CN110031772B - 一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法 - Google Patents
一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法，其通过在线监测电池的环境温度、放电电流和放电时长，计算电池的荷电状态，然后根据监测值选择相应的修正系数，根据荷电状态确定电池的先导内阻，最后对电池的实时等效内阻进行估算。
Description
技术领域
本申请涉及电动汽车电池热管理领域，特别是一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法。
背景技术
动力电池包是电动汽车的主要储能部件。锂离子电池以其高能量密度、无记忆效应、长循环寿命等优点被广泛应用于众多电动乘用车的动力电池包当中。
锂离子电池等效内阻（EIR，Equivalent Internal Resistance）是计算电池生热率所需要参考的重要指标。
目前，锂离子电池等效内阻主要是根据离线状态下对电池进行恒电流间歇放电法测量得到。同时，大量实验数据证明，在锂离子电池放电的过程中，其等效内阻受环境温度、放电倍率、放电时长、电池的荷电状态（SoC，State of Charge）影响并时刻改变。而且，电动汽车工作状态复杂多变，在此过程中，车载锂离子电池包的输出功率时刻变化，从而导致电池生热率也在实时变化。为了计算锂离子电池的实时生热率，以便电池管理系统及时做出决策，离线测试电池等效内阻的方法就不再适用。
发明内容
针对离线测试电池等效内阻在计算电池实时生热率时存在的不便，本发明提供了一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法。通过在线监测电池的环境温度、放电电流和放电时长，计算电池的荷电状态，然后根据监测值选择相应的修正系数，根据荷电状态确定电池的先导内阻，最后对电池的实时等效内阻进行估算。
本发明是这样来实现上述目的的：
一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法，包括以下步骤：
a. 抽取一定数量的锂离子电池作为样本，以恒电流放电法测试样本电池的可用容量C，以测试数据作为数据基础，用式(1)对电池可用容量和电池温度T进行拟合：
其中，y0、A和k是一阶衰减方程的三个拟合参数。
其中，所述步骤a中对样本锂离子电池进行的恒电流放电测试实验的具体步骤如下：
a1. 对样本锂离子电池进行预处理操作，设置温箱温度为40℃，电池的温度和环境温度保持一致。对样本电池进行共计6次的满充满放循环（一次电池满充和一次电池满放视为一次循环），目的是获得稳定的电池容量。
a2. 将电池满充，设置放电截止电压，令电池以一定的倍率进行恒流放电，当电压低于放电截止电压时停止放电，总的放电容量视作电池的可用容量C。
a3. 在测试之前，为了使电池温度与环境温度保持一致，将电池在温箱中静置10分钟。
a4.从-20℃到50℃，每间隔10℃设定1个温度变量进行测试。
a5. 每项测试重复执行三次，将三次测试得到的电池可用容量的平均值做为测试的最终结果。
b. 读取放电过程中电池的温度值T(t)和电流值I(t)，根据式(1)计算放电过程各个时刻的可用容量C(t)，读取放电前的荷电状态SoC(t0)，利用电荷累积法计算当前时刻电池的荷电状态SoC(t)：
c. 建立锂离子电池的参数数据库，包括先导内阻及修正系数。
c1.利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，电池以0.3C的倍率放电10分钟（约放掉5%的电量），随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，以此作为一次“放电——静置”循环。从荷电状态SoC=100%开始，重复进行上述循环直至电池电压低于截止电压，记录不同荷电状态SoC下电池等效内阻，得到一个“EIR-SoC”谱。根据b中得到的荷电状态SoC(t)，从EIR-SoC谱中查找对应的电池等效内阻，以此作为确定电池当前时刻等效内阻R(t)所需参考的先导内阻Rp(SoC)。
c2. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，分别设置不同的温箱温度，电池以0.3C的倍率放电10分钟（约放掉5%的电量），随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，以此做为一次“放电——静置”循环。从SoC=100%开始，重复进行上述循环直至电池电压低于截止电压，记录各组温箱温度下不同荷电状态SoC时电池EIR，得到一个“EIR-SoC-环境温度”谱。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同电池温度T对应的电池等效内阻EIRT，定义温度修正系数KT：
c3. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，将电池荷电状态SoC与c步中的各个荷电状态SoC对齐后，使电池以不同倍率充电10分钟，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电10分钟，再依前述方法静置。记录不同SoC下电池EIR，得到一个“EIR-SoC-放电倍率”谱。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同放电倍率r对应的电池等效内阻EIRr，定义放电倍率修正系数 Kr：
c4. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，将电池荷电状态SoC与c步中的各个荷电状态SoC对齐后，使电池以0.3C倍率充电不同的时间长度t，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电t秒，再依前述方法静置。记录不同荷电状态SoC下电池等效内阻EIR，得到一个“EIR-SoC-放电时长”谱。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同放电时长t对应的电池等效内阻EIRt，定义放电时长修正系数Kt：
c5. 至此，得到包含“EIR-SoC”谱、kT、Kr、Kt的选用型号锂离子电池的参数数据库，可根据电池放电工况从中查找相关数据，用以计算锂离子电池的实时等效内阻EIR(t)。
d. 步骤c1至c4中所述的恒电流电压放电法测试电池EIR的方法是，在每一段放电时长t内，记录开始放电时的电压E(t0)、放电结束时电池的电压E(t1)和放电电流I(t)，则t时间内电池等效内阻EIR(t)可用下式(6)计算得到：
e. 提出锂离子电池实时等效内阻EIR(t)的计算方法：
f. 对于数据库中没有录入的参考值（例如环境温度为25℃对应的温度修正系数），可以相邻的参考值（20℃、30℃对应的温度修正系数）做插值计算，得到所需的参考值。
本发明的有益效果：通过在线采集锂离子电池的环境温度、放电电流和放电时长，从而在线估算锂离子电池的实时等效内阻，达到计算锂离子实时生热率的目的。本发明建立在对选用锂离子电池进行了大量的测试实验，结果可靠，且实验方法成熟，可操作性强。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是建立锂离子电池参数数据库的流程图；
图2是锂离子电池样本的数据库图示；
图3是本发明方法的一种具体实施例流程图。
具体实施方式
本发明提供的一种锂离子电池等效内阻EIR的实时估算方法，包括建立锂离子电池的参数数据库，其流程如图1所示；对锂离子电池等效内阻EIR进行实时估算，其流程如图3所示。
首先，抽取一定数量的锂离子电池作为样本，以恒电流放电法测试样本电池的可用容量C，以测试数据作为数据基础，用式(1)对电池可用容量和电池温度T进行拟合：
其中，y0、A和k是一阶衰减方程的三个拟合参数。
其中，对样本锂离子电池进行的恒电流放电测试实验的具体步骤如下：
a. 对样本锂离子电池进行预处理操作，设置温箱温度为40℃，电池的温度和环境温度保持一致。对样本电池进行共计6次的满充满放循环（一次电池满充和一次电池满放视为一次循环），目的是获得稳定的电池容量。
b. 将电池满充至荷电状态SoC=100%，设置放电截止电压为2.5V，以0.5C的倍率放电，随后以0.1C的倍率放电，当电压低于放电截止电压时停止放电，总的放电容量视作电池的可用容量C。
c. 在测试之前，为了使电池温度与环境温度保持一致，将电池在温箱中静置10分钟。
d.从-20℃到50℃，每间隔10℃设定1个温度变量进行测试。
e. 每项测试重复执行三次，将三次测试得到的电池可用容量的平均值做为测试的最终结果。
此时，读取放电过程中电池的温度值T(t)和电流值I(t)，根据式(1)计算放电过程各个时刻的可用容量C(t)，读取放电前的荷电状态SoC(t0)，利用电荷累积法计算当前时刻电池的荷电状态SoC(t)：
其次，利用恒电流间歇放电法测试锂离子电池在各种放电情况下的等效内阻EIR，建立锂离子电池的参数数据库，包括先导内阻及修正系数。其具体步骤如下：
a.利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，电池以0.3C的倍率放电10分钟（约放掉5%的电量），随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，以此作为一次“放电——静置”循环。从荷电状态SoC=100%开始，重复进行上述循环直至电池电压低于截止电压，记录不同荷电状态SoC下电池EIR，得到一个“EIR-SoC”谱，如图2的左上角线谱所示。根据b中得到的荷电状态SoC(t)，从EIR-SoC谱中查找对应的电池等效内阻EIR，以此作为确定电池当前时刻等效内阻R(t)所需参考的先导内阻Rp(SoC)。
b. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，分别设置温箱温度为-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，电池以0.3C的倍率放电10分钟（约放掉5%的电量），随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，以此做为一次“放电——静置”循环。从荷电状态SoC=100%开始，重复进行上述循环直至电池电压低于截止电压，记录各组温箱温度下不同荷电状态SoC时电池等效内阻EIR，得到一个“EIR-SoC-环境温度”谱，如图2的右上角线谱所示。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同电池温度T对应的电池等效内阻EIRT，定义温度修正系数KT：
c. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，将电池荷电状态SoC与c步中的各个荷电状态SoC对齐后，使电池以不同倍率（0.1C、0.3C、0.5C、0.7C、1.0C、1.2C、1.4C、1.6C、1.8C、2.0C）充电10分钟，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电10分钟，再依前述方法静置。记录不同SoC下电池EIR，得到一个“EIR-SoC-放电倍率”谱，如图2的左下角线谱所示。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同放电倍率r对应的电池等效内阻EIRr，定义放电倍率修正系数Kr：
d. 利用恒电流间歇放电法对锂离子电池样本进行测试，设置温箱温度为40℃，将电池荷电状态SoC与c步中的各个荷电状态SoC对齐后，使电池以0.3C倍率充电t秒（t取30、60、120、240、360、480、600），随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电t秒，再依前述方法静置。记录不同荷电状态SoC下电池EIR，得到一个“EIR-SoC-放电时长”谱，如图2的右下角线谱所示。以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，然后，固定荷电状态SoC不变，取不同放电时长t对应的电池等效内阻EIRt，定义放电时长修正系数Kt ：
步骤a至d中所述的恒电流电压放电法测试电池等效内阻EIR的方法是，在每一段放电时长t内，记录开始放电时的电压E(t0)、放电结束时电池的电压E(t1)和放电电流I(t)，则t时间内电池等效内阻EIR(t)可用下式(6)计算得到：
至此，得到包含“EIR-SoC”谱、kT、Kr、Kt的选用型号锂离子电池的参数数据库，可根据电池放电工况从中查找相关数据，用以计算锂离子电池的实时等效内阻EIR(t)。
最后，根据式(7)计算锂离子电池的实时等效内阻EIR(t)：
如此，在放电过程的任意时刻t，根据电池温度T(t)确定电池内阻温度修正系数KT；根据电池放电电流I(t)确定电池的放电倍率r(t)，进而确定电池内阻放电倍率修正系数 Kr；根据电池的持续放电时长确定电池内阻放电时长修正系数 Kt；根据电池环境温度T(t)确定电池的可用容量C(t)，进而确定电池当前的荷电状态SoC(t)，然后根据荷电状态SoC(t)查找相应的先导内阻Rp(SoC)。
对于数据库中没有录入的参考值（例如环境温度为25℃对应的温度修正系数），可以相邻的参考值（20℃、30℃对应的温度修正系数）做插值计算，得到所需的参考值。
Claims (3)
1.一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法，其特征在于包括以下步骤：
a. 抽取一定数量的锂离子电池作为样本，以恒电流放电法测试样本电池的可用容量C，以测试数据作为数据基础，利用公式(1)对电池可用容量和电池温度T进行拟合：
其中，y0、A和k是三个拟合参数；
b. 读取放电过程中电池的温度值T(t)，根据式(1)计算放电过程各个时刻的可用容量C(t)；同时，读取放电前的荷电状态SoC(t0)和放电过程的电流值I(t)，利用电荷累积法计算当前时刻电池的荷电状态SoC(t)：
c. 利用恒电流间歇放电法建立锂离子电池的参数数据库，包括先导内阻Rp(SoC)及修正系数KT、Kr和Kt，其中，KT为温度修正系数，Kr 为放电倍率修正系数，Kt为放电时长修正系数；
d. 锂离子电池实时等效内阻可用公式(7)获得：
e. 对于数据库中没有录入的参考值，可以其相邻的参考值做插值计算，得到所需的参考值。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法，其特征在于：所述步骤a中对样本的锂离子电池进行恒电流放电测试的具体步骤包括：
a1. 对锂离子电池进行预处理操作，设置一定的温箱温度，电池的温度和环境温度保持一致，对样本电池进行多次“充满—放空”循环；
a2. 将电池充满，使电池以一定的倍率放电，当电压低于放电截止电压时停止放电，总的放电容量视作电池的可用容量C，其中，在测试之前，为了使电池温度与环境温度保持一致，将电池在温箱中静置一端时间；
a3. 设置不同的温箱温度，重复a2；
a4. 每项测试重复执行三次，将三次测试得到的电池可用容量的平均值做为测试的最终结果。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池等效内阻的实时估算方法，其特征在于：所述步骤c中对样本的锂离子电池进行恒电流间歇放电法的具体步骤包括：
c1. 设置温箱温度为40℃，从荷电状态SoC=100%开始，对电池重复进行“放电—静置”循环直至电池电压低于截止电压，记录不同荷电状态SoC下电池等效内阻EIR，得到一个EIR-SoC谱，其中，所述“放电-静置”循环具体为电池以0.3C的倍率放电10分钟，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，之后，根据执行所述步骤b得到的所述电池的荷电状态SoC(t)，从所述EIR-SoC谱中查找对应的电池等效电阻，并以此作为确定为电池当前时刻等效内阻R(t)所需参考的先导内阻Rp(SoC)；
c2. 分别设置不同的温箱温度，从荷电状态SoC=100%开始，对电池重复进行所述“放电-静置”循环直至电池电压低于截止电压，记录各组温箱温度下不同荷电状态SoC的电池等效内阻EIR，得到一个EIR-SoC-环境温度谱，之后，在以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，固定荷电状态SoC不变，根据所述EIR-SoC-环境温度谱，取不同电池温度T对应的电池等效内阻EIRT，定义温度修正系数KT:
c3. 设置温箱温度为40℃，将电池电荷状态SoC与c1步中的各个电荷状态SoC对齐后，使电池以不同倍率充电10分钟，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电10分钟，再将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，记录不同荷电状态SoC下的电池等效内阻EIR，得到一个EIR-SoC-放电倍率谱，之后，以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，固定荷电状态SoC不变，根据所述EIR-SoC-放电倍率谱，取不同放电倍率r对应的电池等效内阻EIRr，定义放电倍率修正系数Kr：
c4. 设置温箱温度为40℃，将电池荷电状态SoC与c1步中的各个荷电状态SoC对齐后，使电池以0.3C倍率充电不同的时间长度t，随后将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，后放电t秒，再将电池静置2小时，至电池电压改变率低于0.1mV/min，记录不同荷电状态SoC下的电池等效内阻EIR，得到EIR-SoC-放电时长谱，之后，以不同荷电状态SoC下对应的先导内阻Rp(SoC)为基准，固定荷电状态SoC不变，根据所述EIR-SoC-放电时长谱，取不同放电时长t对应的电池等效内阻EIRt，定义放电时长修正系数Kt：
其中，所述步骤c1至c4中得到所述不同荷电状态SoC下的电池等效内阻EIR的方法为，在每一段放电时长t内，记录开始放电时的电压E(t0)、放电结束时电池的电压E(t1)和放电电流I(t)，则t时间内电池等效内阻EIR(t)可用式(6)计算得到：
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