CN116203449A - 一种电池寿命内厚度增长预测方法及系统 - Google Patents

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CN116203449A CN202310238635.4A CN202310238635A CN116203449A CN 116203449 A CN116203449 A CN 116203449A CN 202310238635 A CN202310238635 A CN 202310238635A CN 116203449 A CN116203449 A CN 116203449A
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Abstract

本发明公开一种电池寿命内厚度增长预测方法及系统，所述方法包括：获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数，并计算电芯质保里程内的实际循环次数和实际日历时间；基于电芯测试数据和实际循环次数计算电芯质保年限内的存储厚度增长率和循环厚度增长率；根据实际日历时间修正存储厚度增长率，得到修正后的存储厚度增长率；基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率以及不同预紧力下的厚度收缩系数；根据修正后的存储厚度增长率、循环厚度增长率、不同SOC下的极片厚度增长率以及不同预紧力下的厚度收缩系数计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率，本发明通过简单计算即能够快速计算电池系统衰减数据，并能提高电芯厚度增长预测的准确度。

Description

一种电池寿命内厚度增长预测方法及系统
技术领域
本发明属于电池厚度评估技术领域，具体涉及一种电池寿命内厚度增长预测方法及系统。
背景技术
动力电池作为新能源汽车的动力来源，一直以来被视为电动汽车发展的标志性技术，其性能好坏直接关系到车辆续航里程的长短。目前的汽车动力电池基本都是二次电池，其中锂离子电池无论在体积能量密度还是质量能量密度上都具有很大的优势，且具有更优的寿命，更符合环保理念。
但由于锂离子电池体系内部化学反应和物理变化复杂，在使用过程中性能会衰退，比如随着不断的充放电循环，正负极极片的厚度会逐渐增加，造成电池厚度的增加，严重的会影响电池安全和寿命。因此在项目立项时，一般需要快速评估电芯厚度增长是否满足客户实际使用要求。
而现有的电池厚度增长评估方法，基本是在充放电状态下进行压缩测试，获取大量变形量或膨胀量相关实验数据，再通过曲线拟合或建立电芯及系统形变仿真模型的方式得到预测模型，从而预测电池厚度增长情况。比如公开号为CN 112379297A的专利公开了一种电池系统寿命预测方法，其建立了包括电池电模型、电池热模型、电池压力模型以及电池老化模型在内的电池系统寿命预测模型，通过大量测试数据进行预测。然而这类方式需要大量的实验数据，对于不同类型的电池需要重新进行大量实验测量以建立对应的多种预测模型，且仿真计算周期长，计算难度大，不能在项目前期高效快速预测电池在其寿命内的整体厚度增长情况。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种电池寿命内厚度增长预测方法及系统，用于解决现有的电池衰减预测不能快速预测电池在其寿命内的整体厚度增长情况的问题。
本发明第一方面，公开一种电池寿命内厚度增长预测方法，所述方法包括：
获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数，并计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rr；
基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc；
根据实际日历时间Rr修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts；
基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k；
根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述车辆运行里程相关参数包括总带电量Q和车辆能耗W，所述质保里程相关参数包括质保要求里程S和质保要求里程需要的运营天数d；
电芯质保里程内的实际循环次数
Figure BDA0004123354320000031
电芯质保里程内的实际日历时间
Figure BDA0004123354320000032
α为修正系数。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc具体包括：
基于电芯测试数据获取电池质保年限内的存储厚度增长率T0和电池达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt；
根据质保里程内的实际循环次数Nr、电池达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt计算循环厚度增长率Tc：
Figure BDA0004123354320000033
在以上技术方案的基础上，优选的，所述基于电芯测试数据获取电池质保年限内的存储厚度增长率和电池达到预设寿命时对应的测试循环次数及测试厚度增长率具体包括：
基于电芯测试数据绘制电池的存储厚度增长曲线和循环厚度增长曲线；
基于质保日历时间查询存储厚度增长曲线，获取电池在质保日历时间内的存储厚度增长率T0；
从电芯测试数据中获取特定温度下电池达到预设寿命时对应的循环次数作为测试循环次数Nt；
基于测试循环次数Nt查询循环厚度增长曲线，获取电池达到测试循环次数Nt时对应的厚度增长率作为测试厚度增长率Tt。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述修正后的存储厚度增长率Ts为：
Figure BDA0004123354320000041
在以上技术方案的基础上，优选的，所述不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc＝Tsoc++Tsoc-；
其中，Tsoc+为不同SOC范围下的正极厚度膨胀率，Tsoc-为不同SOC范围下的的负极厚度膨胀率。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述不同预紧力下的厚度收缩系数k通过查询受力厚度变化曲线得到；所述受力厚度变化曲线通过测试不同预紧力下的厚度变化率绘制得到。
本发明第二方面，公开一种电池寿命内厚度增长预测系统，所述系统包括：
数据获取模块：用于获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数；
参数计算模块：用于计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rr；
循环形变量模块：用于基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc；
存储形变量模块：用于根据实际日历时间Rr修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts；
SOC形变量模块：用于基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc；
受力形变量模块：基于电芯测试数据计算不同预紧力下的厚度收缩系数k；
总形变量模块：用于根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1)本发明以车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数和电芯测试数据为基础，通过简单测试和计算即能够快速计算电池系统衰减数据，可适用于项目前期高效快速预测电池在其寿命内的整体厚度增长情况；本发明综合考虑了质保里程内的存储厚度增长率循环厚度增长率、不同SOC下的极片形变量，能够更全面、更准确的预测电芯实际厚度变化；
2)本发明基于车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数计算电池实际循环次数、循环时间，从而根据质保日历时间和循环时间推算出准确的实际日历时间，根据实际日历时间估算修正后的存储厚度增长率，减少因日历时间中混入循环时间带来的计算误差，提高存储厚度增长率和循环厚度增长率计算的准确度；
3)本发明在计算电芯厚度增长时，结合了多种类型的电芯实际测试数据，同时考虑了不同温度、不同SOC对电芯膨胀的影响，更贴近客户实际使用工况，估算更准确、可信度较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种电池寿命内厚度增长预测方法流程示意图；
图2为存储厚度增长曲线；
图3为循环厚度增长曲线；
图4为受力厚度变化率曲线；
图5为电池寿命内厚度增长预测方法实例图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明公开一种电池寿命内厚度增长预测方法，所述方法包括：
S1、获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数。
具体的，车辆运行里程相关参数包括总带电量Q、车辆类型、车辆能耗W和全年无休车辆日均行驶里程等参数。质保里程相关参数包括质保要求里程S和质保要求里程需要的运营天数d。其中，质保要求里程需要的运营天数根据客户日均行驶里程及总里程估算，且该估算结果还与客户要求质保年限相比较，取两者中的较大值。车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数均为客户输入数据，本发明通过这些客户输入数据结合电芯测试数据快速进行电池质保寿命内的厚度增长预测。
S2、根据运行里程相关参数和质保里程相关参数计算质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rr。
步骤S2具体包括如下分步骤：
S21、计算质保里程内的实际循环次数Nr
根据总带电量Q及车辆能耗W计算电池单次平均循环里程
Figure BDA0004123354320000071
Figure BDA0004123354320000072
根据质保要求里程S及单次平均循环里程
Figure BDA0004123354320000073
计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr：
Figure BDA0004123354320000074
S22、计算电芯质保里程内的实际日历时间Rr：
根据实际循环次数Nr计算电池循环时间Rc：
Figure BDA0004123354320000075
根据质保要求里程需要的运营天数d计算质保日历时间R0：
Figure BDA0004123354320000076
根据质保日历时间R0和循环时间Rc计算电芯质保里程内的实际日历时间Rr：
Figure BDA0004123354320000077
其中，α为修正系数。
本发明通过质保要求里程及单次平均循环里程计算电池实际循环次数和循环时间，由于质保日历时间中包含了循环时间，因此从质保日历时间R0中剔除该循环时间Rc，得到实际日历时间Rr，将该实际日历时间Rr作为电池的实际存储时间，与循环时间分开计算，提高日历时间计算的准确度。
S3、基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc。
S31、基于电芯测试数据获取电池质保年限内的存储厚度增长率T0和电芯达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt；
锂电池的健康状态(state of health，SOH)是对其健康寿命状态的表征，反映电池的电量、能量、充放电功率等状态，本发明的预设寿命以70％SOH为例，获取电池达到70％SOH时对应的测试循环次数及测试厚度增长率，然后计算电池寿命内的厚度增长率。
S311、基于电芯测试数据绘制电池的存储厚度增长曲线和循环厚度增长曲线。
如表1所示为存储厚度增长相关的测试数据，其表征了不同存储天数和不同环境温度下的厚度变化率。通过表1绘制存储厚度增长曲线，如图2所示。
表1存储厚度增长相关测试数据
25℃ 35℃ 45℃
存储天数 厚度变化率 厚度变化率 厚度变化率
100 0.60％ 0.65％ 0.70％
500 1.20％ 1.25％ 1.30％
1000 1.80％ 1.85％ 1.91％
1500 2.40％ 2.47％ 2.55％
2000 3.00％ 3.08％ 3.26％
2500 3.60％ 3.69％ 3.89％
3000 4.20％ 4.32％ 4.48％
4000 4.8％ 4.9％ 5.2％
如表2所示为循环厚度增长相关的测试数据，其表征了不同循环圈数和不同环境温度下的厚度变化率。通过表2绘制循环厚度增长曲线，如图3所示。
表2循环厚度增长相关测试数据
25℃ 35℃ 45℃
循环圈数 厚度变化率 厚度变化率 厚度变化率
100 0.20％ 0.30％ 0.40％
200 0.90％ 1.00％ 1.20％
300 1.40％ 1.50％ 1.70％
500 2.10％ 2.30％ 2.50％
1000 3.20％ 3.40％ 3.70％
1500 4.00％ 4.20％ 4.60％
2000 4.60％ 4.80％ 5.20％
2500 4.80％ 5.20％ 5.60％
3000 5.0％ 5.4％ 5.8％
S312、基于质保日历时间查询存储厚度增长曲线，获取电芯在质保日历时间内的存储厚度增长率T0。
具体的，以质保日历时间对应的存储天数查询图2的存储厚度增长曲线，得到质保日历时间内的存储厚度增长率T0。
S313、从电芯测试数据中获取特定温度下电芯达到预设寿命时对应的循环次数作为测试循环次数Nt。
以70％SOH为例，获取特定温度下电池达到70％SOH时对应的循环次数作为测试循环次数。
S314、基于测试循环次数Nt查询循环厚度增长曲线，获取电芯达到测试循环次数时对应的厚度增长率作为测试厚度增长率Tt。
具体的，以步骤S33得到的测试循环次数Nr查询图3的循环厚度增长曲线，得到特定温度下电池达到70％SOH时的测试厚度增长率Tt。
S32、根据质保里程内的实际循环次数Nr、电芯达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt计算循环厚度增长率Tc：
Figure BDA0004123354320000091
S4、根据实际日历时间Rr修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts。
由于步骤S2已计算得到实际日历时间Rr，结合步骤S3查询到的质保日历时间内的存储厚度增长率T0，即可计算实际日历时间Rr内的存储厚度增长率，从而修正直接采用质保日历时间内的存储厚度增长率带来的误差。
修正后的存储厚度增长率Ts的计算公式如下：
Figure BDA0004123354320000101
S5、基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k。
步骤S5具体包括如下分步骤：
S51、预先获取电芯正极层数、负极层数、正极单面厚度(mm)、负极单面厚度(mm)等数据，分别测试不同SOC范围下的正极厚度膨胀率和负极厚度膨胀率，计算不同SOC下的极片厚度增长率。
比如测试得到30％至100％SOC下的正极厚度膨胀率，30％至100％SOC下的负极厚度膨胀率，然后计算不同SOC下的极片厚度增长率：
Tsoc＝Tsoc++Tsoc-
其中，Tsoc+为不同SOC范围下的正极厚度膨胀率，Tsoc-为不同SOC范围下的负极厚度膨胀率。S52、测试不同预紧力下的厚度变化率，并绘制受力厚度变化曲线，通过查询受力厚度变化曲线得到不同预紧力下的厚度收缩系数k。
如表3所示为不同预紧力下的厚度变化率测试数据，图4所示为根据表3绘制的受力厚度变化率曲线，获取用户输入的电芯最大膨胀力数据，根据图4查询电芯最大膨胀力下的厚度变化率作为对应预紧力下的厚度收缩系数k。
表3不同预紧力下的厚度变化率测试数据
预紧力(N) 厚度变化率
0 100％
300 99.95％
500 99.92％
1000 99.90％
2000 98.80％
5000 98.20％
10000 97.70％
15000 97.50％
20000 97.4％
例如，假设电芯最大膨胀力为15000N，则对应的厚度变化率为97.50％，预紧力下的厚度收缩系数k＝0.975。
S6、根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
本发明综合考虑了质保里程内的存储厚度增长率循环厚度增长率、不同SOC下的极片形变量，能够更全面、更准确的预测电芯实际厚度变化。
如图5所示是以70％SOH为例的具体电池寿命内厚度增长预测实例，其中，总带电量、车辆类型、车辆能耗、全年无休称量日均行驶里程、电芯最大膨胀力、使用的最大SOC、质保要求里程和质保要求里程需要的运营天数均为客户输入数据。质保年限内的存储厚度增长、70％SOH对应的测试厚度增长、70％SOH对应的测试循环次数，30％至100％SOC的正极厚度膨胀率、30％至100％SOC负极厚度膨胀率和最大膨胀力下厚度压缩率均为电芯测试数据，基于客户输入数据和电芯测试数据计算分别计算实际日历时间和循环时间，然后分别计算循环厚度增长率和修正后的存储厚度增长率、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc、不同预紧力下的厚度收缩系数k，将循环厚度增长率和修正后的存储厚度增长率、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc相加得到和乘以厚度收缩系数k，得到电芯寿命内的总厚度增长率，从而得到单电芯寿命内的总变形量。
以上述方法实施例相对应，本发明公开一种电池寿命内厚度增长预测系统，所述系统包括：
数据获取模块：用于获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数；
参数计算模块：用于计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rc；
循环形变量模块：用于基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc；
存储形变量模块：用于根据实际日历时间Rc修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts；
SOC形变量模块：用于基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc；
受力形变量模块：基于电芯测试数据计算不同预紧力下的厚度收缩系数k；
总形变量模块：用于根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
以上系统实施例和方法实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前述的方法。
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述方法包括：
获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数，并计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rr；
基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc；
根据实际日历时间Rr修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts；
基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k；
根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
2.根据权利要求1所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述车辆运行里程相关参数包括总带电量Q、车辆能耗W和日均行驶里程，所述质保里程相关参数包括质保要求里程S和质保要求里程需要的运营天数d；
电芯质保里程内的实际循环次数
Figure FDA0004123354310000011
电芯质保里程内的实际日历时间
Figure FDA0004123354310000012
其中，α为修正系数。
3.根据权利要求2所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc具体包括：
基于电芯测试数据获取电池质保年限内的存储厚度增长率T0和电池达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt；
根据质保里程内的实际循环次数Nr、电池达到预设寿命时对应的测试循环次数Nt及测试厚度增长率Tt计算循环厚度增长率Tc：
Figure FDA0004123354310000021
4.根据权利要求3所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述基于电芯测试数据获取电芯质保年限内的存储厚度增长率和电芯达到预设寿命时对应的测试循环次数及测试厚度增长率具体包括：
基于电芯测试数据绘制电芯在不同环境温度下的的存储厚度增长曲线和循环厚度增长曲线；
基于质保日历时间查询存储厚度增长曲线，获取电池在质保日历时间内的存储厚度增长率T0；
从电芯测试数据中获取特定温度下电芯达到预设寿命时对应的循环次数作为测试循环次数Nt；
基于测试循环次数Nt查询循环厚度增长曲线，获取电芯达到测试循环次数Nt时对应的厚度增长率作为测试厚度增长率Tt。
5.根据权利要求2所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述修正后的存储厚度增长率Ts为：
Figure FDA0004123354310000022
6.根据权利要求4所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc＝Tsoc++Tsoc-；
其中，Tsoc+为不同SOC范围下的正极厚度膨胀率，Tsoc-为不同SOC范围下的的负极厚度膨胀率。
7.根据权利要求4所述的电池寿命内厚度增长预测方法，其特征在于，所述不同预紧力下的厚度收缩系数k通过查询受力厚度变化曲线得到；所述受力厚度变化曲线通过测试不同预紧力下的厚度变化率绘制得到。
8.一种电池寿命内厚度增长预测系统，其特征在于，所述系统包括：
数据获取模块：用于获取车辆运行里程相关参数和质保里程相关参数；
参数计算模块：用于计算电芯质保里程内的实际循环次数Nr和实际日历时间Rc；
循环形变量模块：用于基于电芯测试数据和实际循环次数Nr计算电芯质保年限内的存储厚度增长率T0和循环厚度增长率Tc；
存储形变量模块：用于根据实际日历时间Rc修正存储厚度增长率T0，得到修正后的存储厚度增长率Ts；
SOC形变量模块：用于基于电芯测试数据计算不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc；
受力形变量模块：基于电芯测试数据计算不同预紧力下的厚度收缩系数k；
总形变量模块：用于根据修正后的存储厚度增长率Ts、循环厚度增长率Tc、不同SOC下的极片厚度增长率Tsoc以及不同预紧力下的厚度收缩系数k计算成组后的单电芯寿命内的总厚度增长率T总：
T总＝(Ts+Tc+Tsoc)*k。
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