一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法技术

本发明专利技术公开一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，包括：根据电池不同真实温度下电化学阻抗谱分析，建立锂离子电池电荷转移电阻Rct_0与电池真实温度Tr关系模型；在实际工况条件下，引入SOC修正系数fs和电流倍率修正系数fi，分别用于修正SOC和电流倍率对电荷转移电阻的影响，建立适用于工况下的电荷转移电阻Rct与电池温度T关系模型；再将该模型代入电池等效电路模型，以电池温度T作为状态变量，利用扩展卡尔曼滤波算法估算得到电池温度T，以此作为电池工况下的等效温度，实现电池等效温度的在线估计。

【技术实现步骤摘要】
一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法
本专利技术涉及锂离子电池充放电
，具体而言，涉及一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法。
技术介绍
锂离子电池因其工作电压高、使用寿命长、能量密度高、充放电倍率大、自放电电流小、无污染等诸多优点，已成为电动汽车、电动船舶和大型调频调峰储能电站等动力电池应用的首选。但温度极大地影响着锂离子电池的性能和安全，尤其在低温条件下，锂离子电池的阻抗、开路电压、SOC等参数受温度影响特别敏感。目前，锂离子电池的温度通常以其外壳表面或极柱的温度来表示，在充放电过程中，由于电池内阻和电化学反应等的产热，电池由内到外会呈现出一定的温度梯度分布，电池表面或极柱的温度不能代表电池的真实温度。在低温环境下，差异会变得更加明显，这将严重影响锂离子电池状态估算的正确性，导致锂离子电池性能的正常发挥，甚至影响锂离子电池的安全运行。
技术实现思路
鉴于现有锂离子电池温度的估计方法存在的上述困难，本专利技术提出了一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，即以在线辨识所得的锂离子电池电荷转移电阻Rct所对应的温度作为当前锂离子电池的等效温度，以此作为估算锂离子电池状态的温度值。本专利技术所采用的具体技术方案为：一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，该方法包括以下步骤：1)根据电池不同真实温度下电化学阻抗谱分析，建立锂离子电池电荷转移电阻Rct_0与电池真实温度Tr关系模型，记为Rct_0＝f(Tr)；2)考虑到锂离子电池电荷转移电阻Rct_0与电池真实温度Tr关系模型是基于电化学阻抗谱分析方法，测试分析过程中，电池的剩余容量(SOC)基本不变，且测试电流较小；在实际工况下，电荷转移电阻Rct会随SOC和充放电电流变化而改变；因此，在实际工况条件下，对Rct_0＝f(Tr)进行修正，引入SOC修正系数fs和电流倍率修正系数fi，分别用于修正SOC和电流倍率对电荷转移电阻的影响，建立适用于工况下的电荷转移电阻Rct与电池温度T关系模型，记为Rct＝fs*fi*f(T)；3)将电池等效电路模型中的电荷转移电阻用Rct＝fs*fi*f(T)替代，以电池温度T作为状态变量，利用扩展卡尔曼滤波算法估算得到电池温度T，以此作为电池工况下的等效温度，实现电池等效温度的在线估计。进一步地，步骤1)中，对锂离子电池不同真实温度下的电化学阻抗谱分析前，电池需在测试温度下搁置足够时间，测试温度可视为电池真实温度。进一步地，步骤1)中，通过对锂离子电池不同真实温度下的电化学阻抗谱分析，得到电荷转移电阻Rct_0在不同电池真实温度的值，再利用阿伦尼乌斯方程对其拟合，得到Rct_0与电池真实温度Tr关系模型的表达式：其中，Tr表示电池真实温度，Rct_0表示电化学阻抗谱分析所得电荷转移电阻，A、B为拟合系数。进一步地，步骤2)中，引入SOC修正系数fs用于修正SOC对电荷转移电阻的影响，具体如下：a、电池在25℃下搁置足够时间后，测试不同SOC下的电荷转移电阻Rct(soc)；b、计算每个SOC下的fs(soc)＝Rct(soc)/Rct(soc＝100)，多项式拟合得到fs(soc)的表达式：fs(soc)＝a0+a1*soc+a2*soc2+a3*soc3+a4*soc4其中a0～a4为多项式拟合系数。进一步地，步骤2)中，引入电流倍率修正系数fi用于修正电流倍率对电荷转移电阻的影响，具体如下：利用电化学反应动力学butler-volmer方程，推导得到电流倍率修正系数fi表示如下：其中，i为电流，S为反应表面积，T为电池温度，i0为交换电流密度，i0是反应平衡电位下，反映电极绝对反应速率的一个量，与温度的关系满足阿伦尼乌斯公式；采用离线测量的方法，建立交换电流密度i0与电池温度T的关系表达式i0(T)，具体步骤如下：a、将同一个锂离子电池在两个不同测试温度T1、T2下搁置足够时间，分别测试不同电流倍率下的电荷转移电阻Rct(i，T1)、Rct(i，T2)；b、分别计算两个温度下，不同电流倍率下的电流倍率修正系数fi(i，T1)＝Rct(i，T1)/Rct(i→0，T1)、fi(i，T2)＝Rct(i，T2)/Rct(i→0，T2)，Rct(i→0，T)表示温度T下电流i趋于0时的电荷转移电阻值；再利用公式(2)的fi表达式分别拟合得到温度T1、T2下交换电流密度i0(T1)、i0(T2)；c、分别将T1、i0(T1)和T2、i0(T2)代入阿仑尼乌斯公式，得到系数Ai、Bi，从而获得交换电流密度i0与电池温度T的关系表达式i0(T)：进一步地，步骤3)中，利用扩展卡尔曼滤波算法估算电池温度T的具体步骤如下：状态方程为：令xk＝Tkxk＝xk-1+ωk(4)量测方程为：yk＝U0，k＝OCVk+Uct，k(xk)+Up，k+Rb*ik+νk(5)其中Uct表示Rct两端电压值，其表达式为：其中下标k表示第k个时刻，x表示状态变量，y表示量测值，τ表示与Rct相关时间常数，i表示电流，U0表示电池端电压，OCV表示电池开路电压，Up表示极化电压，Rb表示欧姆内阻，ω表示过程激励噪声，v表示观测噪声。在扩展卡尔曼滤波算法中，根据电池等效电路模型计算得到电池端电压的估计值，再与实测电池端电压做差值后，乘以卡尔曼增益得到下一时刻电池温度估计值，以此作为电池等效温度，实现电池等效温度的在线估计。本专利技术的有益效果是：根据本专利技术的方法，在锂离子电池的实际工况中，利用电池电荷转移电阻Rct与等效温度T之间的显著关系，再加入了电池SOC和电流倍率对Rct的影响修正，得到了电池等效温度T的在线估计。相比于通常使用的环境温度或电池表面温度，电池等效温度更能反映电池整体的真实状态。本专利技术将等效温度估计值应用于电池荷电状态和最大功率状态的估计，在-10℃环境温度及DST工况条件下，采用电池等效温度估计的SOC误差小于采用环境温度或电池表面温度的估计值，同时也能够得到精确的SOP估计。附图说明图1是实施例1的锂离子电池等效温度估计方法流程框图；图2是实施例1的锂离子电池电荷转移电阻Rct与真实温度的拟合结果；图3是实施例1的SOC修正系数的拟合结果；图4是实施例1的电流倍率修正系数中交换电流密度与电池温度关系的拟合结果；图5是实施例1的环境温度为-10℃及DST工况条件下的锂离子电池等效温度在线估计结果；图6是实施例2的将锂离子电池等效温度估计方法应用于SOC估计的框图；图7a是实施例2的环境温度为-10℃及DST工况条件下，利用所估计的等效温度估算锂离子电池SOC与在相同工况条件下采用环境温度和电池表面温度估算锂离子电池SOC的结果比较；图7b是实施例2的环境温度为-10℃及DST工况条件下，利用等效温度、环境温度及电池表面温度估算锂离子电池SOC与参考SOC值误差的结果比较；图8是实施例2的环境温度为-10℃及DST工况条件下，利用所估计的电池的等效温度，估算锂离子电池放电最大功率与实际值的比较结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。实施例1图1是本专利技术的实施例1的锂离子电池等效温度估计方法的流程框图，其具体步骤如下：1)将一个31Ah/3.7V三元圆柱型锂离子电池在两个不同测试温度T1＝-10℃、T2＝2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据电池不同真实温度下电化学阻抗谱分析，建立锂离子电池电荷转移电阻Rct_0与电池真实温度Tr关系模型，记为Rct_0＝f(Tr)；2)在实际工况条件下，引入SOC修正系数fs和电流倍率修正系数fi，分别用于修正SOC和电流倍率对电荷转移电阻的影响，建立适用于工况下的电荷转移电阻Rct与电池温度T关系模型，记为Rct＝fs*fi*f(T)；3)将电池等效电路模型中的电荷转移电阻用Rct＝fs*fi*f(T)替代，以电池温度T作为状态变量，利用扩展卡尔曼滤波算法估算得到电池温度T，以此作为电池工况下的等效温度，实现电池等效温度的在线估计。

【技术特征摘要】
1.一种实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)根据电池不同真实温度下电化学阻抗谱分析，建立锂离子电池电荷转移电阻Rct_0与电池真实温度Tr关系模型，记为Rct_0＝f(Tr)；2)在实际工况条件下，引入SOC修正系数fs和电流倍率修正系数fi，分别用于修正SOC和电流倍率对电荷转移电阻的影响，建立适用于工况下的电荷转移电阻Rct与电池温度T关系模型，记为Rct＝fs*fi*f(T)；3)将电池等效电路模型中的电荷转移电阻用Rct＝fs*fi*f(T)替代，以电池温度T作为状态变量，利用扩展卡尔曼滤波算法估算得到电池温度T，以此作为电池工况下的等效温度，实现电池等效温度的在线估计。2.如权利要求1所述的实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，其特征在于：步骤1)中，对锂离子电池不同真实温度下的电化学阻抗谱分析前，电池需在测试温度下搁置足够时间，测试温度可视为电池真实温度。3.如权利要求1所述的实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，其特征在于：步骤1)中，通过对锂离子电池不同真实温度下的电化学阻抗谱分析，得到电荷转移电阻Rct_0在不同电池真实温度的值，再利用阿伦尼乌斯方程对其拟合，得到Rct_0与电池真实温度Tr关系模型的表达式：其中，Tr表示电池真实温度，Rct_0表示电化学阻抗谱分析所得电荷转移电阻，A、B为拟合系数。4.如权利要求1所述的实现锂离子电池等效温度在线估计的方法，其特征在于：步骤2)中，引入电流倍率修正系数fi用于修正电流倍率对电荷转移电阻的影响，具体如下：利用电化学反应动力学butler-volmer方程，推导得到电流倍率修正系数fi表示如下：其中，i为电流，S为反应表面积，T为电池温度，i0为交换电流密度，i0是反应平衡电位下，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋晨路，徐涛，刘涌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33