长征动力科技有限公司 一种分析涂碳箔材界面导电性能的检测方法
CN109932657A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于电化学电池中软短路的确定和表征的方法
CN109143108A (zh) * 2018-07-25 2019-01-04 合肥工业大学 一种基于电化学阻抗谱的锂离子电池soh的估计方法
CN109411840A (zh) * 2018-10-24 2019-03-01 宁波普瑞均胜汽车电子有限公司 基于阻抗相位角的锂离子电池温度检测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J.G. ZHU ET AL: "A new lithium-ion battery internal temperature on-line estimate method based on electrochemical impedance spectroscopy measurement", 《JOURNAL OF POWER SOURCES》 *
王学远等: "车载电池阻抗测量用正弦电流源控制与设计", 《电源技术》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111693881A (zh) * 2020-05-28 2020-09-22 江苏大学 基于“标准化温度”的宽温度范围下电池健康状态在线估测方法
CN111693881B (zh) * 2020-05-28 2021-09-10 江苏大学 基于“标准化温度”的宽温度范围下电池健康状态在线估测方法
WO2022038237A1 (en) * 2020-08-21 2022-02-24 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for diagnosing lithium plating in lithium ion batteries by using electrochemical impedance spectroscopy
CN112698230A (zh) * 2020-12-02 2021-04-23 国网上海市电力公司 一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法

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