CN113465773A - 一种测算锂离子电池内部温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测算锂离子电池内部温度的方法，该方法包括如下步骤：锂离子电池的内阻基于时间分区；计算锂离子电池内阻不同时间分区的阻抗。本发明通过将电池内阻进行区分，找出与温度相关性强，且受SOC和SOH影响低的那部分内阻，通过测试这部分内阻从而测算出锂离子电池内部的温度，测算方法简单，对锂电池极芯的设计不产生负面影响，也不需要牺牲部分性能，并且适用绝大多数的锂离子电池，从而监测电池内部温度的变化，保障电池的使用安全。

Description

一种测算锂离子电池内部温度的方法

技术领域

本发明涉及一种测算电池内部温度的方法，具体是一种测算锂离子电池内部温度的方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池因其优异的电化学性能和长循环寿命，已在越来越多的领域取得广泛的应用，尤其大型储能领域。

但锂电池由于所用电解液为有机溶剂，可以燃烧，所以当遇到极端情况或使用不当时有燃烧和爆炸的风险，而在这之前往往会有热失控的发生，因此需要时刻监控锂离子电池的温度状态，确保其在合适温度范围内工作，并且当温度异常时能够第一时间报警。

现有技术常用的方法是在锂离子电池的连接片、盖板或外壳上安装温度传感器用以实施监测电池的温度，并将温度信息上传至电池管理系统(BMS)处理。然而，随着锂离子电池越做越大，压实密度越来越高，进而伴随着电池产热量更高而内部温度又不能及时传递和扩散，因此对锂离子电池的管理提出了更高的要求

现有的在线技术方案，存在一定的弊端和隐患：

1)在电池连接片、盖板或外壳上安装温度传感器，测试的大多是电池外部的表面温度，不能准确反应电池内部的温度，偏差较多，且当电池内部发生温度偏高时，不能第一时间检测到，有一定的滞后性，对于电芯极片层数较多较厚的电池这种现象更加明显，因此往往错过第一反应时间，造成安全风险和财产损失；

2)将温度传感器放置在电池内时，有些需要破坏电池内部设计，有些需要占用一定的空间，所以只能有条件的使用，无法广泛采用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种测算锂离子电池内部温度的方法，该方法能够解决由于增大电芯尺寸或厚极片的电芯普遍存在散热困难，导致电池内部的温度往往与电池外壳或极柱的温度存在较大差异，不方便或不准确测量锂离子电池内部温度的问题，通过该方法能够对电池内部温度实施监控，从而保障电池使用安全。

为实现本发明的技术目的，本发明采取的技术方案为：一种测算锂离子电池内部温度的方法，该方法包括如下步骤：

1)锂离子电池的内阻基于时间t分区；

2)计算锂离子电池内阻不同时间分区的阻抗；

3)制作批量锂离子电池样品，并在锂离子电池样品中安装有用于测量锂离子电池样品内部温度的光纤温度传感器；

4)将批量锂离子电池样品在不同温度下测试，重复步骤1)，得到各个锂离子电池样品内阻在不同T下的阻抗，其中，T表示温度；

5)将部分所述锂离子电池样品调节至不同的SOC，重复步骤1)，得到不同SOC下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOC表示荷电状态；

6)将部分所述锂离子电池样品进行不同次数的充放电循环，用以表示不同的SOH，重复步骤1)，得到不同SOH下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOH表示电池健康度；

7)数据分析，找出阻抗与T强相关，而与SOC和SOH弱相关的至少一个内阻值；

8)若步骤7)中没有满足的内阻值，将锂离子电池的内阻重新基于时间t分区，重新测试，直至分区的数量相差在一个数量级内；

9)若步骤7)中存在内阻值对应的温度值，得到锂离子电池内部温度预测的数据模型，从而用以估算锂离子电池内部温度。

所述步骤1)的具体操作方法：

11)给锂离子电池施加一个不超过1C的电流I₁放电并持续一段时间t；

12)将t分成n个区域，记录为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，则分的区域表示为：

第一分区：0～t₁；

第二分区：t₁～t₂；

第三分区：t₂～t₃；

…

第n分区：t_n-1～t_n；

其中，n＝1、2、3、4…。

13)以0秒的电压记为U₀，以第一分区时间结尾t₁的电压记为U₁，第二分区时间结尾t₂的电压记为U₂，依次类推，第n分区时间结尾t_n的电压记为U_n，以及最后的平衡电压U_end。

所述步骤2)中不同分区的阻抗记录为：

R₁＝(U₀-U₁)/I₁

R₂＝(U₁-U₂)/I₁

R₃＝(U₂-U₃)/I₁

…

R_n＝(U₀-U_n)/I₁

R＝(U₀-U_end)/I₁。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明通过将电池内阻进行区分，找出与温度相关性强，且受SOC和SOH影响低的那部分内阻，通过测试这部分内阻从而测算出锂离子电池内部的温度，测算方法简单，对锂电池极芯的设计不产生负面影响，也不需要牺牲部分性能，并且适用绝大多数的锂离子电池，从而监测电池内部温度的变化，保障电池的使用安全。

附图说明

图1为本发明实施例二中在不同温度下的阻抗关系示意图；

图2为本发明实施例二中在不同SOC下阻抗关系示意图；

图3为发明实施例二中在不同SOH下阻抗关系示意图；

图4为本发明实施例二中数据模型示意图之一；

图5为本发明实施例二中数据模型示意图之二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种测算锂离子电池内部温度的方法，该方法包括如下步骤：

1)锂离子电池的内阻基于时间t分区；

11)给锂离子电池施加一个不超过1C的电流I₁放电并持续一段时间t；

12)将t分成n个区域，记录为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，则分的区域表示为：

第一分区：0～t₁；

第二分区：t₁～t₂；

第三分区：t₂～t₃；

…

第n分区：t_n-1～t_n；

其中，n＝1、2、3、4…。

13)以0秒的电压记为U₀，以第一分区时间结尾t₁的电压记为U₁，第二分区时间结尾t₂的电压记为U₂，依次类推，第n分区时间结尾t_n的电压记为U_n，以及最后的平衡电压U_end。

2)计算锂离子电池内阻不同时间分区的阻抗；

所述步骤2)中不同分区的阻抗记录为：

R₁＝(U₀-U₁)/I₁

R₂＝(U₁-U₂)/I₁

R₃＝(U₂-U₃)/I₁

…

R_n＝(U₀-U_n)/I₁

R＝(U₀-U_end)/I₁。

3)制作批量锂离子电池样品，并在锂离子电池样品中安装有用于测量锂离子电池样品内部温度的光纤温度传感器；

4)将批量锂离子电池样品在不同温度下测试，重复步骤1)，得到各个锂离子电池样品内阻在不同T下的阻抗，其中，T表示温度；

5)将部分所述锂离子电池样品调节至不同的SOC，重复步骤1)，得到不同SOC下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOC表示荷电状态；

6)将部分所述锂离子电池样品进行不同次数的充放电循环，用以表示不同的SOH，重复步骤1)，得到不同SOH下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOH表示电池健康度；

7)数据分析，找出阻抗与T强相关，而与SOC和SOH弱相关的至少一个内阻值；

这里需要进一步解释一下：所谓阻抗与T强相关，是指阻抗与温度变化关系明显，拟合后R²＞0.98；所谓阻抗与SOC和SOH弱相关，是指阻抗与温度变化关系不明显，不随SOC或SOH规律变化，拟合后R²＜0.90。

8)若步骤7)中没有满足的内阻值，将锂离子电池的内阻重新基于时间t分区，重新测试，直至分区的数量相差在一个数量级内；

9)若步骤7)中存在内阻值对应的温度值，得到锂离子电池内部温度预测的数据模型，从而用以估算锂离子电池内部温度。

实施例二

本实施例是基于20Ah的磷酸铁锂电池作为研究对象。

第一：将20Ah的磷酸铁锂电池的内阻分区，分区依据是：给磷酸铁锂电池施加一个不超过1C的电流I₁放电并持续30s，再将0～30s分成5个区，记录每一分区结尾时的电压。第一分区为0～0.1ms，第二分区为0.1ms～1ms，第三分区为1ms～10ms，第四分区为10ms～1s，第五分区为1s～30s，以0s时的电压记为U₀，以第一分区时间结尾的电压记为U₁，第二分区时间结尾的电压记为U₂，依次类推，分别记为U₃、U₄、U₅以及最后的平衡电压U_end。

第二：基于步骤一中的分区，通过对应的电压计算出对应的阻抗，具体如下：

R₁＝(U₀-U₁)/I₁

R₂＝(U₁-U₂)/I₁

R₃＝(U₂-U₃)/I₁

R₄＝(U₃-U₄)/I₁

R₅＝(U₄-U₅)/I₁

R₆＝(U₀-U_end)/I₁。

第三：制作一批磷酸铁锂电池样品，并在磷酸铁锂电池样品的内部安装有光纤温度传感器，用于测量磷酸铁锂电池内部的温度。

第四：将测试的磷酸铁锂电池样品调节SOC(荷电状态)至50％，重复步骤一和步骤二，能够计算出R₁～R₆的值，其关系如附图1所示。

通过附图1可知，R₂、R₃、R₅、R₆与温度的关系性较强，R₁和R₄较弱，则将R₁和R₄剔除。

第五：将部分磷酸铁锂电池样品调节至不同的SOC，重复步骤一在不同的SOC下对磷酸铁锂电池样品进行测试，并重复步骤2，计算出不同SOC下的R₂、R₃、R₅、R₆的值，其中，R₆测试不完全，故也从中剔除。

通过附图2可知，R₂、R₃受SOC影响较小，而R₅在10％SOC和90％SOC时其值明显偏离较大，故也将其剔除。

第六：将部分磷酸铁锂电池样品进行不同次数的充放电循环，用以表示不同的SOH(电池容量)，然后重复步骤1的方法在不同SOH下对部分磷酸铁锂电池样品进行测试，并依据步骤2的方法分别计算各SOH下R₂和R₃的值。

通过附图3可知，随着循环次数的增加，R₂和R₃的值缓慢增长，可以忽略，但为了提高适应性和准确率，我们分别附加一个修正值α、β进行修正。

第七：满足条件R₂和R₃的内阻值分别对应的温度值，通过拟合发现与二次方程的拟合度较高，故我们通过其组合形式得到R_n进行预测得到如下的电池内部温度预测的数据模型(如图4和图5所示)，用以估算电池内部的温度。

从而得到预测模型：T＝0.002R_n ²-0.1767R_n+4.8719

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种测算锂离子电池内部温度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)锂离子电池的内阻基于时间t分区；

2)计算锂离子电池内阻不同时间分区的阻抗；

3)制作批量锂离子电池样品，并在锂离子电池样品中安装有用于测量锂离子电池样品内部温度的光纤温度传感器；

4)将批量锂离子电池样品在不同温度下测试，重复步骤1)，得到各个锂离子电池样品内阻在不同T下的阻抗，其中，T表示温度；

5)将部分所述锂离子电池样品调节至不同的SOC，重复步骤1)，得到不同SOC下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOC表示荷电状态；

6)将部分所述锂离子电池样品进行不同次数的充放电循环，用以表示不同的SOH，重复步骤1)，得到不同SOH下部分所述锂离子电池样品的阻抗，其中，SOH表示电池健康度；

7)数据分析，找出阻抗与T强相关，而与SOC和SOH弱相关的至少一个内阻值；

8)若步骤7)中没有满足的内阻值，将锂离子电池的内阻重新基于时间t分区，重新测试，直至分区的数量相差在一个数量级内；

9)若步骤7)中存在内阻值对应的温度值，得到锂离子电池内部温度预测的数据模型，从而用以估算锂离子电池内部温度。

2.根据权利要求1所述的一种测算锂离子电池内部温度的方法，其特征在于，所述步骤1)的具体操作方法：

11)给锂离子电池施加一个不超过1C的电流I₁放电并持续一段时间t；

12)将t分成n个区域，记录为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，则分的区域表示为：

第一分区：0～t₁；

第二分区：t₁～t₂；

第三分区：t₂～t₃；

…

第n分区：t_n-1～t_n；

其中，n＝1、2、3、4…。

13)以0秒的电压记为U₀，以第一分区时间结尾t₁的电压记为U₁，第二分区时间结尾t₂的电压记为U₂，依次类推，第n分区时间结尾t_n的电压记为U_n，以及最后的平衡电压U_end。

3.根据权利要求2所述的一种测算锂离子电池内部温度的方法，其特征在于，所述步骤2)中不同分区的阻抗记录为：

R₁＝(U₀-U₁)/I₁

R₂＝(U₁-U₂)/I₁

R₃＝(U₂-U₃)/I₁

…

R_n＝(U₀-U_n)/I₁

R＝(U₀-U_end)/I₁。

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