本發(fā)明屬于電池診斷技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種識別老化模式的鋰離子電池健康狀態(tài)在線診斷方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著能源危機的加劇及環(huán)境問題的日益突出，為保障國家能源安全、實現(xiàn)節(jié)能減排，發(fā)展新能源汽車成為一種趨勢。然而，隨著電動汽車的飛速發(fā)展，其續(xù)航能力與安全狀況越來越受到業(yè)界的關(guān)注，迫切需要電池管理系統(tǒng)對電池健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確診斷。

學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)認(rèn)識到了電池健康狀態(tài)對于確保動力電池系統(tǒng)安全高效運行的重要性，開展了全壽命周期內(nèi)電池的可用容量估計方法研究，包括模型驅(qū)動方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，構(gòu)建循環(huán)次數(shù)隨電池可用容量的關(guān)系。但除了基于電化學(xué)模型的容量估計方法外，均弱化了電池的衰退機理與老化模式，單純的估計電池容量，未能對影響電池健康狀態(tài)的內(nèi)在原因進(jìn)行定量化分析，無法從根本上解決電池健康狀態(tài)的診斷問題。而基于電化學(xué)模型的方法，計算復(fù)雜，難以在實車運行過程中進(jìn)行在線應(yīng)用，因此，迫切的需要一種在鋰離子電池老化過程中能夠反映電池內(nèi)部衰退機理與老化模式的健康狀態(tài)在線診斷方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了在診斷分析電池健康狀態(tài)時能夠反映出電池內(nèi)部衰退機理與老化模式，本發(fā)明提出了一種識別老化模式的鋰離子電池健康狀態(tài)在線診斷方法，包括：

步驟1，依據(jù)電池結(jié)構(gòu)組分對電池老化模式進(jìn)行分類；

步驟2，基于正負(fù)電極的開路電壓-荷電狀態(tài)關(guān)系與老化模式對半電池模型的影響，在全新電池尺度上構(gòu)建電池的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，獲取各種老化模式的損失量；

步驟3，采用擴展卡爾曼濾波算法，從電池動態(tài)電流工況放電數(shù)據(jù)中辨識開路電壓隨放電容量的變化曲線，用于動態(tài)工況下電池健康狀態(tài)在線診斷。

所述電池結(jié)構(gòu)組分包括正極集流體、正極活性材料、隔膜、電解質(zhì)、負(fù)極活性材料，負(fù)極集流體。

所述電池老化模式分為正極活性材料損失、負(fù)極活性材料損失和鋰離子損失。

所述步驟2考慮各種老化模式作用下正負(fù)電極開路電壓-荷電狀態(tài)曲線在全新電池荷電狀態(tài)尺度上的平移和收縮特性，建立模型描述老化模式對正負(fù)電極匹配關(guān)系的影響機制。

所述步驟2通過粒子群尋優(yōu)算法，以重構(gòu)的全新電池與老化電池開路電壓曲線和實測曲線之間的均方根誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，計算正極配置容量與全電池容量的比值、負(fù)極配置容量與全電池容量的比值、正負(fù)電池的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線在全電池荷電狀態(tài)尺度上相對于全電池實測開路電壓-荷電狀態(tài)曲線的偏移量、正極活性材料損失、負(fù)極活性材料損失、鋰離子損失、尺度轉(zhuǎn)換后老化電池的開路電壓曲線相比于全新電池的偏移量，計算得到正極容量、負(fù)極容量和可用鋰離子數(shù)量。

所述步驟3包括：采用擴展卡爾曼濾波算法從電池在各種動態(tài)放電工況下的電壓電流測試數(shù)據(jù)中辨識出每個時刻的開路電壓，獲取開路電壓隨累計放電容量的變化曲線，并將其轉(zhuǎn)換為開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，實現(xiàn)鋰離子電池老化模式無損定量診斷。

本發(fā)明的有益效果是通過擴展卡爾曼濾波算法在線獲取開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，基于新電池正負(fù)電極和全電池匹配關(guān)系與各種老化模式作用下老化電池在新電池荷電狀態(tài)尺度下重構(gòu)的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線模型，采用優(yōu)化算法實現(xiàn)電池正極活性材料損失、負(fù)極活性材料損失和鋰離子損失的無損定量診斷；本發(fā)明能夠反映電池內(nèi)部衰退機理與老化模式，對影響電池健康狀態(tài)的內(nèi)在原因進(jìn)行定量化分析，且對于不同工況的適應(yīng)性強，便于在實車運行過程中進(jìn)行在線應(yīng)用。

附圖說明

圖1為鋰離子電池健康狀態(tài)在線診斷方法的流程圖。

圖2為dst-1c動態(tài)電流工況。

圖3為動態(tài)工況下辨識的電池開路電壓-荷電狀態(tài)曲線。

圖4為四種工況下辨識得到的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線擬合結(jié)果(a)dst-1c，(b)dst-2c，(c)fuds-1c，(d)fuds-2c。

圖5為四種工況下電池老化模式演變曲線(a)正極活性材料損失，(b)負(fù)極活性材料損失，(c)鋰離子損失。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。

本發(fā)明提出一種識別老化模式的鋰離子電池健康狀態(tài)在線診斷方法，依據(jù)電池結(jié)構(gòu)組分，對電池老化模式進(jìn)行分類，考慮各種老化模式作用下正負(fù)電極開路電壓-荷電狀態(tài)曲線在全新電池荷電狀態(tài)尺度上的平移和收縮特性，分析各種老化模式對半電池模型的影響，對于新電池描述其正負(fù)極和全電池的匹配關(guān)系并在全新電池尺度上構(gòu)建其開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，經(jīng)過一段時間的老化后在全新電池尺度上重構(gòu)老化電池的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，提出鋰離子電池老化模式無損定量診斷方法，采用擴展卡爾曼濾波算法，從電池動態(tài)電流工況放電數(shù)據(jù)中辨識開路電壓隨放電容量的變化曲線，用于動態(tài)工況下電池健康狀態(tài)在線診斷。為使本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特征更加顯而易見，下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示為鋰離子電池健康狀態(tài)在線診斷方法的流程圖。

電池結(jié)構(gòu)組分主要包括正極集流體、正極活性材料、隔膜、電解質(zhì)、負(fù)極活性材料，負(fù)極集流體。電池充放電過程實質(zhì)為鋰離子在電池正、負(fù)極活性材料之間進(jìn)行脫嵌。因此，電池容量的衰減主要取決于正、負(fù)極活性材料與鋰離子量，可以將電池老化模式劃分為正極活性材料損失、負(fù)極活性材料損失和鋰離子損失。且全電池開路電壓等于正極開路電壓與負(fù)極開路電壓之差，從能斯特方程出發(fā)，建立正負(fù)電極的開路電壓隨荷電狀態(tài)變化模型，如式(1)和式(2)所示：

式中，δxi、eo,i和ai是待辨識的模型參數(shù)，通過擬合實驗測得的正負(fù)半電池的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線可以獲得。在此基礎(chǔ)上，需要將正負(fù)電極的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線從其自身的荷電狀態(tài)尺度上轉(zhuǎn)換到全電池的荷電狀態(tài)尺度上，以獲得全電池開路電壓-荷電狀態(tài)曲線，變換過程如式(3)-(5)所示：

socpe＝kp*(1-fpe(ocvpe))+sp＝fpe,cell(ocvpe)(3)

socne＝kn*fne(ocvne)+sn＝fne,cell(ocvne)(4)

式中，kp是正極配置容量與全電池容量q的比值，kn是負(fù)極配置容量與全電池容量q的比值。sp和sn分別為正負(fù)電池的開路電壓-荷電狀態(tài)曲線在全電池荷電狀態(tài)尺度上相對于全電池實測開路電壓-荷電狀態(tài)曲線的偏移量。

考慮各種老化模式作用下正負(fù)電極開路電壓-荷電狀態(tài)曲線在全新電池荷電狀態(tài)尺度上的平移和收縮特性，分別建立模型描述正極活性材料損失(lampe)、負(fù)極活性材料損失(lamne)和鋰離子損失(lli)對正負(fù)電極匹配關(guān)系的影響機制如式(6)-(10)所示：

式中，qd是老化電池的容量，q是全新電池的容量，sh是尺度轉(zhuǎn)換后老化電池的開路電壓曲線相比于全新電池的偏移量。

通過粒子群尋優(yōu)算法，以重構(gòu)的全新電池與老化電池開路電壓曲線和實測曲線之間的均方根誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，可以辨識未知參數(shù)(kp、kn、sp、sn、lampe、lamne、lli和sh)，進(jìn)而可計算正極容量、負(fù)極容量和可用鋰離子數(shù)量，如式(11)-(13)所示：

qp＝kp*q(11)

qn＝kn*q(12)

qli＝kp*q-(sp-sn)*q(13)

為使得該方法便于在線應(yīng)用，需要在實車動態(tài)工況條件下分析電池的老化模式。四種動態(tài)電流工況條件下的放電測試，如圖2所示，包括dst-1c、dst-2c、fuds-1c和fuds-2c。采用擴展卡爾曼濾波算法從電池在各種動態(tài)放電工況下的電壓電流測試數(shù)據(jù)中辨識出每個時刻的開路電壓，如圖3所示。應(yīng)用上述提出的鋰離子電池老化模式無損定量診斷方法對這些開路電壓-荷電狀態(tài)曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示，獲得的電池老化模式演變曲線如圖5所示，其中編號1、2、3和4分別對應(yīng)新電池與不同的老化狀態(tài)。

實例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。

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