鋰離子電池內部性能狀態無損檢測方法
【專利說明】
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技術領域
[0002] 本發明涉及一種鋰離子電池內部性能狀態檢測方法，特別涉及一種基于激勵響應 分析的鋰離子電池內部性能狀態的無損檢測方法。
[0003]
【背景技術】
[0004] 鋰離子電池是一個封裝好的黑盒子，其性能變化是由于內部活性材料及材料物理 化學性能的變化，對應著電池內部材料性能狀態參數的變化，包括正負極有效活性材料的 容量、活性材料及電解液的傳輸性能、動力學性能等參數的變化。
[0005] 研究電池老化、電池性能衰退的規律需要通過一定的方法檢測電池內部材料的性 能狀態。當前國內外檢測電池內部材料性能狀態的方法有兩種：一種是拆解電池后的理化 分析方法，稱為化驗法；另一種是基于電池機理模型的參數估計方法，稱為估計法。
[0006] 化驗法需要拆解電池后進行理化分析，是一種有損檢測方法。分析方法復雜，人工 參與量大，難以實現老化過程中電池性能衰退規律的連續檢測，特別是在電池使用中、在不 破壞電池的情況下進行電池性能的在線監測無法實現。
[0007] 估計法利用鋰離子電池第一,性原理（FirstPrinciple)模型--電化學模型建立 起電池內部參數與電池外部電流、電壓行為之間關系的定量描述，然后采用參數估計技術 由電池外部行為估計內部參數，實現對電池內部材料性能狀態參數的無損檢測，可以在不 破壞電池的情況下實現連續的內部參數估計，進而可以較精確地評估電池的健康狀況、定 量地描述電池性能衰退的演變規律。
[0008] 但電化學模型的數學形式是一系列偏微分方程，模型參數眾多，復雜的數學形式 以及變量間的相互耦合使得模型參數與電池外部可測電流、電壓參量之間的數學關系不直 接，參數估計困難。當前文獻中基于電化學模型的參數估計采用了以遺傳算法、粒子群優化 算法為代表的搜索算法，此類算法僅靠目標函數建立關系，未考慮模型參數間的耦合及其 可辨識性，參數估計結果不能準確、有效地反映材料的性能狀態。
[0009] 針對電化學模型的復雜性、模型參數可辨識性差、當前搜索算法參數估計結果效 果差的問題，本發明提出了一種新的鋰離子電池內部參數估計方法。本發明解決了電化學 模型簡化、建立模型內部參數與外部可測參量之間的直接關聯關系、提高模型參數的可辨 識性、保證參數估計結果準確有效等技術問題，形成了基于激勵響應分析的鋰離子電池內 部參數的估計方法，實現了對鋰離子電池內部材料性能狀態的無損檢測。
[0010]
【發明內容】
[0011] 本發明解決的問題是現有技術中，由于采用的電化學模型形式復雜、模型參數可 辨識性差，導致采用估計法得到的鋰離子電池內部性能參數有效性和可靠性低；為解決所 述問題，本發明提供一種鋰離子電池內部性能狀態無損檢測方法。
[0012] 鋰離子電池內部性能狀態無損檢測方法，包括： 步驟一、建立鋰離子電池電化學模型，簡化得到鋰離子電池內部性能參數與外部可測 參數關系式； 步驟二、測量外部可測參數，計算獲得所述內部參數。
[0013] 進一步，所述鋰離子內部性能參數包括： 7。為正極初始嵌鋰率，為正極容量，仏為負極容量， /^為嵌鋰率偏移，< 為正極固相擴散時間常數， I為負極固相擴散時間常數，/^"為液相擴散比例系數， ，:為液相擴散時間常數，__印為電解液設計參數， j為正極反應極化系數，_:%緩為負極反應極化系數， 忍h"為歐姆內阻，所述鋰離子內部性能參數與外部可測參數關系式滿足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+模型公式中參數的物理含義如下： /為電池的充放電電流； 偽電池的充放電時間； 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為負極固相平均嵌鋰率； JWs為嵌鋰率偏移； 仏為負極容量； A:/ (t)、Ax'(t)為正極、負極固相嵌鋰率變化狀態變量； <、<為正極、負極固相擴散時間常數； Ay(t)_、Ax(t)為正極、負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、負極固相嵌裡率平均與表面的差值； JWfJsurf為正極、負極活性粒子表面固相嵌鋰率； 及為電池電動勢； 為正極、負極的固相開路電勢曲線函數； "C0npcilarlzatlcJ^濃差極化過電勢； 為電解液平均鋰離子濃度； 為正負極集流體邊界處液相鋰離子濃度的差值； %為液相擴散時間常數； 尸_為液相擴散比例系數； 為恒流工況下正負極集流體邊界液相鋰離子濃度的差； "Mpc^lzatlcin為反應極化過電勢； ?"、為反應極化過電勢計算中間過程參數； 為正極反應極化系數； :_纟為負極反應極化系數； "ohm Pcllarlzatlcin為歐姆極化過電勢； 疋hni為電池的歐姆內阻； 偽電池的端電壓。
[0016] 進一步，所述步驟二包括： 步驟2. 1、電池滿充擱置后進行小倍率恒流放電，測量放電過程中電池的端電壓和放電 電流曲線，使用最小二乘法對端電壓曲線進行參數擬合，估計出個參數的值； 步驟2. 2、用交流小信號測量歐姆內阻參數； 步驟2. 3、在負載電流階躍的瞬間測量電池的反應極化過電勢，采用非線性最小二乘法 估計正、負極反應極化系數； 步驟2. 4、利用固相擴散和液相擴散經過過渡時間之后的穩態階段，采用非線性最小二 乘法和迭代搜索法估計固相擴散時間常數和液相擴散比例系數； 步驟2. 5、利用負載連續變化情況下濃差極化過電勢的暫態階段，采用非線性最小二乘 法估計液相擴散時間常數。
[0017] 進一步，在施加階躍電流激勵的瞬間測量電池端電壓變化。
[0018] 進一步，利用固相擴散和液相擴散動態過程的穩態階段，估計固相擴散時間常數 和液相擴散比例系數。
[0019] 進一步，利用連續脈沖充放電激勵工況下液相擴散過程的暫態階段，估計液相擴 散時間常數。
[0020] 本發明的優點包括： 首先，與傳統的化驗法相比，本發明所提出的估計方法是一種無損檢測方法，可以實現 對電池內部材料性能狀態參數的無損檢測，可以在不破壞電池的情況下實現連續的內部性 能狀態估計；該檢測方法人工參與量少，可實現自動化檢測。
[0021] 其次，與當前使用遺傳算法、粒子群優化等搜索算法實現的電化學模型參數估計 方法相比，本發明基于激勵響應分析的電池內部性能狀態參數估計方法的創新性在于：通 過電化學模型簡化和參數約簡保證模型參數的可辨識性，通過模型分析得到內部參數與外 部參量之間直接的理論關聯關系，基于該關聯關系的理論分析針對性地設計辨識步驟、辨 識激勵工況、由外部測量端電壓計算內部參數。基于激勵響應分析的估計方法從理論層面 保證了電池內部狀態參數的可辨識性，保證了參數估計結果的有效性和準確性。
[0022] 最后，該方法可應用于不同電池個體內部性能狀態的檢測和不同老化階段電池內 部性能狀態的檢測。獲得不同電池個體的內部狀態可實現更加細致地對比和評價不同電池 性能的優劣，評價電池的一致性；獲得不同老化階段電池內部物理化學過程及材料的性能 狀態可用于電池老化失效機理的研究，識別導致電池性能衰退的關鍵物理化學過程，定量 描述電池老化過程中各個物理化學過程性能狀態的衰退規律，進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構示意圖； 圖2是LiNMC-I電池基本工作過程四個參數的估計結果； 圖3是用于測量歐姆極化和反應極化過電勢的脈沖序列；