CN115902636A - 利用交流阻抗谱估测电池内温的方法、系统、设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用交流阻抗谱估测电池内温的方法、系统、设备和介质，获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。本发明中交流阻抗测试由全谱测试改为特征频率测试，测试时间由原来的十几分钟缩短至1分钟以内；由于交流阻抗测试是小电流或电压对电池进行激励，不会对电池状态产生影响，且不用对电池内部结构进行改动，无损估算锂离子电池内温，不会对电池内部结构和稳定性产生影响；并且本发明的电池内温的估测误差在3％以内，估测精度较高。

Description

利用交流阻抗谱估测电池内温的方法、系统、设备和介质

技术领域

本发明涉及锂离子电池检测技术领域，具体而言，涉及一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法、系统、设备和介质。

背景技术

随着储能越来越受到重视，锂离子电池储能装机量逐渐增加，随着锂离子电池储能系统的运行，电池的一致性、状态、安全性能等逐渐下降，在滥用或极端条件下易出现“热失控”诱发安全事故，所以电池在使用时均要监测其温度。

随着锂离子电池技术的发展，电池单体容量逐渐增加，内外温差异逐渐增大，而传统的热电偶或温度传感器测温方法只能测试电池表面温度，无法测出电池内部温度。且测量的温度与安装位置有很大关系，与电池内部温度存在一定的误差。而采用内部植入温度传感器的方式，可能会影响电池结构，对电池的电化学稳定性造成干扰，而且这种内部植入的方式势必增加电池成本。

电化学交流阻抗谱技术是一种以小振幅的正弦波为扰动信号的电测量方法，结合电化学理论等相关理论，即可获得测试体系在材料学、动力学、反应机理等方面的信息。电化学交流阻抗谱测试不仅测试条件简单、时间短，而且通过等效电路拟合能得到测试对象的欧姆内阻、电荷转移内阻等多种数据，其中电荷转移内阻受温度影响较大，有望通过电荷转移内阻与温度的关系进行电池内温的估测，但是等效电路拟合存在两个问题，一是需要测试全频谱，测试时间长，对检测设备精度要求高，二是拟合过程中会引入新的误差。

发明内容

为解决在无损条件下难以得到电池内温的问题，本发明的目的是提供一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法、系统、设备和介质，该方法利用交流阻抗谱为数据基础进行锂离子电池内温的估算，利用特征频率下数据作为建模的基础数据，减少了等效电路拟合带来的误差，缩短了测试时间，实现了在无损条件下电池内温的测试。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，包括以下步骤：

获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；

根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。

进一步的，内温估测的模型通过以下过程建立：

对不同温度下的电池的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率；

以特征频率下的数据为输入参量，内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型。

进一步的，对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析采用弛豫时间分布法进行极化过程分析，获取特征频率。

进一步的，特征频率通过以下过程确定：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，并在不同温度下，每10％电池荷电状态进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，并记录相应的电池内温；利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率。

进一步的，对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，包括以下步骤：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量。

进一步的，所述性能老化实验是在温度为10～60℃、电池荷电状态为0～100％与倍率为0.1～2C下进行的。

进一步的，所述一个周期为对电池满充满放100次。

一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，包括：

数据获取模块，用于获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；

内温获取模块，用于根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。

进一步的，内温估测的模型通过以下过程建立：

对不同温度下的电池的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率；

以特征频率下的数据为输入参量，内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型。

进一步的，对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析采用弛豫时间分布法进行极化过程分析，获取特征频率。

进一步的，特征频率通过以下过程确定：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，并在不同温度下，每10％电池荷电状态进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，并记录相应的电池内温；利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率。

进一步的，对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，包括以下步骤：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量。

一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明中交流阻抗测试由全谱测试改为特征频率测试，测试时间由原来的十几分钟缩短至1分钟以内；由于交流阻抗测试是小电流或电压对电池进行激励，不会对电池状态产生影响，且不用对电池内部结构进行改动，不会对电池内部结构和稳定性产生影响；并且本发明的电池内温的估测误差在3％以内，估测精度较高，成本低。

进一步的，本发明以交流阻抗谱特征频率和支持向量回归算法相结合的内温估算方法可以无损估算锂离子电池内温，克服了现有技术中测试时间长，误差大的问题。

附图说明

图1为本发明的利用交流阻抗谱估测电池内温的流程图；

图2为本发明的利用交流阻抗谱估测电池内温的系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本发明中术语含义如下：

SOC：电池荷电状态，State of Charge。

由于电荷转移内阻主要涉及交流阻抗谱的中频区半圆，进而推断其中某些频段的信息与温度呈单调关系，实现通过测试电化学交流阻抗谱的某些特征频段来估测电池内温。

本发明中的电池为锂离子电池。

参见图1，本发明的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，包括以下步骤：

(1)将光纤等温度传感器在锂离子电池制备过程中嵌入电池内部，使之可测锂离子电池内部温度；

(2)对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量；

(3)对内置温度传感器的电池按照设定的工况(温度：-10～60℃任选，SOC区间：0～100％任选，倍率：0.1～2C任选)进行性能老化实验，每循环一个周期(一个周期定义为相当于满充满放100次，例如10％～60％ SOC循环200次记为一个周期)后，按照步骤(2)进行一次容量标定，得到标定容量，并在设定的工况下，于不同温度下，每10％ SOC进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，在交流阻抗测试的同时记录相应的电池内温；

(4)利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取对温度敏感的极化过程所对应的频率，记为特征频率，同时获得特征频率下的数据，包括实部、虚部与相角。

(5)以特征频率下的数据(实部、虚部与相角)为输入参量，对应的内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型；

(6)取一只相同型号的电池，仅测试其特征频率，并得到特征频率下的数据，将特征频率下的数据输入到内温估测的模型中，得到内温估测结果。

实施例1

一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，包括以下步骤：

(1)将光纤温度传感器在20Ah磷酸铁锂电池制备过程中嵌入电池内部，使之可测其电池内部温度；

(2)对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量，测得标定容量为20.43Ah；

(3)对内置温度传感器的电池在40℃下以1C的倍率进行性能老化实验，每循环一个周期后按照步骤(2)中的过程进行一次容量标定，并分别在-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃下，每10％ SOC进行一次交流阻抗测试，在交流阻抗测试的同时记录电池内温，记为[T]；

(4)利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取对温度敏感的极化过程所对应的频率，记为特征频率，特征频率下数据记为[Z]；

(5)对电池内温[T]和特征频率下数据[Z]进行归一化处理，以特征频率下数据[Z]为输入参量，对应的电池内温[T]为输出参量，利用支持向量回归(SVR)算法建立内温估测的模型；

(6)取一只相同型号的电池，在环境温度为25℃下，仅测试其特征频值，得到的数据输入到内温估测模型中，得到估测内温为26.3℃，实测内温为26.9℃，误差为2.2％。

本发明利用弛豫时间分布法提取特征频点，以交流阻抗特征频点和支持向量回归相结合的锂离子电池内温估测，缩短了测试时间，并且估计精度高。

实施例2

参见图2，一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，包括：

数据获取模块，用于获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；

内温获取模块，用于根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。

其中，所述内温估测的模型通过以下过程建立：

对不同温度下的电池的交流阻抗采用弛豫时间分布法进行极化过程分析，获取特征频率；具体的，特征频率通过以下过程确定：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，具体的，对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量。

然后在不同温度下，每10％电池荷电状态进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，并记录相应的电池内温；利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率。

以特征频率下的数据为输入参量，内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型。

实施例3

一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

实施例4

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如上所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (14)

1.一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；

根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。

2.根据权利要求1所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，内温估测的模型通过以下过程建立：

对不同温度下的电池的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率；

以特征频率下的数据为输入参量，内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型。

3.根据权利要求2所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析采用弛豫时间分布法进行极化过程分析，获取特征频率。

4.根据权利要求2所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，特征频率通过以下过程确定：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，并在不同温度下，每10％电池荷电状态进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，并记录相应的电池内温；利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率。

5.根据权利要求4所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，包括以下步骤：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量。

6.根据权利要求4所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，所述性能老化实验是在温度为10～60℃、电池荷电状态为0～100％与倍率为0.1～2C下进行的。

7.根据权利要求4所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的方法，其特征在于，所述一个周期为对电池满充满放100次。

8.一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取待测电池的特征频率，得到特征频率下的数据；所述特征频率下的数据包括实部、虚部与相角；

内温获取模块，用于根据特征频率下的数据，利用基于交流阻抗建立的内温估测的模型，获取待测电池的内温。

9.根据权利要求8所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，其特征在于，内温估测的模型通过以下过程建立：

对不同温度下的电池的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率；

以特征频率下的数据为输入参量，内温为输出参量，利用支持向量回归算法建立内温估测的模型。

10.根据权利要求8所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，其特征在于，对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析采用弛豫时间分布法进行极化过程分析，获取特征频率。

11.根据权利要求8所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，其特征在于，特征频率通过以下过程确定：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，并在不同温度下，每10％电池荷电状态进行一次交流阻抗测试，得到多个交流阻抗，并记录相应的电池内温；利用弛豫时间分布法对不同温度下的交流阻抗进行极化过程分析，获取特征频率。

12.根据权利要求8所述的一种利用交流阻抗谱估测电池内温的系统，其特征在于，对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，进行一次容量标定，得到标定容量，包括以下步骤：

对内置温度传感器的电池进行性能老化实验，每循环一个周期后，对内置温度传感器的电池进行以1/3C的倍率进行容量标定，充放电循环三次后，取第三次的放电容量为标定容量。

13.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

14.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序当被处理器执行时使所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述的利用交流阻抗谱估测电池内温的方法。

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