CN114720890A - 一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动力锂电池应用技术领域，具体的说是一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，该方法包括以下步骤：对电池进行离线测试，测量不同温度下的电池阻抗，从而建立电池的温度‑阻抗模型；通过电池管理系统向锂电池注入伪随机序列，对电池的电流电压进行采集，并且计算电池在不同频率下的阻抗；通过对电池宽频阻抗进行在线测量，从而实现对电池内部温度进行估计；相比传统的温度测量方案，本发明提出的方法不需要额外配置温度传感器，具有低成本的优点，此外，本发明提出的方法能够较为准确地测量电池内部温度，不受热延迟影响，同时，本发明所提出的算法能够减少噪声等外部因素的干扰，具有足够的稳定性，能够适用于各种应用场景。

Description

一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法
技术领域
本发明属于动力锂电池应用技术领域，具体的说是一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法。
背景技术
锂离子电池具有功率密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，在储能电站、新能源汽车和各种电子器件中受到了广泛的关注。然而锂离子电池的性能对于温度变化敏感，低温环境会导致锂离子电池的析锂和性能退化，高温环境会导致电极材料的分解。因此需要一个良好的电池热管理系统，以确保电池在允许的温度范围内工作。其中，电池内部温度监测是电池热管理系统的一项基本任务。
通过在电池表面安装热电偶能够直接对电池温度进行测量，但是该方法存在热传递延迟的缺点，导致电池内部温度与外部温度不一致，然而在电池内部放置传感器必然会破坏电池的内部结构，并且需要复杂的装配过程，在使用当中受到限制；为应对上述问题，无传感器电池温度测量技术受到了广泛的关注与研究，其中，通过建立电池热模型，能够对电池温度进行估算，但是热模型中传热系数和比热容等参数在使用过程中难以获取，不准确的模型参数易导致温度估计产生偏差。
由于电池阻抗与温度变化密切相关，通过测量电池的实时阻抗，能够快速、便捷地对电池温度进行快速估计，现有研究发现中高频段的电池阻抗信息能够很好地适用于电池温度估算，但是目前仍然缺乏有效、可靠的手段针对电池宽频阻抗的在线测量；此外，在不同工况下，电池温度估计的精准度及稳定性仍有待进一步提高。因此，本发明提出一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池内部温度测量方法，通过对电池宽频阻抗谱进行实时测量，通过最小二乘法将量测的阻抗信息充分利用，以降低外部干扰对电池内部温度估计的影响，从而提高电池内部温度估计的准确性与稳定性。
为了实现上述目的，本发明提出一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，该方法包括以下步骤：
S1：对电池进行离线测试，测量不同温度下的电池阻抗，从而建立电池的温度-阻抗模型；
S2：通过电池管理系统向锂电池注入伪随机序列，对电池的电流电压进行采集，并且计算电池在不同频率下的阻抗；
S3：在频域内对步骤S2中所测量的阻抗进行滤波处理，以平滑阻抗测量结果；
S4：定义阻抗偏差方程g1和g2；
S5：通过寻优函数最小化代价函数以求取电池内部温度
Figure BDA0003560760720000021
优选的，所述S1中，电池的温度-阻抗模型表示为：Z＝g(f,T)，其中Z表示电池阻抗，f表示阻抗频率，T表示电池温度。
优选的，所述S2中，测量电池在不同频率下的阻抗，其计算方式表示为：
Figure BDA0003560760720000022
其中fi表示阻抗频率，
Figure BDA0003560760720000023
V(fi)和I(fi)分别表示在频率fi下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
优选的，所述S3中，电池阻抗的测量公式表示为：
Figure BDA0003560760720000024
其中
Figure BDA0003560760720000025
表示经过滤波平滑过后的频率fi所对应的电池阻抗，fs表示相邻阻抗之间的频率间隔，fi+1和fi-1分别表示滤波窗口的上下界限。
优选的，所述S4中，阻抗偏差方程的计算公式表示为：
Figure BDA0003560760720000031
其中T表示待求解的电池内部温度；Re表示提取阻抗的实部，Im提取阻抗的虚部；g(fi,T)表示阻抗-温度模型在频率为fi，温度为T时所输出阻抗。
优选的，所述S5中，电池温度的计算公式表示为：
Figure BDA0003560760720000032
其中N是测量的阻抗总数。
本发明的技术效果和优点：
本发明提供的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，通过对电池宽频阻抗进行在线测量，从而实现对电池内部温度进行估计；相比传统的温度测量方案，本发明提出的方法不需要额外配置温度传感器，具有低成本的优点，此外，本发明提出的方法能够较为准确地测量电池内部温度，不受热延迟影响，同时，本发明所提出的算法能够减少噪声等外部因素的干扰，具有足够的稳定性，能够适用于各种应用场景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明中电池内部温度估计流程示意图；
图2是本发明中电池内部温度估计实验的结果图A；
图3是本发明中电池内部温度估计实验的结果图B；
图4是本发明中电池内部温度估计实验的结果图C。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
实施例一：
电池选取为额定容量1.5Ah额定电压3.6V的18650圆柱形磷酸铁锂电池。
其中温度估计的关键环节包括：离线测试、阻抗测量、阻抗滤波、温度求解。
如图1所示，首先通过离线测试建立电池温度-阻抗模型，然后通过向电池注入二进制伪随机序列，以此计算电池在不同频率下的阻抗，再对量测的阻抗通过滑动均值滤波器进行平滑处理，最后通过寻优函数最小化代价函数以求解电池内部温度。
以下将以实施例的方式对本发明的各个关键环节进行逐一介绍。
温度-阻抗模型建立：
通过充放电设备将电池放电至50％荷电状态，通过离线测试测量电池在不同温度(-20℃-20℃)和频率(6500Hz-1Hz)下的阻抗，建立电池的温度-阻抗模型，该模型表示为：Z＝g(f,T)；
其中Z表示电池阻抗，f表示阻抗频率，T表示电池温度。
在线阻抗测量：
通过电池管理系统向动力锂电池注入一段二进制伪随机序列，本实施例中伪随机序列长度为8191位，注入频率为7000Hz；期间对电池信息量进行采集，包括量测电流及量测电压。
通过欧姆定理计算电池在不同频率下的阻抗，其计算方式表示为：
Figure BDA0003560760720000041
其中fi表示阻抗频率，
Figure BDA0003560760720000042
V(fi)和I(fi)分别表示在频率fi下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
阻抗滤波：
在频域内对步骤S2中所测量的阻抗进行滤波处理，以平滑阻抗量测结果，其计算方式表示为：
Figure BDA0003560760720000043
其中
Figure BDA0003560760720000051
表示经过滤波平滑过后的频率fi所对应的电池阻抗，fs表示相邻阻抗之间的频率间隔，fi+1和fi-1分别表示滤波窗口的上下界限。
温度估计：
定义阻抗偏差方程g1和g2，其计算方式表示为：
Figure BDA0003560760720000052
其中T表示待求解的电池内部温度；Re表示提取阻抗的实部；Im表示提取阻抗的虚部；g(fi,T)表示步骤S1所建立的阻抗-温度模型在频率为fi，温度为T时的输出阻抗；
通过寻优函数最小化代价函数以求取电池内部温度
Figure BDA0003560760720000053
表达式如下所示：
Figure BDA0003560760720000054
其中N是测量的阻抗总数。
工作时，通过寻优函数最小化代价函数以求取电池内部温度
Figure BDA0003560760720000055
的表达式：
Figure BDA0003560760720000056
可在实际测量电池的宽频阻抗后，根据获得的电池内部温度
Figure BDA0003560760720000057
的表达式，可求得电池内部温度；进而实现通过对电池宽频阻抗进行在线测量，从而实现对电池内部温度进行估计；相比传统的温度测量方案，本发明提出的方法不需要额外配置温度传感器，具有低成本的优点，此外，本发明提出的方法能够较为准确地测量电池内部温度，不受热延迟影响，同时，本发明所提出的算法能够减少噪声等外部因素的干扰，具有足够的稳定性，能够适用于各种应用场景。
其中电池内部温度估计实验结果如图2-4所示；其中，电池内部温度估计实验的结果图A对应于25A交流加热过程；电池内部温度估计实验的结果图B对应于35A交流加热过程；电池内部温度估计实验的结果图C对应于高速公路行驶工况电池测试过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：对电池进行离线测试，测量不同温度下的电池阻抗，从而建立电池的温度-阻抗模型；
S2：通过电池管理系统向锂电池注入伪随机序列，对电池的电流电压进行采集，并且计算电池在不同频率下的阻抗；
S3：在频域内对步骤S2中所测量的阻抗进行滤波处理，以平滑阻抗测量结果；
S4：定义阻抗偏差方程g1和g2；
S5：通过寻优函数最小化代价函数以求取电池内部温度
Figure FDA0003560760710000011
2.根据权利要求1所述的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：所述S1中，电池的温度-阻抗模型表示为：Z＝g(f,T)，其中Z表示电池阻抗，f表示阻抗频率，T表示电池温度。
3.根据权利要求2所述的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：所述S2中，测量电池在不同频率下的阻抗，其计算方式表示为：
Figure FDA0003560760710000012
其中fi表示阻抗频率，
Figure FDA0003560760710000013
V(fi)和I(fi)分别表示在频率fi下所对应的电池阻抗、电压谐波、电流谐波。
4.根据权利要求3所述的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：所述S3中，电池阻抗的测量公式表示为：
Figure FDA0003560760710000014
其中
Figure FDA0003560760710000015
表示经过滤波平滑过后的频率fi所对应的电池阻抗，fs表示相邻阻抗之间的频率间隔，fi+1和fi-1分别表示滤波窗口的上下界限。
5.根据权利要求4所述的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：所述S4中，阻抗偏差方程的计算公式表示为：
Figure FDA0003560760710000021
其中T表示待求解的电池内部温度；Re表示提取阻抗的实部，Im提取阻抗的虚部；g(fi,T)表示阻抗-温度模型在频率为fi，温度为T时所输出阻抗。
6.根据权利要求5所述的一种基于宽频阻抗谱的锂电池内部温度估计方法，其特征在于：所述S5中，电池温度的计算公式表示为：
Figure FDA0003560760710000022
其中N是测量的阻抗总数。
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