本發(fā)明涉及電池?zé)釋W(xué)參數(shù)測量技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的辨識方法，尤指通過正弦電流加熱和空氣冷卻相結(jié)合測量鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的方法。

背景技術(shù)：

能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力助推了電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池(鋰電池)具有單體電壓高、能量密度高、壽命長、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點，成為電動汽車動力驅(qū)動的首選電池。

鋰離子電池?zé)釋W(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確辨識是電池?zé)峁芾淼年P(guān)鍵，現(xiàn)有的熱學(xué)參數(shù)辨識方法一般是依靠量熱儀等熱學(xué)測試設(shè)備，比如絕熱量熱儀，一般是保證在絕熱環(huán)境中將電池加熱，根據(jù)加熱功率和電池的溫升計算電池比熱容，但測試設(shè)備非常昂貴，而且難以在工程上應(yīng)用，因此在實際車輛上測試比熱容較為困難。

此外電池與環(huán)境對流換熱系數(shù)一般采用經(jīng)驗值，但對熱管理帶來很多不確定性，可能導(dǎo)致電池局部溫度過高，因此準(zhǔn)確估算電池與環(huán)境的熱阻具有非常重要的意義。

因此，開發(fā)工程上能夠可靠、準(zhǔn)確辨識電池集總熱學(xué)參數(shù)對電池?zé)峁芾?、電池?zé)岚踩疤岣唠姵氐目煽啃燥@得十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的辨識方法，能夠改善現(xiàn)有技術(shù)中比熱容測試依賴昂貴設(shè)備、難以在線測試和導(dǎo)熱電阻難以準(zhǔn)確估計等問題。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的辨識方法，包括如下步驟：

s1、在外部無電流激勵的情況下，將電池在溫箱內(nèi)某溫度下靜置一段時間，然后調(diào)整溫箱溫度為另一溫度，在溫度變化過程中實時測試電池溫度和環(huán)境溫度；

s2、對測試得出的電池溫度和環(huán)境溫度作差得到電池溫差，將電池溫差對時間進(jìn)行微分，得到電池的熱學(xué)時間常數(shù)，計算公式為

其中，τt為熱學(xué)時間常數(shù)，tb為電池溫度，ta為環(huán)境溫度；

s3、選取某些溫度點，測試這些溫度點的eis(電化學(xué)阻抗譜)；根據(jù)測試得到的eis，構(gòu)建電池阻抗與溫度的函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

其中，rx(t)為溫度t時的阻抗，earx為活化能，單位為kj/mol，r為摩爾氣體常數(shù)，b為比例系數(shù)；

s4、對電池施加某頻率某幅值的恒頻恒幅的正弦交流電流激勵，升高電池的溫度，記錄在溫升過程中的電池溫度和環(huán)境溫度；

s5、根據(jù)阻抗與溫度的函數(shù)關(guān)系計算電池在溫升過程中各溫度下的實部阻抗，并計算電池在各溫度下的產(chǎn)熱率，計算公式為

其中，為電池在各溫度下的產(chǎn)熱率，i為正弦交流電流峰值，re(t)為電池在溫升過程中各溫度下的實部阻抗值；

s6、根據(jù)電池集總熱學(xué)等效電路，建立電池溫升模型，然后基于電池溫升模型，根據(jù)電池在各溫度下的產(chǎn)熱率和熱學(xué)時間常數(shù)，利用搜索迭代算法估算電池的集總熱學(xué)參數(shù)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中所述靜置時間為5小時以上。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中所述某溫度為25℃，所述另一溫度為-15℃。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s4中，所述正弦交流電流的幅值為10a，頻率為500hz。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中所述電池的集總熱學(xué)參數(shù)為電池的比熱容和熱阻。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池是錳酸鋰動力電池、鈷酸鋰動力電池、鈦酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電池、三元材料動力電池等動力電池。

本發(fā)明所述的一種鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的辨識方法，具有以下有益效果：

1、具有辨識鋰離子電池?zé)釋W(xué)參數(shù)簡單可靠和工程易于實現(xiàn)等優(yōu)點；

2、改變環(huán)境溫度時，同時記錄環(huán)境溫度和電池溫度，利用兩者的溫差估算電池的熱學(xué)時間常數(shù)，能夠排除其他因素對熱學(xué)時間常數(shù)的影響，提高熱學(xué)參數(shù)的估計精度；

3、施加恒頻恒幅的正弦交流電流，保證電池的soc不變，使得電池熵變熱基本為0，從而提高電池?zé)釋W(xué)模型的精度；

4、基于集總熱學(xué)等效電路模型，結(jié)合熱學(xué)時間常數(shù)，利用搜索迭代算法以最小誤差逼近電池溫升曲線，得到電池?zé)釋W(xué)參數(shù)；

5、該方法結(jié)合溫度變化和正弦交流電流加熱過程，基于集總熱學(xué)等效電路模型，以工程可實現(xiàn)的方式準(zhǔn)確、可靠辨識電池?zé)釋W(xué)參數(shù)；

6、該方法提供了一種工程上測試鋰離子電池集總熱學(xué)參數(shù)的方法，及時掌握電池比熱容及電池散熱熱阻的情況，為電池?zé)峁芾砗桶踩A(yù)警提供依據(jù)。

附圖說明

本發(fā)明有如下附圖：

圖1是集總熱學(xué)等效電路模型；

圖2是冷卻時電池的溫度變化圖；

圖3是在不同溫度下鋰離子電池的eis阻抗nyquist圖；

圖4是輸入電流隨時間的變化圖；

圖5是施加500hz電流時電池的溫度變化圖；

圖6是求解比熱容和熱阻的搜索迭代算法示意圖；

圖7是在絕熱量熱儀中加熱時電池的溫度變化圖；

圖8是施加不同頻率時電池溫度與誤差的變化圖；

圖9是集總熱學(xué)參數(shù)辨識方法的示意圖。

具體實施方式

以下具體實施例以三元材料動力電池為例進(jìn)行說明。

如圖1-9所示，一種鋰離子集總熱學(xué)參數(shù)的辨識方法，包括如下步驟：

s1、在外部無電流激勵的情況下，將電池在溫箱內(nèi)某溫度下靜置一段時間，然后調(diào)整溫箱溫度為另一溫度，在溫度變化過程中實時測試電池溫度和環(huán)境溫度；

s2、對測試得出的電池溫度和環(huán)境溫度作差得到電池溫差，將電池溫差對時間進(jìn)行微分，得到電池的熱學(xué)時間常數(shù)，計算公式為

其中，τt為熱學(xué)時間常數(shù)，tb為電池溫度，ta為環(huán)境溫度；

s3、選取某些溫度點，測試這些溫度點的eis(電化學(xué)阻抗譜)；根據(jù)測試得到的eis，構(gòu)建電池阻抗與溫度的函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為

其中，rx(t)為溫度t時的阻抗，earx為活化能，單位為kj/mol，r為摩爾氣體常數(shù)，b為比例系數(shù)；

s4、對電池施加某頻率某幅值的恒頻恒幅的正弦交流電流激勵，升高電池的溫度，記錄在溫升過程中的電池溫度和環(huán)境溫度；

s5、根據(jù)阻抗與溫度的函數(shù)關(guān)系計算電池在溫升過程中各溫度下的實部阻抗，并計算電池在各溫度下的產(chǎn)熱率，計算公式為

其中，為電池在各溫度下的產(chǎn)熱率，i為正弦交流電流峰值，re(t)為電池在溫升過程中各溫度下的實部阻抗值；

s6、根據(jù)電池集總熱學(xué)等效電路，建立電池溫升模型，然后基于電池溫升模型，根據(jù)電池在各溫度下的產(chǎn)熱率和熱學(xué)時間常數(shù)，利用搜索迭代算法估算電池的集總熱學(xué)參數(shù)。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中所述靜置時間為5小時以上。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s1中所述某溫度為25℃，所述另一溫度為-15℃。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s4中，所述正弦交流電流的幅值為10a，頻率為500hz。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟s6中所述電池的集總熱學(xué)參數(shù)為電池的比熱容和熱阻。

在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述鋰離子電池是錳酸鋰動力電池、鈷酸鋰動力電池、鈦酸鋰動力電池、磷酸鐵鋰動力電池、三元材料動力電池。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，電池集總熱學(xué)等效電路模型如圖1所示，包括電池產(chǎn)熱率電池比熱容c'p，電池與環(huán)境熱交換的熱阻rt，電池溫度tb和環(huán)境溫度ta，根據(jù)基爾霍夫定律，有

當(dāng)電池產(chǎn)熱率為0時，則

則熱學(xué)時間常數(shù)為

在25℃下荷電狀態(tài)(soc)為50％的電池靜置5小時以上，以保證電池達(dá)到熱學(xué)平衡，然后調(diào)整溫箱溫度為-15℃，電池溫度與環(huán)境溫度逐漸降低，其中環(huán)境溫度迅速降為-15℃，電池溫度逐漸下降，其溫度從6℃下降到-10℃的溫度變化如圖2所示，冷卻過程中，電池溫度下降先快速下降然后緩慢下降，存在熱學(xué)時間常數(shù)，根據(jù)該曲線利用公式(3)可計算得到τt為81.978s。

在鋰離子電池荷電狀態(tài)(soc)為50％時，選取具有代表性的幾個溫度點進(jìn)行阻抗譜測試實驗：分別在從-15℃到6℃每3℃的間隔溫度環(huán)境下，利用電化學(xué)工作站測試鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜，得到阻抗虛部與阻抗實部的變化曲線，如圖3所示。結(jié)果表明：隨著溫度的降低，電池阻抗逐漸增大，中頻區(qū)的圓弧段直徑增加更加明顯；曲線穿過橫軸，即阻抗虛部為0時，實部阻抗較小，此時施加的激勵的頻率在khz數(shù)量級上。

電池內(nèi)部反應(yīng)速率與溫度存在很大的相關(guān)性，溫度越高反應(yīng)速率越快，溫度較低時電池反應(yīng)速率較慢，電池阻抗是表征電池反應(yīng)速率的一個量，阻抗與溫度的關(guān)系符合arrhenius方程，對施加500hz激勵下的電池的實部阻抗和虛部阻抗分別利用公式(4)進(jìn)行擬合，得到阻抗與溫度的函數(shù)關(guān)系。

其中，rx(t)為溫度t時的阻抗，earx為活化能，單位通常為kj/mol，活化能的降低可大幅提高反應(yīng)速率，活化能的高低決定了溫度對反應(yīng)速率的影響幅度；r為摩爾氣體常數(shù)，b為比例系數(shù)。

當(dāng)電池在正弦交流電流激勵下，由于在長時間尺度上電池?zé)o充電和放電，故電池熵變熱基本為0，電池極化產(chǎn)熱率為

其中，i為正弦交流電流峰值，re(t)為電池在溫升過程中各溫度下的實部阻抗值，實部阻抗值是個與溫度相關(guān)的函數(shù)。在-15℃下，對電池施加如圖4所示的頻率為500hz、幅值為10a的交流電流，電池溫度逐漸升高，電池溫升曲線如圖5所示，施加該電流1360s后，電池溫度從-15℃升高到0.316℃。

根據(jù)公式(4)對正弦交流電流加熱過程電池各溫度下的阻抗進(jìn)行計算，得到各溫度下的實部阻抗re(t)，根據(jù)公式(5)可計算加熱過程中的產(chǎn)熱率。

基于電池集總熱學(xué)等效電路模型，采用如圖6所示的搜索迭代法，根據(jù)公式(6)的最小值確定電池?zé)釋W(xué)參數(shù)，計算得到電池比熱容c'p為1.441j/(g*k)，電池與環(huán)境的熱阻rt為56.89g*k/w。

πe＝∑(t1(t)-t2(t))(6)

在絕熱量熱儀中，將電池從31℃加熱到60℃，如圖7所示。利用公式(7)可計算得到實測的比熱容c'p為1.421j/(g*k)，與通過實驗測試的結(jié)果相差0.02j/(g*k)，表明本發(fā)明提出的熱學(xué)測試方法精度較高。

對電池施加不同頻率的正弦交流電流，如5a/50hz，10a/5khz,其計算得出的電池溫度與實測的電池溫度如圖8所示，最大溫度誤差不超過1.5℃，表明本發(fā)明提出的熱學(xué)參數(shù)辨識方法精度較高，而且不需要昂貴的測試設(shè)備，實驗室普通的設(shè)備在工程上就可以實現(xiàn)熱學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測量。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。

本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。