鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)無損檢測(cè)方法
【專利說明】
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明涉及一種鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)檢測(cè)方法，特別涉及一種基于激勵(lì)響應(yīng) 分析的鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)的無損檢測(cè)方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004] 鋰離子電池是一個(gè)封裝好的黑盒子，其性能變化是由于內(nèi)部活性材料及材料物理 化學(xué)性能的變化，對(duì)應(yīng)著電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)參數(shù)的變化，包括正負(fù)極有效活性材料的 容量、活性材料及電解液的傳輸性能、動(dòng)力學(xué)性能等參數(shù)的變化。
[0005] 研究電池老化、電池性能衰退的規(guī)律需要通過一定的方法檢測(cè)電池內(nèi)部材料的性 能狀態(tài)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外檢測(cè)電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)的方法有兩種：一種是拆解電池后的理化 分析方法，稱為化驗(yàn)法；另一種是基于電池機(jī)理模型的參數(shù)估計(jì)方法，稱為估計(jì)法。
[0006] 化驗(yàn)法需要拆解電池后進(jìn)行理化分析，是一種有損檢測(cè)方法。分析方法復(fù)雜，人工 參與量大，難以實(shí)現(xiàn)老化過程中電池性能衰退規(guī)律的連續(xù)檢測(cè)，特別是在電池使用中、在不 破壞電池的情況下進(jìn)行電池性能的在線監(jiān)測(cè)無法實(shí)現(xiàn)。
[0007] 估計(jì)法利用鋰離子電池第一,性原理（FirstPrinciple)模型--電化學(xué)模型建立 起電池內(nèi)部參數(shù)與電池外部電流、電壓行為之間關(guān)系的定量描述，然后采用參數(shù)估計(jì)技術(shù) 由電池外部行為估計(jì)內(nèi)部參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)參數(shù)的無損檢測(cè)，可以在不 破壞電池的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的內(nèi)部參數(shù)估計(jì)，進(jìn)而可以較精確地評(píng)估電池的健康狀況、定 量地描述電池性能衰退的演變規(guī)律。
[0008] 但電化學(xué)模型的數(shù)學(xué)形式是一系列偏微分方程，模型參數(shù)眾多，復(fù)雜的數(shù)學(xué)形式 以及變量間的相互耦合使得模型參數(shù)與電池外部可測(cè)電流、電壓參量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系不直 接，參數(shù)估計(jì)困難。當(dāng)前文獻(xiàn)中基于電化學(xué)模型的參數(shù)估計(jì)采用了以遺傳算法、粒子群優(yōu)化 算法為代表的搜索算法，此類算法僅靠目標(biāo)函數(shù)建立關(guān)系，未考慮模型參數(shù)間的耦合及其 可辨識(shí)性，參數(shù)估計(jì)結(jié)果不能準(zhǔn)確、有效地反映材料的性能狀態(tài)。
[0009] 針對(duì)電化學(xué)模型的復(fù)雜性、模型參數(shù)可辨識(shí)性差、當(dāng)前搜索算法參數(shù)估計(jì)結(jié)果效 果差的問題，本發(fā)明提出了一種新的鋰離子電池內(nèi)部參數(shù)估計(jì)方法。本發(fā)明解決了電化學(xué) 模型簡(jiǎn)化、建立模型內(nèi)部參數(shù)與外部可測(cè)參量之間的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系、提高模型參數(shù)的可辨 識(shí)性、保證參數(shù)估計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確有效等技術(shù)問題，形成了基于激勵(lì)響應(yīng)分析的鋰離子電池內(nèi) 部參數(shù)的估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰離子電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)的無損檢測(cè)。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明解決的問題是現(xiàn)有技術(shù)中，由于采用的電化學(xué)模型形式復(fù)雜、模型參數(shù)可 辨識(shí)性差，導(dǎo)致采用估計(jì)法得到的鋰離子電池內(nèi)部性能參數(shù)有效性和可靠性低；為解決所 述問題，本發(fā)明提供一種鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)無損檢測(cè)方法。
[0012] 鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)無損檢測(cè)方法，包括： 步驟一、建立鋰離子電池電化學(xué)模型，簡(jiǎn)化得到鋰離子電池內(nèi)部性能參數(shù)與外部可測(cè) 參數(shù)關(guān)系式； 步驟二、測(cè)量外部可測(cè)參數(shù)，計(jì)算獲得所述內(nèi)部參數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步，所述鋰離子內(nèi)部性能參數(shù)包括： 7。為正極初始嵌鋰率，為正極容量，仏為負(fù)極容量， /^為嵌鋰率偏移，< 為正極固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)， I為負(fù)極固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)，/^"為液相擴(kuò)散比例系數(shù)， ，:為液相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)，__印為電解液設(shè)計(jì)參數(shù)， j為正極反應(yīng)極化系數(shù)，_:%緩為負(fù)極反應(yīng)極化系數(shù)， 忍h"為歐姆內(nèi)阻，所述鋰離子內(nèi)部性能參數(shù)與外部可測(cè)參數(shù)關(guān)系式滿足SP+模型。
[0014] 所述SP+模型包括： 電池基本工作過程：

電池端電壓：
[0015] 所述SP+模型公式中參數(shù)的物理含義如下： /為電池的充放電電流； 偽電池的充放電時(shí)間； Avg為正極固相平均嵌鋰率； 為正極初始嵌鋰率； 為正極容量； Xavg為負(fù)極固相平均嵌鋰率； JWs為嵌鋰率偏移； 仏為負(fù)極容量； A:/ (t)、Ax'(t)為正極、負(fù)極固相嵌鋰率變化狀態(tài)變量； <、<為正極、負(fù)極固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)； Ay(t)_、Ax(t)為正極、負(fù)極固相嵌鋰率平均與表面的差值； Ayh&nghis、^^henghii為丨旦流工況下正極、負(fù)極固相嵌裡率平均與表面的差值； JWfJsurf為正極、負(fù)極活性粒子表面固相嵌鋰率； 及為電池電動(dòng)勢(shì)； 為正極、負(fù)極的固相開路電勢(shì)曲線函數(shù)； "C0npcilarlzatlcJ^濃差極化過電勢(shì)； 為電解液平均鋰離子濃度； 為正負(fù)極集流體邊界處液相鋰離子濃度的差值； %為液相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)； 尸_為液相擴(kuò)散比例系數(shù)； 為恒流工況下正負(fù)極集流體邊界液相鋰離子濃度的差； "Mpc^lzatlcin為反應(yīng)極化過電勢(shì)； ?"、為反應(yīng)極化過電勢(shì)計(jì)算中間過程參數(shù)； 為正極反應(yīng)極化系數(shù)； :_纟為負(fù)極反應(yīng)極化系數(shù)； "ohm Pcllarlzatlcin為歐姆極化過電勢(shì)； 疋hni為電池的歐姆內(nèi)阻； 偽電池的端電壓。
[0016] 進(jìn)一步，所述步驟二包括： 步驟2. 1、電池滿充擱置后進(jìn)行小倍率恒流放電，測(cè)量放電過程中電池的端電壓和放電 電流曲線，使用最小二乘法對(duì)端電壓曲線進(jìn)行參數(shù)擬合，估計(jì)出個(gè)參數(shù)的值； 步驟2. 2、用交流小信號(hào)測(cè)量歐姆內(nèi)阻參數(shù)； 步驟2. 3、在負(fù)載電流階躍的瞬間測(cè)量電池的反應(yīng)極化過電勢(shì)，采用非線性最小二乘法 估計(jì)正、負(fù)極反應(yīng)極化系數(shù)； 步驟2. 4、利用固相擴(kuò)散和液相擴(kuò)散經(jīng)過過渡時(shí)間之后的穩(wěn)態(tài)階段，采用非線性最小二 乘法和迭代搜索法估計(jì)固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)和液相擴(kuò)散比例系數(shù)； 步驟2. 5、利用負(fù)載連續(xù)變化情況下濃差極化過電勢(shì)的暫態(tài)階段，采用非線性最小二乘 法估計(jì)液相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)。
[0017] 進(jìn)一步，在施加階躍電流激勵(lì)的瞬間測(cè)量電池端電壓變化。
[0018] 進(jìn)一步，利用固相擴(kuò)散和液相擴(kuò)散動(dòng)態(tài)過程的穩(wěn)態(tài)階段，估計(jì)固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù) 和液相擴(kuò)散比例系數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步，利用連續(xù)脈沖充放電激勵(lì)工況下液相擴(kuò)散過程的暫態(tài)階段，估計(jì)液相擴(kuò) 散時(shí)間常數(shù)。
[0020] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括： 首先，與傳統(tǒng)的化驗(yàn)法相比，本發(fā)明所提出的估計(jì)方法是一種無損檢測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)參數(shù)的無損檢測(cè)，可以在不破壞電池的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的內(nèi)部性 能狀態(tài)估計(jì)；該檢測(cè)方法人工參與量少，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。
[0021] 其次，與當(dāng)前使用遺傳算法、粒子群優(yōu)化等搜索算法實(shí)現(xiàn)的電化學(xué)模型參數(shù)估計(jì) 方法相比，本發(fā)明基于激勵(lì)響應(yīng)分析的電池內(nèi)部性能狀態(tài)參數(shù)估計(jì)方法的創(chuàng)新性在于：通 過電化學(xué)模型簡(jiǎn)化和參數(shù)約簡(jiǎn)保證模型參數(shù)的可辨識(shí)性，通過模型分析得到內(nèi)部參數(shù)與外 部參量之間直接的理論關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于該關(guān)聯(lián)關(guān)系的理論分析針對(duì)性地設(shè)計(jì)辨識(shí)步驟、辨 識(shí)激勵(lì)工況、由外部測(cè)量端電壓計(jì)算內(nèi)部參數(shù)?；诩?lì)響應(yīng)分析的估計(jì)方法從理論層面 保證了電池內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)的可辨識(shí)性，保證了參數(shù)估計(jì)結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。
[0022] 最后，該方法可應(yīng)用于不同電池個(gè)體內(nèi)部性能狀態(tài)的檢測(cè)和不同老化階段電池內(nèi) 部性能狀態(tài)的檢測(cè)。獲得不同電池個(gè)體的內(nèi)部狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)更加細(xì)致地對(duì)比和評(píng)價(jià)不同電池 性能的優(yōu)劣，評(píng)價(jià)電池的一致性；獲得不同老化階段電池內(nèi)部物理化學(xué)過程及材料的性能 狀態(tài)可用于電池老化失效機(jī)理的研究，識(shí)別導(dǎo)致電池性能衰退的關(guān)鍵物理化學(xué)過程，定量 描述電池老化過程中各個(gè)物理化學(xué)過程性能狀態(tài)的衰退規(guī)律，進(jìn)一步可建立電池性能衰退 的失效物理模型。
【附圖說明】
[0023] 圖1是鋰離子電池基本結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是LiNMC-I電池基本工作過程四個(gè)參數(shù)的估計(jì)結(jié)果； 圖3是用于測(cè)量歐姆極化和反應(yīng)極化過電勢(shì)的脈沖序列；