一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法。所述方法包括：计算锂离子电池单体热失控过程中的产热功率；根据热失控过程中锂离子电池表面温度及热失控过程中的产热功率建立热失控集总参数热模型；基于建立的模型利用递推最小二乘法在线辨识模型参数，同时结合扩展卡尔曼滤波算法估计热失控过程中的核心温度。该方法采用电池表面温度测量与模型相结合的方式，可实现在锂离子电池发生热失控时，实时估计电池核心温度，为热失控抑制方案优化提供指导。方案优化提供指导。方案优化提供指导。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法


[0001]本专利技术涉及一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，属于锂离子电池热安全


技术介绍

[0002]世界范围内环境和能源问题愈发突出。中国采取了很多节能减排举措，其中就包括政策引导新能源汽车的发展。新能源汽车在我国乃至全球都处于高速发展时期，锂离子电池因其高能量密度、长寿命、技术相对成熟等诸多优点，成为新能源汽车最有竞争力的动力源。用户对于新能源汽车续航里程的担心，促使电池科技工作者向高能量密度、大容量动力电池方向努力，而能量密度的提升是以牺牲安全性为代价的，锂离子电池系统安全问题是目前制约新能源汽车普及的重要问题之一。对于目前使用广泛的锂离子动力电池来说，热失控是其安全问题的核心科学问题。
[0003]“热失控”是指电池内部出现放热连锁反应引起电池温升速率急剧变化的过热现象。锂离子电池单体的能量密度高一旦发生短路，其内部的化学能将以热能方式迅速释放，电池温度急剧上升最高可至上千摄氏度。
[0004]当前针对锂离子电池热失控的研究实验中多采用在电池单体外壳上固定热电偶的形式记录热失控过程中的温度变化，但锂离子电池热失控过程反应剧烈，产热功率较高，极易产生较大的内外温度梯度，而在实际工况中，很难通过测量的手段得到热失控过程中锂离子电池内部的核心温度，因此迫切需要提出一种估计方法用于获得锂离子电池的核心温度，从而为后续热失控抑制方案的研究提供指导。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，通过将物理建模与算法估计相结合的手段实现热失控过程中电池单体核心温度的准确获取。
[0006]本专利技术提出的一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤一：计算电池单体热失控过程中的产热功率
[0008]根据锂离子电池单体热失控过程的电化学及内短路反应，计算随反应时间变化的产热功率；
[0009]步骤二：建立热失控集总参数热模型
[0010]根据锂离子电池热失控表面温度及热失控过程的产热功率，结合锂离子电池结构特性，建立锂离子电池单体热失控集总参数热模型；
[0011]步骤三：基于模型估计热失控过程中的核心温度
[0012]根据所述热失控集总参数热模型，利用递推最小二乘法在线辨识模型参数；用状态空间方程对热失控集总参数热模型进行描述，以核心温度T
C
作为系统状态变量，表面温
度T
S
作为观测向量，总产热功率Q作为系统输入，同时联立状态方程和观测方程建立状态空间模型；结合扩展卡尔曼滤波算法，利用热失控集总参数热模型输出的表面温度与通过实际测量获得的热失控过程电池表面温度的差值不断修正系统状态变量，估计电池单体热失控核心温度。
[0013]作为本专利技术的优选方案，所述步骤一具体包括:
[0014]根据所述锂离子电池单体热失控过程的电化学反应计算反应的产热功率Q
chem
：
[0015]Q
chem
＝Q
SEI
+Q
Anode
+Q
Electrdyte
+Q
Cathode (1)
[0016]根据所述锂离子电池单体热失控过程的内短路过程计算电能释放产热功率Q
ele
：
[0017][0018]根据所述锂离子电池单体热失控过程中的化学反应产热功率Q
chem
和电能释放产热功率Q
ele
计算总产热功率Q：
[0019]Q＝Q
chem
+Q
ele
ꢀꢀ
(3)
[0020]其中，Q
SEI
代表SEI膜分解反应的产热功率，Q
Anode
代表负极材料分解反应的产热功率，Q
Electrdyte
代表电解液分解反应的产热功率，Q
Cathode
代表正极分解反应的产热功率，ΔH
ele
代表内短路发生时所具有的总电能，c
soc
代表不同荷电状态下锂离子的归一化浓度。
[0021]作为本专利技术的优选方案，所述步骤二具体包括：
[0022]假设热失控电池单体的产热功率是从电池核心产生，传递路线为电池核心
‑
电池表面
‑
电池所处环境，且该路线中的产热功率为均匀传递，结合锂离子电池结构特性可建立热失控集总参数热模型：
[0023][0024]其中，C
C
为锂离子电池核心热容、C
S
为锂离子电池表面外壳热容、R
C
为锂离子电池核心热阻、R
S
为锂离子电池表面外壳热阻，T
C
、T
S
为锂离子电池核心温度和表面温度，T
A
为环境温度。
[0025]作为本专利技术的优选方案，所述步骤三具体包括：
[0026]对式(4)进行拉普拉斯变换，整理后得锂离子电池热失控集总参数热模型的传递函数式：
[0027][0028]将电池热失控的总产热功率Q作为输入，电池内外温差ΔT作为输出，将其离散化可得：
[0029]ΔT(k)＝aΔT(k
‑
1)+bΔT(k
‑
2)+cQ(k
‑
1)+dQ(k
‑
2) (6)
[0030][0031]其中，ΔT为锂离子电池内外温差，a、b、c、d为系统待辨识参数，k为采样点，t为采样时间，θ(k)为系统待辨识的参数矩阵，h(k)为输入量和输出量的历史集合矩阵，根据递推最小二乘法的递推公式(8)实现模型参数的在线辨识与更新；
[0032][0033]其中，为模型参数估计值矩阵，K(k)为增益矩阵，P(k)为协方差矩阵，f(k)为遗忘因子，E为单位矩阵；
[0034]用状态空间方程对热失控集总参数热模型进行描述，以核心温度T
C
作为系统状态变量，表面温度T
S
作为观测向量，总产热功率Q作为系统输入，则状态方程与观测方程分别用式(9)(10)表示：
[0035][0036][0037]将状态空间方程转化为规范形式：
[0038][0039]其中，所述D
k
＝0，x(k)＝T
C
(k)，y(k)＝T
S
(k)，u(k)＝Q(k)；w
k
、v
k
为k时刻的过程噪声和测量噪声；
[0040]根据扩展卡尔曼滤波算法递推公式(12)，利用热失控集总参数热模型输出的表面温度与通过实际测量获得的热失控过程电池表面温度的差值不断修正系统状态变量，从而实现热失控过程中锂离子电池核心温度的准确估计
[0041]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，其特征在于，所述的估计方法包括以下步骤：步骤一：计算电池单体热失控过程中的产热功率根据锂离子电池单体热失控过程的电化学及内短路反应，计算随反应时间变化的产热功率；步骤二：建立热失控集总参数热模型根据锂离子电池热失控表面温度及热失控过程的产热功率，结合锂离子电池结构特性，建立锂离子电池单体热失控集总参数热模型；步骤三：基于模型估计热失控过程中的核心温度根据所述热失控集总参数热模型，利用递推最小二乘法在线辨识模型参数；用状态空间方程对热失控集总参数热模型进行描述，以核心温度T
C
作为系统状态变量，表面温度T
S
作为观测向量，总产热功率Q作为系统输入，同时联立状态方程和观测方程建立状态空间模型；结合扩展卡尔曼滤波算法，利用热失控集总参数热模型输出的表面温度与通过实际测量获得的热失控过程电池表面温度的差值不断修正系统状态变量，估计电池单体热失控核心温度。2.根据权利要求1所述的锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，其特征在于，所述步骤一具体包括:2.1根据所述锂离子电池单体热失控过程的电化学反应计算反应的产热功率Q
chem
：Q
chem
＝Q
SEI
+Q
Anode
+Q
Electrdyte
+Q
Cathode
ꢀꢀꢀ
(1)2.2根据所述锂离子电池单体热失控过程的内短路过程计算电能释放产热功率Q
ele
：2.3根据所述锂离子电池单体热失控过程中的化学反应产热功率Q
chem
和电能释放产热功率Q
ele
计算总产热功率Q：Q＝Q
chem
+Q
ele
ꢀꢀꢀ
(3)其中，Q
SEI
代表SEI膜分解反应的产热功率，Q
Anode
代表负极材料分解反应的产热功率，Q
Electrdyte
代表电解液分解反应的产热功率，Q
Cathode
代表正极分解反应的产热功率，ΔH
ele
代表内短路发生时所具有的总电能，c
soc
代表不同荷电状态下锂离子的归一化浓度。3.根据权利要求1所述的锂离子电池单体热失控核心温度估计方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：假设热失控电池单体的产热功率是从电池核心产生，传递路线为电池核心
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞小莉，徐一丹，黄瑞，陈俊玄，陈杰，包敏杰，吴启超，祝庆伟，张栢源，齐建斌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：