本發(fā)明涉及鋰電池領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池健康壽命模型構(gòu)建方法，應(yīng)用于鋰電池老化程度識別。

背景技術(shù)：

鋰離子電池(簡稱鋰電池)憑借重量輕、體積小、壽命長、電壓高、無污染等優(yōu)勢逐步取代鉛酸、鎳氫、鎳鎘等蓄電池，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。當(dāng)汽車鋰電池組的荷電能力降低到原有容量80％左右時(shí)，不再適合繼續(xù)在電動(dòng)汽車中使用，若將這些鋰電池組報(bào)廢進(jìn)行回收處理，未能實(shí)現(xiàn)物盡其用，將造成極大的資源浪費(fèi)。在鋰電池外觀完好、沒有破損、各功能元件有效的情況下，可探討進(jìn)行鋰電池的梯次回收再利用，鋰電池梯次利用示意圖如圖1所示。概括地講，可將鋰電池的回收再利用分為四個(gè)梯度，其中第一梯度為在電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等電動(dòng)裝置中應(yīng)用；第二梯度為第一梯度退役的鋰電池，可應(yīng)用于電網(wǎng)、新能源發(fā)電、UPS等儲(chǔ)能裝置中；第三梯度為低端用戶等其它方面的應(yīng)用；第四梯度對電池進(jìn)行拆解回收。

然而，退役鋰電池組中各單體電池的有效容量存在差異，若要實(shí)現(xiàn)合理的梯次利用，需對其SOH(鋰電池的健康狀態(tài))和性能進(jìn)行重新評估，以決定其適用的梯度范圍。那么如何在離線狀態(tài)下準(zhǔn)確地估計(jì)退役鋰電池SOH，判別出其性能差異，成為鋰電池梯次回收再利用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

在研究鋰電池壽命特性和老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，選取適合的健康因子、提取可靠的鋰電池健康特征，并建立完善的健康壽命模型，是實(shí)現(xiàn)梯次利用鋰電池SOH精準(zhǔn)評估的可靠保證，也是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

依據(jù)健康狀態(tài)定義，以鋰電池當(dāng)前靜態(tài)容量作為健康因子是最為簡單、有效、可靠的健康狀態(tài)判別方法。但在實(shí)際工程應(yīng)用中，多變的測試環(huán)境、受限的測試條件、有限的測試時(shí)間等因素，決定了很難直接獲取鋰電池有效容量信息。因此，開展基于測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間接獲取鋰電池性能參數(shù)，研究如何從中提取健康特征實(shí)現(xiàn)鋰電池老化程度識別，是鋰電池梯次利用急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是從分析常用鋰電池健康因子入手，通過處理與分析鋰電池基本性能測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)阻-SOC曲線可用于表征鋰電池健康狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于單體電池的健康狀態(tài)測試實(shí)驗(yàn)，采用在線辨識法從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取了相關(guān)健康特征數(shù)據(jù)并構(gòu)建健康因子，以此建立了鋰電池健康壽命模型，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池健康狀態(tài)預(yù)測。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

提供一種鋰電池健康壽命模型構(gòu)建方法，用于鋰電池老化程度識別，其特征在于，包括如下步驟：

(a)對鋰電池進(jìn)行健康壽命測試實(shí)驗(yàn)；

(b)根據(jù)所述測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建鋰電池健康因子；

(c)根據(jù)上述所構(gòu)建的健康因子建立鋰電池健康壽命模型，從而實(shí)現(xiàn)鋰電池健康狀態(tài)預(yù)測。

對鋰電池進(jìn)行健康壽命測試實(shí)驗(yàn)的步驟，進(jìn)一步包括以下步驟：

(a)依次在25℃、40℃、10℃和55℃四個(gè)溫度點(diǎn)，進(jìn)行基本性能測試；

(b)在55℃進(jìn)行加速老化測試；

(c)當(dāng)靜態(tài)容量測試值下降至額定容量的75％時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束，否則，返回步驟(a)。

所述基本性能測試進(jìn)一步包括：

(a)靜態(tài)容量測試，得到當(dāng)前鋰電池的有效容量；

(b)不同電流倍率測試，驗(yàn)證鋰電池在不同放電電流倍率下的容量保持率；

(c)開路電壓測試，獲取鋰電池建模所需的OCV-SOC曲線；OCV表示開路電壓，SOC表示鋰電池荷電狀態(tài)；

(d)動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試，驗(yàn)證鋰電池動(dòng)態(tài)內(nèi)阻變化過程；

(e)動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試(DST)，以在實(shí)驗(yàn)室中模擬電池在電動(dòng)汽車中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況；

(f)北京公交動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試(BBDST)，得到針對中國的鋰電池動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況；

(g)CD/CS工況測試，基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車行駛模式，測試電池運(yùn)行工況；CD表示電量消耗模式，CS表示電量保持模式。

選取0.2C、0.5C、1C、2C、2.5C五種放電電流倍率。

加速老化測試進(jìn)一步包括：

(a)以1.5C倍率進(jìn)行CCCV充電；CCCV表示先恒流充電，達(dá)到某一個(gè)值時(shí)，再進(jìn)行恒壓充電；

(b)靜置10min；

(c)以2.5C倍率進(jìn)行電流放電；

(d)靜置10min；

(e)返回步驟(a)，直至循環(huán)達(dá)到50次，則結(jié)束。

所述鋰電池的健康因子包括：均值內(nèi)阻健康因子，最小內(nèi)阻健康因子，內(nèi)阻-SOC曲線健康因子。

構(gòu)建均值內(nèi)阻健康因子時(shí)，選取SOC為20％～80％范圍的內(nèi)阻為研究對象，對此范圍內(nèi)阻求平均值以構(gòu)建均值內(nèi)阻健康因子；SOC表示鋰電池荷電狀態(tài)。

構(gòu)建最小內(nèi)阻健康因子時(shí)，選取SOC為20％～80％范圍的內(nèi)阻為研究對象，此范圍的內(nèi)阻-SOC曲線的頂點(diǎn)表示為鋰電池最小內(nèi)阻值，以此構(gòu)建最小內(nèi)阻健康因子。

所述鋰電池的健康壽命模型包括：均值內(nèi)阻健康壽命模型，最小內(nèi)阻健康壽命模型，內(nèi)阻-SOC曲線健康壽命模型。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明基于鋰電池健康壽命測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究了如何從中提取健康特征數(shù)據(jù)的方法，根據(jù)這些方法構(gòu)建了均值內(nèi)阻、最小內(nèi)阻和內(nèi)阻-SOC曲線健康因子，在此基礎(chǔ)上分別建立了基于均值內(nèi)阻、最小內(nèi)阻和內(nèi)阻-SOC曲線三種健康因子的健康壽命模型，為進(jìn)一步研究梯次利用鋰電池測試方法和健康狀態(tài)預(yù)測奠定了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1鋰電池健康壽命實(shí)驗(yàn)測試流程圖；

圖2 OCV-SOC曲線擬合圖；

圖3不同環(huán)境溫度下均值內(nèi)阻與SOH關(guān)系曲線圖；

圖4不同SOH狀態(tài)下環(huán)境溫度與均值內(nèi)阻關(guān)系曲線圖；

圖5內(nèi)阻-SOC曲線圖；

圖6 as健康因子構(gòu)建過程示意圖；

圖7基于均值內(nèi)阻的健康壽命模型；

圖8基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型；

圖9基于a_s的健康壽命模型。

具體實(shí)施方式

通常所研究的循環(huán)壽命、日歷壽命主要以循環(huán)次數(shù)或存放時(shí)間為基準(zhǔn)，在考慮不同影響因素下設(shè)計(jì)測試實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，然而鋰電池在離線狀態(tài)下無法獲取循環(huán)次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等相關(guān)數(shù)據(jù)，因此本發(fā)明以健康因子--動(dòng)態(tài)內(nèi)阻為研究對象，設(shè)計(jì)了鋰電池健康壽命測試實(shí)驗(yàn)，尋求動(dòng)態(tài)內(nèi)阻與鋰電池健康狀態(tài)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)測試流程圖如圖1所示，主要包括單體電池基本性能測試和加速老化測試。

單體電池基本性能測試時(shí)，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試選擇不同放電間歇時(shí)間(5s、10s、20s、30s、1min)，為驗(yàn)證不同環(huán)境溫度鋰電池性能，考慮上海市室溫變化范圍以及鋰電池實(shí)際工作溫度范圍，本發(fā)明選取10℃、25℃、40℃和55℃四個(gè)溫度點(diǎn)；為加速鋰電池老化速率設(shè)計(jì)了加速老化測試實(shí)驗(yàn)，在高溫55℃下以大倍率電流循環(huán)50次。整個(gè)測試實(shí)驗(yàn)對多個(gè)全新18650型鋰電池同時(shí)進(jìn)行，其健康狀態(tài)均以25℃時(shí)靜態(tài)容量測試值為基準(zhǔn)，當(dāng)靜態(tài)容量測試值下降至額定容量的75％時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

為滿足鋰電池建模的需要、產(chǎn)生足夠豐富的激勵(lì)信號，設(shè)計(jì)了鋰電池基本性能測試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測試流程圖如圖1所示，被測對象為本發(fā)明所選全新18650型磷酸鐵鋰電池。整個(gè)測試由以下子測試實(shí)驗(yàn)組成：靜態(tài)容量測試、不同電流倍率測試、OCV測試、動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試、DST工況測試、BBDST工況測試和CD/CS工況測試。

1.靜態(tài)容量測試是為了測試當(dāng)前鋰電池的有效容量，連續(xù)三次靜態(tài)容量測試后求均值，以保證得到可靠的有效容量。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)需將被測鋰電池置于恒溫箱內(nèi)，控制箱內(nèi)溫度恒定為一特定值，靜置1小時(shí)(Hour,h)以上，使電池達(dá)到熱平衡狀態(tài)，然后以標(biāo)準(zhǔn)電流0.5C恒流將電池充電至3.6V，再以3.6V恒壓充電至截止電流20mA為止，再靜置1h以上，最后以0.5C恒流將電池放電至截止電壓2V結(jié)束。以上測試過程即為一次靜態(tài)容量測試，重復(fù)此過程三次完成測試。

2.不同電流倍率測試的目的是為了驗(yàn)證鋰電池在不同放電電流倍率下的容量保持率，根據(jù)被測鋰電池規(guī)格參數(shù)選取0.2C、0.5C、1C、2C、2.5C五種放電電流倍率。整個(gè)測試過程與靜態(tài)容量測試相同，為保持充電條件的一致性，先用0.5C恒流以CCCV方式將鋰電池充滿，再分別以不同倍率電流(0.2C、0.5C、1C、2C、2.5C)放電至截止電壓2V為止，每次充電或放電結(jié)束后維持1h以上的靜置時(shí)間。

3.OCV測試是為獲取鋰電池建模所需的OCV-SOC曲線。等效電路模型中理想電池電動(dòng)勢無法通過直接檢測得到，選擇易于測試的OCV近似電池電動(dòng)勢，由于受到電池極化作用的影響，實(shí)際上OCV是個(gè)緩慢變化的電壓值，需將電池長時(shí)間靜置，使其達(dá)到相對平衡的狀態(tài)以獲取更為穩(wěn)定的電壓值，因此這里采用HPPC測試方法得到OCV，測試過程與上個(gè)測試實(shí)驗(yàn)相同，選取1h靜置之后的電壓值作為OCV，實(shí)測數(shù)據(jù)如圖2所示。通常采用曲線擬合或插值的方法得到整個(gè)OCV-SOC曲線，圖2給出了四次多項(xiàng)式和七次多項(xiàng)式擬合得到的曲線對比圖，四次曲線波動(dòng)較大，與磷酸鐵鋰電池較為平坦的OCV曲線不符，相比之下，七次擬合曲線更為合理。

4.動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試是相對于HPPC測試中靜態(tài)內(nèi)阻測試方法提出的，采用間歇放電方式實(shí)現(xiàn)，目的在于驗(yàn)證鋰電池動(dòng)態(tài)內(nèi)阻變化過程。先將被測鋰電池以CCCV方式充滿并靜置1h，恒流放電電流倍率2.5C，放電1min再靜置1min，如此循環(huán)直至放電截止電壓2V。

5.動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試(Dynamic Stress Test,DST)來源于《USABC電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊》，是美國聯(lián)邦城市運(yùn)行工況的簡化版，適用于實(shí)驗(yàn)室中模擬電池在電動(dòng)汽車中的動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況。

6.北京公交動(dòng)態(tài)應(yīng)力測試(Beijing Bus Dynamic Stress Test,BBDST)是基于DST測試提出的，由北京理工大學(xué)孫逢春教授針對我國城市交通設(shè)計(jì)而成，得到針對中國的鋰電池動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況。

7.CD/CS工況測試來源于《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池測試手冊》，是基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車行駛模式設(shè)計(jì)而成，分別代表電量消耗模式(Charge Depleting,CD)和電量保持模式(Charge Sustaining,CS)。

一.構(gòu)建均值內(nèi)阻健康因子

當(dāng)鋰電池接近充滿或放空時(shí)，內(nèi)阻表現(xiàn)出現(xiàn)突然增大的趨勢，導(dǎo)致內(nèi)阻-SOC曲線發(fā)生突變不再符合二次曲線特性，考慮鋰電池通常工作范圍在SOC為20％～80％的區(qū)域上，本發(fā)明選取此范圍內(nèi)阻為研究對象。因內(nèi)阻隨著SOC的變化而變化，為保證提取健康特征的可靠性，對此范圍內(nèi)阻求平均值以構(gòu)建均值內(nèi)阻健康因子(Ro,mean)。

采用上述均值內(nèi)阻健康特征提取方法，從鋰電池健康壽命測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取出不同影響因素下健康特征數(shù)據(jù)。圖3所示為不同環(huán)境溫度下內(nèi)阻均值與SOH狀態(tài)的關(guān)系曲線，從圖中可看出，內(nèi)阻均值的增長與鋰電池有效容量的變化趨勢基本一致，因此，在不同的環(huán)境溫度下，內(nèi)阻均值的變化在一定程度上表征了鋰電池SOH的衰退趨勢，使用一次曲線擬合各環(huán)境溫度下實(shí)驗(yàn)值，環(huán)境溫度為10℃、25℃、40℃和55℃時(shí)各曲線擬合度(R2)分別為0.889、0.973、0.978和0.953。

圖4所示為不同SOH狀態(tài)下環(huán)境溫度與均值內(nèi)阻的關(guān)系曲線圖，根據(jù)鋰電池容量衰減與溫度符合阿倫尼烏斯(Arrhenius)特性，可用類似公式描述電池老化程度，如式(1)所示。

式中：Qloss為電池容量衰減；A為指前因子；Ea為活化能；R為普適氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)絕對溫度。擬合后曲線如圖4中所示，SOH為0.99、0.95、0.85和0.75狀態(tài)時(shí)，各曲線擬合度分別為0.998、0.999、0.997和0.995。

二.構(gòu)建最小內(nèi)阻健康因子

圖5為內(nèi)阻-SOC曲線圖，計(jì)算放電電流下降沿內(nèi)阻并截取SOC為20％～80％的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，從圖中內(nèi)阻數(shù)據(jù)及其擬合曲線可看出，處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)波形表現(xiàn)出較好的二次曲線特性。另外，動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試獲取的二次曲線存在唯一頂點(diǎn)，此頂點(diǎn)表示為鋰電池最小內(nèi)阻值及其所處SOC狀態(tài)，對于鋰電池在某一狀態(tài)下動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試的最小內(nèi)阻基本維持不變，以此可構(gòu)建最小內(nèi)阻健康因子(Ro,min)。

三.構(gòu)建內(nèi)阻-SOC曲線健康因子

雖然動(dòng)態(tài)測試中所辨識鋰電池內(nèi)阻與SOC關(guān)系曲線表現(xiàn)出二次曲線特征，但是電池測試系統(tǒng)存在測量誤差、外部干擾等不確性因素，實(shí)際內(nèi)阻-SOC曲線與理想二次曲線仍有偏差，此情況可從圖5中實(shí)驗(yàn)值與二次擬合曲線比較中發(fā)現(xiàn)。因此，需對所辨識內(nèi)阻-SOC實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行二次曲線擬合，以保證構(gòu)建內(nèi)阻-SOC曲線健康因子的可靠性。

定義內(nèi)阻-SOC二次曲線如式(2)所示，式中ap、bp和cp為二次曲線系數(shù)，Ro,min和Soc,min為二次曲線頂點(diǎn)的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，分別表示內(nèi)阻-SOC曲線的最小內(nèi)阻值及其所處SOC狀態(tài)。

分別對式(2)中二次曲線求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，可得式(3)和式(4)。由以上分析可知，式(3)可表示為直線，直線與橫坐標(biāo)軸的交點(diǎn)即為二次曲線頂點(diǎn)的橫坐標(biāo)；式(4)即為此直線的斜率，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此斜率與鋰電池健康狀態(tài)有關(guān)，即為所構(gòu)建內(nèi)阻-SOC曲線健康因子2ap，命名其為as＝2ap。圖6所示為健康因子as構(gòu)建過程示意圖，分別給出了其轉(zhuǎn)換過程中重要參數(shù)獲取方法，圖中三條內(nèi)阻-SOC曲線對應(yīng)的鋰電池健康狀態(tài)為SOH1>SOH2>SOH3。

基于循環(huán)次數(shù)的壽命模型主要用于預(yù)測特定充放電制度下鋰電池的剩余使用壽命，在缺少歷史數(shù)據(jù)支持和充放電制度未知的情況下，根據(jù)此壽命模型無法判別鋰電池SOH狀態(tài)。為此，根據(jù)上述所構(gòu)建健康因子與健康狀態(tài)關(guān)系建立鋰電池健康壽命模型，分別建立基于均值內(nèi)阻的健康壽命模型，基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型，基于as的健康壽命模型，從而實(shí)現(xiàn)同種鋰電池健康狀態(tài)預(yù)測。

1、基于均值內(nèi)阻的健康壽命模型

為便于計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)并以查表方式運(yùn)行或以圖片形式顯示所建立健康壽命模型，將所建健康壽命模型轉(zhuǎn)換為表格形式。

首先定義模型表格的邊界函數(shù)，考慮環(huán)境溫度范圍10℃～55℃，SOH范圍為75％～100％，邊界函數(shù)選用上述健康特征數(shù)據(jù)擬合函數(shù)，具體函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)如表1和表2所示，表中擬合函數(shù)即為所建健康壽命模型；然后以1℃溫度(即ΔT＝1℃)間隔劃分表格，以1％為健康狀態(tài)(即ΔSOH＝1％)間隔劃分表格，表格中間狀態(tài)通過線性插值方法獲??；采用上述方法繪制基于均值內(nèi)阻的健康壽命模型表格，如圖7所示。若環(huán)境溫度或鋰電池均值內(nèi)阻超出此表格邊界函數(shù)，采用擬合函數(shù)外推法帶入模型函數(shù)關(guān)系式即可計(jì)算得到SOH估計(jì)值。

表1溫度邊界函數(shù)及其參數(shù)

表2SOH邊界函數(shù)及其參數(shù)

2、基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型

采用同樣的方法建立基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型，定義類似的的邊界函數(shù)，考慮環(huán)境溫度范圍10℃～55℃，SOH范圍為75％～100％，具體函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)如表3和表4所示。以相同的間隔劃分表格，繪制基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型表格，如圖8所示。

表3溫度邊界函數(shù)及其參數(shù)

表4SOH邊界函數(shù)及其參數(shù)

3、基于as的健康壽命模型

采用同樣的方法建立基于as的健康壽命模型，定義類似的邊界函數(shù)，考慮環(huán)境溫度范圍10℃～55℃，SOH范圍為75％～100％，具體函數(shù)形式和相關(guān)系數(shù)如表5和表6所示。以相同的間隔劃分表格，繪制基于最小內(nèi)阻的健康壽命模型表格，如圖9所示。

表5溫度邊界函數(shù)及其參數(shù)

表6SOH邊界函數(shù)及其參數(shù)