【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂电池，特别是涉及基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法。
技术介绍
1、锂电池具有能量/功率密度高、循环寿命长，自放电率低等优点，广泛应用于电动汽车、储能系统以及轨道交通等领域。在实际应用中，电池反复充放电会导致锂电池的活性物质发生不可逆的损失，从而导致锂电池容量不可避免地降低，该现象称为电池老化。电池老化直接导致电池容量降低和内阻增加，间接导致电池的功率能力降低。电池管理系统通常采用健康状态(soh)来表征电池的电池老化，将其通常定义为剩余总容量与原始容量的比值。准确的soh能够为电池的合理使用提供指导、对防止电池突然失效以及延长电池使用寿命具有重要意义。电化学阻抗谱(eis)技术能够测量出电池在宽频率不同频率下的阻抗信息，能够反映电池在不同频率下的特性。锂电池在不同荷电状态和老化阶段的电化学阻抗谱发生显著变化，因此，电化学阻抗谱是实现电池健康状态估计的有效手段。
2、电化学阻抗谱已广泛应用于电池soh的估计，然而，基于电化学阻抗谱的soh估计方法主要面临以下挑战：首先，现有的表征电池老化的特征与电池的老化阶段具有较强的关联，无法表征锂电池全生命周期的老化程度；其次，现有的基于电化学阻抗谱的soh估计模型主要依赖于经验和概率建立，缺乏电池机理的理论基础，适应性较低，模型精度较差，且模型参数辨识计算成本高。现有的基于电化学阻抗谱的soh估计模型主要依赖于经验建立，缺乏电池机理的理论基础，适应性较低，模型精度低，无法实现soh的准确估计。
技术实现思路>
1、为了解决上述问题，本专利技术提出了基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，基于锂电池的电化学阻抗谱构建基于电荷转移阻抗的健康状态soh估计模型，该模型能够定量地描述电荷转移阻抗、soh、soc以及温度之间的关系，模型具有较低的计算成本、较少的存储空间，能够用于在线的soh估计。
2、为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，包括步骤：
3、步骤一，建立锂电池频域等效电路模型；
4、步骤二，辨识锂电池频域等效电路模型参数；包括：模型参数基于测量电化学阻抗谱数据识别，获取参数辨识结果；
5、步骤三，基于锂电池频域等效电路模型中电荷转移电阻建立soh估计模型；
6、步骤四，辨识基于电荷转移电阻建立soh估计模型参数，完成基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模。
7、进一步的是，建立锂电池频域等效电路模型包括：通过将固体电解质界面膜电阻rsei和固体电解质界面膜常相位元件cpesei并联构成第一单元，通过将电荷转移电阻rct和电荷转移常相位元件cpect并联构成第二单元，将第一单元、第二单元和电池欧姆电阻rohm串联后构成锂电池频域等效电路模型。
8、进一步的是，
9、
10、式中，c1和c2为常系数，j和ω分别为虚数和角频率，α和β分别为分数阶，其范围为0-1；
11、因此，频域等效电路模型表达式为：
12、
13、z(ω)为频域等效电路模型的总阻抗。
14、进一步的是，在步骤二中，辨识锂电池频域等效电路模型参数，包括步骤：
15、(1)模型参数基于测量电化学阻抗谱数据识别：电化学阻抗谱测量数据包含ωi、x(ωi)和y(ωi)，其中i为不同频率点的个数，ωi为施加频率，x(ωi)和y(ωi)分别表示在频率ωi处测量的阻抗实部和虚部；将频率ωi代入式锂电池频域等效电路模型(，根据re和im函数计算出模型的实部和虚部，分别表示为re(z(ωi))和im(z(ωi))；因此，通过ωi、x(ωi)、y(ωi)实测数据和ωi、re(z(ωi))、im(z(ωi))等模型数据来识别模型参数；
16、为了识别模型参数，需要列写目标函数，目标函数：
17、
18、式中，j为目标函数，k为频率点个数，λ为辨识参数向量，lb和ub分别为辨识参数向量的下限和上限；目标函数j为多参数、多约束优化问题；
19、(2)参数辨识结果：利用温度为15℃和电池荷电状态为5％条件下不同soh下的电化学阻抗谱数据。
20、进一步的是，步骤三，基于电荷转移电阻建立soh估计模型包括：
21、首先，获取电池正极形成的电荷转移阻抗；
22、引入电化学反应的butler-volmer方程：
23、
24、式中，i为锂通量密度，aa和ac分别为阳极和阴极电荷转移系数，受aa+ac＝1约束；f为法拉第常数，r为通用气体常数，t为温度，η为需要克服表面反应的电动势，i0为交换电流密度；
25、其中，i0为交换电流密度：
26、式中，k0为反应速率常数，表示电极的饱和锂离子浓度，ce为电解液中锂离子的浓度，θ为cse表示活性物质的表面浓度；
27、因此，电池正极的soc为：
28、
29、式中，θ100％和θ0％为完全充电和完全放电状态下锂离子的平均浓度与电极中最大锂离子浓度之比；
30、其中，反应速率常数k0为：
31、
32、式中，a为阿伦尼乌斯常数，ea为化学反应活化能；
33、由于在锂电池处于稳定状态时测量电池的电化学阻抗普，利用一阶泰勒公式线性变化式：
34、
35、基于上式，电荷转移电阻为：
36、
37、在式中，该等式建立了rct、soc和温度之间的关系；
38、而建立rct与soh之间的关系，引入正极的soh表达式：
39、
40、式中，c0为电池的初始标称容量，ae为电池极板面积，l为电极厚度，εs为电解质相体积分数；
41、电池容量受到完全充电状态和完全放电状态下锂离子浓度差减小的影响，变换为：
42、式中，ka为系数，其由已知的参数c0、ae、l、f、εs以及f根据已知参数计算，将上式代入电池正极的soc公式中，θ表示为：
43、θ＝ka*soc*soh+θ0％；
44、式中，θ0％由于电极中活性物质的损失和负极表面副反应的发生而降低，θ0％随着电池老化大致呈指数衰减；
45、因此，θ0％与soh的经验关系表示为：
46、θ0％(soh)＝θ0％exp(b*(1-soh))；
47、式中，b为修正系数；
48、因此，θ0％与soh的关系表示为：
49、θ(soh,soc)＝k0*soc*soh+θ0％exp(b*(1-soh))；
50、将上式代入到电荷转移电阻计算公式中，rct、soh、soc以及t的关系式为:
51、
52、式中，c为模型修正参数，用于提高模型精度，a为arrhenius常数的倒数，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，建立锂电池频域等效电路模型包括：通过将固体电解质界面膜电阻RSEI和固体电解质界面膜常相位元件CPESEI并联构成第一单元，通过将电荷转移电阻Rct和电荷转移常相位元件CPEct并联构成第二单元，将第一单元、第二单元和电池欧姆电阻Rohm串联后构成锂电池频域等效电路模型。
3.根据权利要求2所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，在步骤二中，辨识锂电池频域等效电路模型参数，包括步骤：
5.根据权利要求1所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，步骤三，基于电荷转移电阻建立SOH估计模型包括：
6.根据权利要求5所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，在步骤四中，辨识基于电荷转移电阻建立SOH估
7.根据权利要求5所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，在步骤五中，验证基于电荷转移电阻建立SOH估计模型准确性，将辨识的模型参数带入到式Rct、SOH、SOC以及T的关系式中，计算模型值。
...【技术特征摘要】
1.基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，建立锂电池频域等效电路模型包括：通过将固体电解质界面膜电阻rsei和固体电解质界面膜常相位元件cpesei并联构成第一单元，通过将电荷转移电阻rct和电荷转移常相位元件cpect并联构成第二单元，将第一单元、第二单元和电池欧姆电阻rohm串联后构成锂电池频域等效电路模型。
3.根据权利要求2所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的基于电荷转移电阻的锂电池健康状态估计模型建模方法，其特征在于，在步骤二中，辨识锂电池频域等效电路模型参数，包括步骤：<...
【专利技术属性】
技术研发人员：张雪霞，董思迪，孟意林，石兆彬，孙雅琦，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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