CN112946489B - 一种基于低频eis的快速容量评估方法 - Google Patents

一种基于低频eis的快速容量评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于低频EIS的快速容量评估方法，该方法包括以下步骤：S1、对满电态的锂离子电池进行低频段EIS测试，得到原始阻抗实部和虚部集合；S2、对原始阻抗实部和虚部集合进行坐标变换，得到阻抗实部和虚部集合；S3、确定电化学阻抗特征频率范围并计算阻抗模；S4、根据修正的韦伯阻抗公式计算韦伯因子Wd，进一步计算新健康因子：伪锂离子扩散系数PLDC和伪锂离子扩散状态PLDS；S5、通过PLDS快速评估锂离子电池容量状态。本方法提出的新健康因子具有较强的物理意义，既可以反应内部机理，又能够避免对过程数据的依赖，从机理上更好地表征锂离子电池容量衰减特性。

Description

一种基于低频EIS的快速容量评估方法
技术领域
本发明属于动力电池管理系统技术领域，具体涉及一种锂离子电池快速容量评估方法。
背景技术
锂离子电池的容量评估是电池管理系统的核心功能，是电池健康状态评估、续驶里程预测和剩余寿命估计的前提基础，对于预警失效和提高可靠性等方面具有重要意义。
当前电池管理系统所用的容量估计方法主要从被动采集的电压、电流、温度等信号中提取与容量相关的特征，对充放电曲线的完整性和规则性要求较高。但在实际应用中电动汽车极少存在完整满充满放情况，并且充电制式大多采用多阶段阶梯电流工况，理想的恒流工况很难获取。这使得一些容量估计方法只能停留在实验室阶段，工程应用效果不佳。因此，如果能找到低频阻抗谱所反映的电化学参数与容量的关系，就可以采用工况注入的主动探测方式来估计电池容量；既可以反应内部机理，又能够避免对过程数据的依赖。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于低频EIS的快速容量评估方法，通过低频EIS阻抗信息提取一种新健康因子并建立其与容量的函数关系，不需要完整的EIS信息。提出的新健康因子能够表征锂离子电池不同健康状态浓差扩散物理特性，能够解决现有技术在工程中依赖充放电曲线的容量估计难题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于低频EIS的快速容量评估方法，包括如下步骤：
S1、对满电态的锂离子电池进行低频段EIS(电化学阻抗谱)测试，得到原始阻抗实部和虚部集合；
S2、对原始阻抗实部和虚部集合进行坐标变换，得到阻抗实部和虚部集合；
S3、确定电化学阻抗特征频率范围并计算阻抗模；
S4、根据修正的韦伯阻抗公式计算韦伯因子Wd，进一步计算新健康因子：伪锂离子扩散系数PLDC(Pseudo Li-ion Diffusion Coefficient)和伪锂离子扩散状态PLDS(Pseudo Li-ion Diffusion State)；
S5、通过PLDS快速评估锂离子电池容量状态。
在上述方案的基础上，步骤S1的具体方案为：
对满电态的锂离子电池施加幅值为5mV的正弦交流电压激励，频率范围为10mHz-2Hz，则最小频率fmin为10mHz，得到原始阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref,ini,Imf,ini)，其中f∈[10mHz,2Hz]。
在上述方案的基础上，步骤S2中坐标变换的公式为：
Ref,tran＝Ref,ini-Re2Hz，Imf,tran＝Imf,ini-Im2Hz；
其中Re2Hz表示测试频率为2Hz时对应的阻抗实部，Im2Hz表示为测试频率为2Hz时对应的阻抗虚部，根据坐标变换的公式得到阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref,tran,Imf,tran)。
在上述方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：
S31、计算相邻两个频率点的阻抗斜率k以此确定电化学阻抗特征频率范围，其计算公式为：
Figure GDA0003770057700000021
其中ΔIm和ΔRe分别表示相邻两个频率点电化学阻抗的虚部之差和实部之差；每相邻两个频率点计算阻抗斜率k，按频率降序排列，计第一个斜率大于0.5的频率为特征频率fchar，得到电化学阻抗特征频率范围为[fmin,fchar]，[fmin,fchar]内的阻抗实部和虚部为有效计算数据，记为
Figure GDA0003770057700000031
其中fc∈[10mHz,fchar]；
S32、计算
Figure GDA0003770057700000032
的阻抗模|Zw|，计算公式为
Figure GDA0003770057700000033
其中Re和Im分别表示阻抗实部和虚部。
在上述方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：
S41、通常认为韦伯阻抗Zw是斜率45°的直线，计算公式为Zw＝σω-1/2-jσω-1/2，其中σ表示韦伯因子，ω为角频率；但在实验过程中观察到低频段斜线并不是严格的45°斜率，则修正后的韦伯阻抗表示为Zwcor，计算公式为Zwcor＝Wd(jω)-α,根据欧拉公式得到
Figure GDA0003770057700000034
其中Wd记为韦伯因子，ω为角频率，α表示阶数且α∈[0,1]；
S42、对
Figure GDA0003770057700000035
进行线性拟合得到拟合斜率p；
S43、基于
Figure GDA0003770057700000036
将步骤S41修正后的韦伯阻抗计算公式进一步表示为：Zwcor＝|Zw|cosθ-j|Zw|sinθ，其中
Figure GDA0003770057700000037
表示直线与x轴的夹角，根据tanθ＝p，则进一步计算
Figure GDA0003770057700000038
S44、根据步骤S32得到的阻抗模，计算韦伯因子
Figure GDA0003770057700000039
S45、伪锂离子扩散系数计算公式为：
Figure GDA00037700577000000310
伪锂离子扩散状态计算公式为：
Figure GDA00037700577000000311
其中PLDCcurrent表示当前状态下伪锂离子扩散系数因子，PLDCinitial表示初始状态下伪锂离子扩散系数因子。
在上述方案的基础上，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
本发明所述的一种基于低频EIS的快速容量评估方法，具有以下有益效果：现有技术基于充-放电曲线提取电压、电流、时间等测量参数进行容量估计，这些参数反应锂离子电池电气特性，缺乏与电池内部反应机理的结合。本发明中通过测量满电态时低频EIS可得到新健康因子，忽略锂离子电池充电初始荷电状态、充电制式和充电过程信息，更便于进行容量估计。并且提出的新健康因子具有实际物理意义，能够从机理上更好地表征锂离子电池容量衰减特性。
附图说明
本发明有如下附图：
图1原始阻抗和坐标变换后阻抗的Nyquist图；
图2PLDS与容量拟合关系。
具体实施方式
以下结合附图1-2对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的一种基于低频EIS的快速容量评估方法，包括如下步骤：
S1、对满电态的锂离子电池进行全频段EIS(电化学阻抗谱)测试，得到原始阻抗实部和虚部集合；
S2、对原始阻抗实部和虚部集合进行坐标变换，得到阻抗实部和虚部集合；
S3、确定电化学阻抗特征频率范围并计算阻抗模；
锂离子电池电化学极化通过具有“弥散效应”的半圆表征，而浓差极化通过斜线表征。由图1中Nyquist图确定半圆到斜线的过渡频率通常为1Hz左右，故本发明中测试频率范围确定为10mHz-2Hz。
在上述方案的基础上，步骤S1的具体方案为：
对满电态的锂离子电池施加幅值为5mV的正弦交流电压激励，频率范围为10mHz-2Hz，则最小频率fmin为10mHz，得到原始阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref,ini,Imf,ini)，其中f∈[10mHz,2Hz]。
在上述方案的基础上，步骤S2中坐标变换的公式为：
Ref,tran＝Ref,ini-Re2Hz，Imf,tran＝Imf,ini-Im2Hz；
其中Re2Hz表示测试频率为2Hz时对应的阻抗实部，Im2Hz表示为测试频率为2Hz时对应的阻抗虚部，根据坐标变换的公式得到阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref,tran,Imf,tran)。
在上述方案的基础上，步骤S3的具体步骤为：
S31、计算相邻两个频率点的阻抗斜率k以此确定电化学阻抗特征频率范围，其计算公式为：
Figure GDA0003770057700000051
其中ΔIm和ΔRe分别表示相邻两个频率点电化学阻抗的虚部之差和实部之差；每相邻两个频率点计算阻抗斜率k，按频率降序排列，计第一个斜率大于0.5的频率为特征频率fchar，得到电化学阻抗特征频率范围为[fmin,fchar]，[fmin,fchar]内的阻抗实部和虚部为有效计算数据，记为
Figure GDA0003770057700000052
其中fc∈[10mHz,fchar]；
S32、计算
Figure GDA0003770057700000053
的阻抗模|Zw|，计算公式为
Figure GDA0003770057700000061
其中Re和Im分别表示阻抗实部和虚部。
如图2所示，本发明所述的一种基于低频EIS的快速容量评估方法，还包括如下步骤：
S4、根据修正的韦伯阻抗公式计算韦伯因子Wd，进一步计算新健康因子：伪锂离子扩散系数PLDC(Pseudo Li-ion Diffusion Coefficient)和伪锂离子扩散状态PLDS(Pseudo Li-ion Diffusion State)；
S5、通过PLDS快速评估锂离子电池容量状态。
在上述方案的基础上，步骤S4的具体步骤为：
S41、通常认为韦伯阻抗Zw是斜率45°的直线，计算公式为Zw＝σω-1/2-jσω-1/2，其中σ表示韦伯因子，ω为角频率；但在实验过程中观察到低频段斜线并不是严格的45°斜率，则修正后的韦伯阻抗表示为Zwcor，计算公式为Zwcor＝Wd(jω)-α,根据欧拉公式得到
Figure GDA0003770057700000062
其中Wd记为韦伯因子，ω为角频率，α表示阶数且α∈[0,1]；
S42、对
Figure GDA0003770057700000063
进行线性拟合得到拟合斜率p；
S43、基于
Figure GDA0003770057700000064
将步骤S41修正后的韦伯阻抗计算公式进一步表示为：Zwcor＝|Zw|cosθ-j|Zw|sinθ，其中
Figure GDA0003770057700000065
表示直线与x轴的夹角，根据tanθ＝p，则进一步计算
Figure GDA0003770057700000066
S44、根据步骤S32得到的阻抗模，计算韦伯因子
Figure GDA0003770057700000067
S45、伪锂离子扩散系数计算公式为：
Figure GDA0003770057700000068
伪锂离子扩散状态计算公式为：
Figure GDA0003770057700000069
其中PLDCcurrent表示当前状态下伪锂离子扩散系数因子，PLDCinitial表示初始状态下伪锂离子扩散系数因子。
在上述方案的基础上，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
显然，本发明的涉及举例案例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于低频EIS的快速容量评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对满电态的锂离子电池进行低频段EIS测试，得到原始阻抗实部和虚部集合；
S2、对原始阻抗实部和虚部集合进行坐标变换，得到阻抗实部和虚部集合；
S3、确定电化学阻抗特征频率范围并计算阻抗模；
S4、根据修正的韦伯阻抗公式计算韦伯因子Wd，进一步计算新健康因子：伪锂离子扩散系数PLDC和伪锂离子扩散状态PLDS；
S5、通过PLDS快速评估锂离子电池容量状态；
步骤S2中坐标变换的公式为：
Ref，tran＝Ref，ini-Re2Hz，Imf，tran＝Imf，ini-Im2Hz；
其中Re2Hz表示测试频率为2Hz时对应的阻抗实部，Im2Hz表示为测试频率为2Hz时对应的阻抗虚部，根据坐标变换的公式得到阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref，tran，Imf，tran)；
步骤S3的具体步骤为：
S31、计算相邻两个频率点的阻抗斜率k以此确定电化学阻抗特征频率范围，其计算公式为：
Figure FDA0003770057690000011
其中ΔIm和ΔRe分别表示相邻两个频率点电化学阻抗的虚部之差和实部之差；每相邻两个频率点计算阻抗斜率k，按频率降序排列，计第一个斜率大于0.5的频率为特征频率fchar，得到电化学阻抗特征频率范围为[fmin，fchar]，[fmin，fchar]内的阻抗实部和虚部为有效计算数据，记为
Figure FDA0003770057690000028
其中fc∈[10mHz，fchar]；
S32、计算
Figure FDA0003770057690000029
的阻抗模|Zw|，计算公式为
Figure FDA0003770057690000021
其中Re和Im分别表示阻抗实部和虚部；
步骤S4的具体步骤为：
S41、对韦伯阻抗进行修正，修正后的韦伯阻抗表示为Zwcor，计算公式为Zwcor＝Wd(jω)-α，根据欧拉公式得到
Figure FDA0003770057690000022
其中Wd记为韦伯因子，ω为角频率，α表示阶数且α∈[0，1]；
S42、对
Figure FDA00037700576900000210
进行线性拟合得到拟合斜率p；
S43、基于
Figure FDA00037700576900000211
将步骤S41修正后的韦伯阻抗计算公式进一步表示为：Zwcor＝|Zw|cosθ-j|Zw|sinθ，其中
Figure FDA0003770057690000023
表示直线与x轴的夹角，根据tanθ＝p，则进一步计算
Figure FDA0003770057690000024
S44、根据步骤S32得到的阻抗模，计算韦伯因子
Figure FDA0003770057690000025
S45、伪锂离子扩散系数计算公式为：
Figure FDA0003770057690000026
伪锂离子扩散状态计算公式为：
Figure FDA0003770057690000027
其中PLDCcurrent表示当前状态下伪锂离子扩散系数因子，PLDCinitial表示初始状态下伪锂离子扩散系数因子。
2.如权利要求1所述的基于低频EIS的快速容量评估方法，其特征在于，步骤S1的具体方案为：
对满电态的锂离子电池施加幅值为5mV的正弦交流电压激励，频率范围为10mHz-2Hz，则最小频率fmin为10mHz，得到原始阻抗实部和虚部集合，具体表示为(Ref，ini，Imf，ini)，其中f∈[10mHz，2Hz]。
3.如权利要求1所述的基于低频EIS的快速容量评估方法，其特征在于，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、钴酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
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