一种锂电池热模型迁移方法

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种锂电池热模型迁移方法。


背景技术：

2.随着锂电池在电动汽车上的广泛应用，热安全问题也日益凸显。建立能精确预测锂电池温度变化的热模型，对于热管理系统的优化设计至关重要。锂电池热模型包括产热模型和导热模型，其中产热模型通常由bernardi公式进行计算，其分为可逆热与不可逆热两部分，产热来源以不可逆热为主，而此部分的计算一般都是基于实验所得到的内阻关于电池soc和温度的多项式响应面模型。
3.当前主要包括四种锂电池内阻测量方法：伏安特性曲线法(u-i)、开路电压和工作电压差值法(ocv-cv)、电化学阻抗谱法(eis)以及混合脉冲功率特性法(hppc)。hppc法主要是测试电池在不同soc下充放电脉冲功率能力，由于该方法所需实验设备相对简单且测试精度较高，故广泛应用于目前的研究中。但该方法调整soc过程比较耗时，每个温度下的测试循环均需耗费大量时间；每个测试循环只能测有限个点，影响热模型精度；而且重复施加大倍率的电流脉冲激励会有损电池寿命；对于不同种类的电池，即使是同款同批次的电池，其内阻也是不同的，故建立热模型之前均需进行一定温度范围内的hppc测试循环。
4.基于上述缺陷，亟需一种测试效率高且精度较高的方法以快速建立热模型，同时该方法具有较强普适性，能够迁移至不同配比的三元锂电池和磷酸铁锂电池建立其热模型。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂电池热模型迁移方法，针对不同配比的三元锂电池和磷酸铁锂电池具有普适性，且能够在测量少量soc点内阻的情况下快速建立精度较高的热模型。本发明具有精度高、普适性强的特点，可在保证热模型精度的同时大幅减少内阻测试时间。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种锂电池热模型迁移方法，具体包括以下步骤：
8.s1：选定锂电池a和b，搜集整理相关技术参数；
9.s2：在不同温度下进行电池a多个soc下和电池b少量soc下的hppc放电实验；
10.s3：基于arrhenius公式得到电池a、b所测各个soc下电池总内阻与温度之间的线性方程；
11.s4：将电池a、b相同soc下对应线性方程中一次项系数b和常数a的映射关系kb、ka分别与soc进行拟合，得到拟合方程；
12.s5：将电池b未测的soc点代入拟合方程并进行数学转换得到电池b未测内阻的预测值；
13.s6：基于测试内阻和预测内阻组成的全内阻建立电池b的热模型。
14.进一步，步骤s1中，动力锂电池a为ncm622体系，b电池包括ncm111，ncm523，ncm622，ncm811和lifepo4在内的任一体系，且不局限于同一品牌、几何形状和容量。
15.进一步，步骤s2具体包括以下步骤：
16.s21：将待测动力锂电池在25℃的恒温环境中静置2h，然后按照各自充电标准对其进行cc-cv充电，静置1h；
17.s22：将恒温箱调为10℃，静置2h，以各自放电标准恒流放电至截止电压，记录放电容量数据；
18.s23：重复步骤s21，按照各自放电标准恒流放电调整soc至0.9；
19.s24：静置2h，施加10秒的放电电流脉冲，静置15min；
20.s25：电池a以0.1的soc间隔依次调整至soc为0.1，电池b的soc分别调整至0.6，0.3，0.1；每次soc调整之后重复步骤s24，获取当前温度下动力电池的电流和电压数据；
21.s26：在10℃-40℃范围内每隔10℃重复步骤s21-s25，记录不同温度下的电流、电压数据；
22.s27：将获取的实验数据汇总并处理，形成可用的实验数据库。
23.进一步，步骤s3具体包括以下步骤：
24.s31：基于arrhenius公式，内阻和温度之间关系转换为线性方程为：
[0025][0026]
其中，r
t
为电池总直流内阻，k为常量，ea为活化能，r为气体常数，t为电池温度；
[0027]
s32：将等式(1)右边两部分的常数分别整合到一起表示为：
[0028][0029]
得到电池a、b所测各个soc下的线性方程为：
[0030]
进一步，步骤s4具体包括以下步骤：
[0031]
s41：选择电池a、b在soc为0.9，0.6，0.3，0.1下所测各个温度下的内阻点，分别拟合为步骤s32中的线性方程形式，得到电池a、b对应soc之间常数a的比值ka和一次项系数b的比值kb；
[0032]
s42：基于最小二乘法对步骤s41中的ka与soc，kb与soc分别进行多项式拟合，得到拟合方程。
[0033]
进一步，步骤s5具体包括以下步骤：
[0034]
s51：将电池b未测的soc点代入步骤s42中的拟合方程，得到电池b未测的soc点与电池a相对应soc点之间的各个ka和kb；
[0035]
s52：通过电池a所测各个soc点对应线性方程中的常数a和一次项系数b即得到电池b未测的各个soc点对应步骤s32中的线性方程；
[0036]
s53：利用下式得到各温度下电池b未测soc点的内阻预测值：
[0037]
[0038]
其中，r
t
′
为未测内阻点的内阻预测值。
[0039]
进一步，步骤s6具体包括以下步骤：
[0040]
s61：电池b全内阻关于电池soc和温度的多项式响应面模型为：
[0041][0042]
其中，p(i,j)为拟合系数矩阵p中第i行第j列的拟合系数；
[0043]
s62：产热率基于bernardi公式进行计算，计算公式为：
[0044][0045]
其中，q为电池b放电过程中的单位体积产热率，vb为电池b体积，i为恒流放电电流，r(soc,t)为电池b全内阻关于电池soc和温度的多项式响应面模型，t为电池温度，du
ocv
/dt为电池b熵热系数。
[0046]
本发明的有益效果在于：本发明基于arrhenius公式建立两块不同电池内阻的映射关系，通过测量其中一块电池少量内阻点即可得到精度较高的内阻多项式响应面模型，以建立其热模型，具体包括以下优点：
[0047]
(1)本发明基于arrhenius公式，建立不同电池内阻的内在联系，测量某块电池少量soc点内阻即可得到其余点精度较高的预测值，大幅减少测试时间以快速建立热模型，保证热模型精度的同时提高了测试效率。
[0048]
(2)本发明方法针对ncm111，ncm523，ncm622，ncm811这四种同电化学体系不同配比的三元锂电池均适用，普适性强。
[0049]
(3)本发明方法适用于跨电化学体系的lifepo4电池。
[0050]
(4)本发明不受电池几何形状的限制，能够分别针对不同形状建立其对应的热模型。
[0051]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0052]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0053]
图1为本发明整体的方法流程图；
[0054]
图2为本发明实施例步骤s3计算过程示意图；
[0055]
图3为本发明实施例步骤s4中的拟合曲线图；
[0056]
图4为本发明实施例步骤s5-s6的产热模型建立过程图。
具体实施方式
[0057]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0058]
请参阅图1～图4，图1为本实施例提供的一种锂电池热模型迁移方法，包括以下步骤：
[0059]
s1：选定锂电池a和b，搜集整理相关技术参数。以不同品牌不同容量的方形锂电池a和b为例，两者均为ncm622体系，a电池容量为50ah，b电池容量为51ah。
[0060]
s2：在不同温度下进行a电池多个soc下和b电池少量soc下的hppc放电实验。具体包括以下步骤：
[0061]
s21：将待测动力电池在25℃的恒温环境中静置2h，然后按照各自充电标准对其进行cc-cv充电，静置1h；
[0062]
s22：将恒温箱调为10℃，静置2h，a电池以0.3c倍率恒流放电至2.75v，b电池以1c倍率恒流放电至2.8v，记录放电容量数据；
[0063]
s23：重复步骤s21，电池a和b按照步骤s22中各自的倍率恒流放电调整soc至0.9；
[0064]
s24：静置2h，施加10秒的1c放电电流脉冲，静置15min；
[0065]
s25：a电池以0.1的soc间隔依次调整至soc为0.1，b电池soc分别调整至0.6，0.3，0.1；每次soc调整之后重复步骤s24，获取当前温度下动力电池的电流、电压数据；
[0066]
s26：在10℃-40℃范围内每隔10℃重复步骤s21-s25，记录不同温度下的电流、电压数据；
[0067]
s27：将获取的实验数据汇总并处理，形成可用的实验数据库。
[0068]
其中，hppc测试直流内阻计算公式为：
[0069][0070][0071]rt
＝ro r
p
[0072]
其中，ro为欧姆内阻，r
p
为极化内阻，r
t
为电池总直流内阻，v1为施加脉冲电流前的端电压，v2为电压骤降后的端电压，v3为放电脉冲结束时刻的端电压，i
′
为脉冲电流。
[0073]
s3：如图2所示，基于arrhenius公式得到a、b电池所测各个soc下电池总内阻与温度之间的线性方程。具体包括以下步骤：
[0074]
s31：基于arrhenius公式，内阻和温度之间关系转换为线性方程为：
[0075][0076]
其中，r
t
为电池总直流内阻，k为常量，ea为活化能，r为气体常数，t为电池温度；
[0077]
s32：将等式右边两部分的常数分别整合到一起表示为：
[0078][0079]
得到a、b电池所测各个soc下的线性方程：
[0080][0081]
a、b电池所测各个soc对应线性方程的a、b值，如表1所示：
[0082]
表1 电池a、b所测各个soc对应线性方程的a、b值
[0083][0084][0085]
s4：如图3所示，将a、b电池相同soc下对应线性方程中一次项系数b和常数a的映射关系kb、ka分别与soc进行拟合。具体包括以下步骤：
[0086]
s41：选择a、b电池在soc为0.9，0.6，0.3，0.1下所测各个温度下的内阻点，分别拟合为s32中的线性方程形式，得到a、b电池对应soc之间常数a的比值ka和一次项系数b的比值kb，如表2所示：
[0087]
表2 电池a、b对应soc下的ka和kb[0088][0089]
s42：基于最小二乘法对s41中的ka与soc，kb与soc分别进行多项式拟合得到拟合方程为：
[0090][0091]
s5：如图4所示，将b电池未测的soc点代入拟合方程并进行数学转换得到b电池未测内阻的预测值。具体包括以下步骤：
[0092]
s51：将b电池未测的soc点代入s42中的拟合方程，得到b电池未测的soc点与a电池相对应soc点之间的各个ka和kb，如表3所示：
[0093]
表3 电池b未测soc点对应的ka和kb[0094][0095]
s52：通过a电池所测各个soc点对应线性方程中的常数a和一次项系数b即得到b电池未测的各个soc点对应s32中的线性方程，其a、b值如表4所示：
[0096]
表4 电池b未测soc点对应线性方程的a、b值
[0097][0098]
s53：利用下式得到各温度下b电池未测soc点的内阻预测值：
[0099][0100]
其中，r
t
′
为未测内阻点的内阻预测值。
[0101]
s6：如图4所示，基于测试内阻和预测内阻组成的全内阻建立b电池的热模型。具体包括以下步骤：
[0102]
s61：b电池全内阻关于电池soc和温度的多项式响应面模型为：
[0103][0104]
其相关指数r2为0.9884，上式中p(i,j)为拟合系数，该系数矩阵为：
[0105][0106]
s62：产热率基于bernardi公式进行计算，计算公式为：
[0107][0108]
其中，q为b电池放电过程中的单位体积产热率，vb为b电池体积，i为恒流放电电流，r(soc,t)为b电池全内阻关于电池soc和温度的多项式响应面模型，t为电池温度，du
ocv
/dt为b电池熵热系数。
[0109]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。