CN112327171B - 一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，该方法包括如下步骤：S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计。与现有技术相比，本发明考虑了锂离子电池的老化机理，可以提高锂离子电池寿命估计精度。

Description

一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法

技术领域

本发明涉及储能电池领域，尤其是涉及一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法。

背景技术

锂离子电池由于具有高能量密度和功率密度、寿命长、无记忆效应等优点，被广泛应用于移动电子产品、电动汽车和静态储能系统等场所。然而随着锂离子电池的存放或循环使用，电池的寿命会逐渐缩短。锂离子电池寿命的缩短主要表现为容量和功率的衰减，这会使锂离子电池无法满足电动汽车等设备的工作需要。如容量的衰减将缩短电动汽车的续驶里程，功率的衰减将降低电动汽车的加速和爬坡性能，使得电动汽车无法满足驾驶人员的出行需要，尤其是容量的降低会极大的增加电动汽车的抛锚率。因此，当锂离子电池寿命无法满足使用要求时，需要使用新的锂离子电池对其进行更换，以此保证电动汽车的使用安全。

传统的寿命估计方法主要有经验模型法和数据驱动法。经验模型法一般是根据实验室特定循环工况建立的寿命模型，但是实验室所设计的特定循环工况通常很难与锂离子电池实际使用工况相匹配，因此模型实验工况与实际使用工况差异越大，模型的误差也越大。数据驱动模型主要是先对大量电池SOC、电压、内阻等数据进行训练建立寿命估计模型，然后利用模型对其它电池进行寿命估计，该方法在建立模型时需要对大量电池进行实验，如果电池数量较少则模型将存在较大误差，同时该模型未考虑电池的老化机理。

综上所述，在当前工程领域电池寿命的估计方法十分欠缺，亟需找到一种准确可行的新方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，该方法包括如下步骤：

S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；

S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；

S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；

S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计。

优选地，步骤S1在不同老化阶段在不同SOC和不同温度T下分别进行多次交流阻抗谱和容量值测试，进而在不同的老化阶段，得到在设定SOC和设定温度下的交流阻抗谱。

优选地，步骤S2计算交流阻抗的弛豫时间分布函数包括如下三种方案中的任意一种：

计算交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)；

计算交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)；

计算交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)；

其中，τ为弛豫时间，ω为交流阻抗谱测试施加的交流激励的角频率τω＝1。

优选地，交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)获取方式为：

首先，根据步骤S1中交流激励和响应数据计算交流阻抗值：

Z(ω)＝X(ω)/J(ω)

Z(ω)＝Z′(ω)+jZ″(ω)

其中，J(ω)为交流激励，X(ω)为交流响应，ω为角频率，Z(ω)为电池交流阻抗，Z′(ω)为电池交流阻抗的实部值，Z″(ω)为电池交流阻抗的虚部值，j为虚部单位；

然后，利用德拜弛豫时间公式计算电池交流阻抗Z(ω)的弛豫时间分布函数F(τ)：

Z′(∞)为Z′(ω)在角频率ω趋于无限大时的极值，τω＝1。

优选地，交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)的获取方式为：

在获取F(τ)的基础上，对F(τ)进行变换得到：

进而：

其中，R₀为常数。

优选地，交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)的获取方式为：

在获取F(τ)的基础上，对F(τ)进行变换得到：

进而：

其中，R₀为常数。

优选地，当步骤S2获取的为交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)，则步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f(F(τ_j))

其中，f表示以F(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

优选地，当步骤S2获取的为交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)，则步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F′(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F′(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f′(F′(τ_j))

其中，f′表示以F′(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

优选地，当步骤S2获取的为交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)，则步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F″(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F″(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f″(F″(τ_j))

其中，f″表示以F″(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

优选地，步骤S4具体为：

选取相同型号寿命未知的锂离子电池，选取频率为f_j的交流激励对该锂离子电池进激励，计算该锂离子电池的弛豫时间分布值，将弛豫时间分布值带入拟合得到的拟合函数得到该锂离子电池的寿命Y_c，其中：

弛豫时间分布值具体为：

当步骤S3建立的是交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数，则进行寿命估计时，计算该锂离子电池交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布值F_c(τ_j)；

当步骤S3建立的是交流阻抗实部的弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数，则进行寿命估计时，计算该锂离子电池交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F_c′(τ_j)；

当步骤S3建立的是交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数，则进行寿命估计时，计算该锂离子电池交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F_c″(τ_j)。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明能够使用特定频率下的波形对电池进行激励，计算该频率下的弛豫时间分布值，然后利用弛豫时间分布对电池寿命进行估计，提高了电池寿命的估计速度。同时考虑了锂离子电池的老化机理，可以提高锂离子电池寿命估计精度。

附图说明

图1为本发明基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法的流程框图。

图2为本发明实施例1中特定温度和SOC下弛豫时间分布F(τ_j)与寿命的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，该方法包括如下步骤：

S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；

S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；

S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；

S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计。

步骤S1在不同老化阶段在不同SOC和不同温度T下分别进行多次交流阻抗谱和容量值测试，进而在不同的老化阶段，得到在设定SOC和设定温度下的交流阻抗谱。

步骤S2计算交流阻抗的弛豫时间分布函数包括如下三种方案中的任意一种：

计算交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)；

计算交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)；

计算交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)；

其中，τ为弛豫时间，ω为交流阻抗谱测试施加的交流激励的角频率τω＝1。

进而步骤S3可分别基于F(τ)、F′(τ)、F″(τ)中的任意一个建立弛豫时间分布函数与寿命的关系，从而步骤S4根据分布函数估计电池寿命。

在本实施例中步骤S2计算的是交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)，具体获取方式为：

首先，根据步骤S1中交流激励和响应数据计算交流阻抗值：

Z(ω)＝X(ω)/J(ω)

Z(ω)＝Z′(ω)+jZ″(ω)

其中，J(ω)为交流激励，X(ω)为交流响应，ω为角频率，Z(ω)为电池交流阻抗，Z′(ω)为电池交流阻抗的实部值，Z″(ω)为电池交流阻抗的虚部值，j为虚部单位；

然后，利用德拜弛豫时间公式计算电池交流阻抗Z(ω)的弛豫时间分布函数F(τ)：

Z′(∞)为Z′(ω)在角频率ω趋于无限大时的极值，τω＝1。

Z(ω)的弛豫时间分布函数由不同的峰所组成，而不同的峰代表不同的电化学过程。在本案例仅给出一组不同循环次数(不同循环此处代表了不同的老化阶段)温度和SOC均相同下的阻抗Z(ω)所对应的弛豫时间分布图。

进而步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f(F(τ_j))

其中，f表示以F(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

在本案例中仅给出特定温度T和SOC下的电池弛豫时间分布F(τ_j)与电池寿命的关系，如图2所示。

进而，步骤S4具体为：

选取相同型号寿命未知的锂离子电池，选取频率为f_j的交流激励对该锂离子电池进激励，计算该锂离子电池交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布值F_c(τ_j)，将弛豫时间分布值带入拟合得到的拟合函数得到该锂离子电池的寿命Y_c，其中：

实施例2

本实施例提供一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，该方法包括如下步骤：

S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；

S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；

S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；

S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计。

步骤S1在不同老化阶段在不同SOC和不同温度T下分别进行多次交流阻抗谱和容量值测试，进而在不同的老化阶段，得到在设定SOC和设定温度下的交流阻抗谱。

本实施例中步骤S2计算交流阻抗的弛豫时间分布函数为计算交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)，具体地，在获取F(τ)的基础上，对F(τ)进行变换得到：

进而：

其中，R₀为常数。

进而步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F′(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F′(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f′(F′(τ_j))

其中，f′表示以F′(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

最后，步骤S4具体为：

选取相同型号寿命未知的锂离子电池，选取频率为f_j的交流激励对该锂离子电池进激励，计算该锂离子电池交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F_c′(τ_j)，将弛豫时间分布值带入拟合得到的拟合函数得到该锂离子电池的寿命Y_c，其中：

实施例3

本实施例提供一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，该方法包括如下步骤：

S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；

S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；

S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；

S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计。

步骤S1在不同老化阶段在不同SOC和不同温度T下分别进行多次交流阻抗谱和容量值测试，进而在不同的老化阶段，得到在设定SOC和设定温度下的交流阻抗谱。

本实施例中步骤S2计算交流阻抗的弛豫时间分布函数为计算交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)，交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F″(τ)的获取方式为：

在获取F(τ)的基础上，对F(τ)进行变换得到：

进而：

其中，R₀为常数。

进而步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F″(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F″(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f″(F″(τ_j))

其中，f″表示以F″(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

最后，步骤S4具体为：

选取相同型号寿命未知的锂离子电池，选取频率为f_j的交流激励对该锂离子电池进激励，计算该锂离子电池交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数F_c″(τ_j)，将弛豫时间分布值带入拟合得到的拟合函数得到该锂离子电池的寿命Y_c，其中：

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (7)

1.一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、选择未经老化的大量锂离子电池样本，在不同的老化阶段分别测试电池的交流阻抗谱和容量值；

S2、计算交流阻抗的弛豫时间分布函数；

S3、建立弛豫时间分布函数与寿命的关系；

S4、根据特定频率下弛豫时间分布与寿命的关系，对其它寿命未知的电池进行寿命估计；

步骤S2计算交流阻抗的弛豫时间分布函数包括如下两种方案中的任意一种：

计算交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)；

计算交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)；

其中，τ为弛豫时间，ω为交流阻抗谱测试施加的交流激励的角频率，τω＝1。

2.根据权利要求1所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，步骤S1在不同老化阶段在不同SOC和不同温度T下分别进行多次交流阻抗谱和容量值测试，进而在不同的老化阶段，得到在设定SOC和设定温度下的交流阻抗谱。

3.根据权利要求1所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)获取方式为：

首先，根据步骤S1中交流激励和响应数据计算交流阻抗值：

Z(ω)＝X(ω)/J(ω)

Z(ω)＝Z′(ω)+jZ″(ω)

其中，J(ω)为交流激励，X(ω)为交流响应，ω为角频率，Z(ω)为电池交流阻抗，Z′(ω)为电池交流阻抗的实部值，Z″(ω)为电池交流阻抗的虚部值，j为虚部单位；

然后，利用德拜弛豫时间公式计算电池交流阻抗Z(ω)的弛豫时间分布函数F(τ)：

Z′(∞)为Z′(ω)在角频率ω趋于无限大时的极值，τω＝1。

4.根据权利要求3所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)的获取方式为：

在获取F(τ)的基础上，对F(τ)进行变换得到：

进而：

其中，R₀为常数，F″(τ)为交流阻抗虚部的弛豫时间分布函数。

5.根据权利要求3所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，当步骤S2获取的为交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数F(τ)，则步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f(F(τ_j))

其中，f表示以F(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

6.根据权利要求4所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，当步骤S2获取的为交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F′(τ)，则步骤S3具体为：

获取在设定SOC和设定温度下锂离子电池样本在不同老化阶段的弛豫时间分布函数；

计算不同老化阶段的电池寿命Y：

其中，C为对应老化阶段的锂离子电池容量，C₀为锂离子电池初始容量；

选取特定弛豫时间τ_j，得到不同老化阶段的弛豫时间分布函数值F′(τ_j)，将计算得到的电池寿命Y与F′(τ_j)进行拟合得到弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数：

Y＝f′(F′(τ_j))

其中，f′表示以F′(τ_j)为自变量、Y为因变量拟合得到的关系函数。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于弛豫时间分布的锂离子电池寿命估计方法，其特征在于，步骤S4具体为：

选取相同型号寿命未知的锂离子电池，选取频率为f_j的交流激励对该锂离子电池进激励，计算该锂离子电池的弛豫时间分布值，将弛豫时间分布值带入拟合得到的拟合函数得到该锂离子电池的寿命Y_c，其中：

弛豫时间分布值具体为：

当步骤S3建立的是交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数，则进行寿命估计时，计算该锂离子电池交流阻抗总阻抗的弛豫时间分布值F_c(τ_j)；

当步骤S3建立的是交流阻抗实部的弛豫时间分布函数与寿命的拟合函数，则进行寿命估计时，计算该锂离子电池交流阻抗实部的弛豫时间分布函数F_c′(τ_j)。

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