CN108695570B - 一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测*** - Google Patents

一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测*** Download PDF

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Abstract

本发明一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测***，模型包括电池开路电压Uoc、电池内阻Ri，Ri分别包含放电电阻Rdis和充电电阻Rch，并联RC网络、电容Cs和电阻Rs。其中，开路电压Uoc描述电池的电压特征，电容Cs描述电池的容量特征。充放电监测***以LabView2012为软件开发平台，包含电压采集卡、电源模块、电流采集模块、继电器模块；同时还包含恒流充电电路、恒压充电电路和放电电路三个回路。本发明得到了电池由放电状态转换到静置状态之后的电压描述函数，模型对于不同自愈时间，都能准确地描述电池在静置状态的电压变化情况，模型模拟值与测量值之间的误差维持在稳定范围内，模型具有较高准确性。

Description

一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测***
技术领域
本发明涉及一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测***，属于锂电池建模技术领域。
背景技术
近年来，电动汽车因其清洁高效等特点受到了广泛的关注并被大力推广。然而，动力电池成为电动汽车性能及稳定性的重要影响因素。锂离子电池体积小、重量轻、自放电率低，是电动汽车动力电池的最佳选择之一。因此，对于锂离子电池安全性和可靠性的研究成为关注的重点。如文献《锂离子电池在线荷电状态和健康状态估算模型》提出利用电池放电过程中单位时间内电压的变化量对电池的荷电状态及健康状态进行估算，该方法实现了锂电池荷电状态及健康状态的在线估算，且具有较好的鲁棒性；文献《电动汽车的锂离子电池电池循环寿命的组合充电状态和健康状况估计》中提出了一种结合锂电池荷电状态及健康状态的估算方法，利用扩展卡尔曼算法对荷电状态及进行实时估算并对健康状态进行离线更新，实验证明该方法具有较好的准确性；但是上述的这些文章都是锂电池工作在理想状态下，并未考虑到锂电池在实际使用过程中的不连续现象，即当锂电池静置时，电池的容量会有所回升，这种现象有助于延长锂电池的使用寿命，具有重要的研究意义。
目前常用的电池模型可分为两类：电化学模型以及等效电路模型。电化学模型是基于电化学理论并采用数学方法描述电池内部的反应过程，但是这种方法计算复杂，较难确定参数的值。等效电路模型是基于电池的外部特征对电池特性进行描述，避免了电池内部反应和复杂的参数计算。综合考虑模型的准确性和实用性，等效电路模型被广泛地应用于电池管理***的在线估算。文献《在各种环境温度下使用新型开路电压在线估算LiFePo4电池的模型参数和充电状态》中提出了一种基于模型的LiFePO4电池的在线估算方法，利用戴维南等效模型对LiFePO4电池进行模拟，并给出了相应的数学表示方程；文献《基于改进的等效电路模型在线识别锂离子电池参数及其在电池电量状态预测中的实现》中提出了一种新的锂电池等效模型，通过在等效模型中加入噪声，来简化模型参数的计算复杂度并且具有较高的准确性；文献《基于模型的锂离子电池峰值功率动态多参数估计方法》中提出了一种基于模型的动态多参数电池能量估算方法，完善了戴维南模型中的欧姆内阻，提高了模型的准确性，能够更加可靠地计算出电池剩余可用能量。但是上述论文所研究的模型，并不能描述电池在自愈现象中的状态变化。因此，为了更好地描述锂电池在自愈过程中的状态，提出了一种基于自愈特征的锂电池物理等效模型。
车用锂电池可分为充电、放电、静置三种状态。当电池充电时，电池正极会产生锂离子，同时锂离子通过电解质，到达电池负极，与石墨(纳米级碳粉)结合。在这个过程中，越多的锂离子与负极的石墨结合，电池的容量就越大。当电池放电时，在电池负极锂离子会与石墨分离回到电池正极，电池容量下降。
在实际使用过程中，每次充电完成之后，锂电池的状态就会反复地在放电和静置之间进行切换，如图1所示。静置时，电池会出现自愈现象，由于电池正负极之间锂离子浓度差的存在，电池负极的锂离子会由于浓度差的驱使到达电池负极。这个过程是电池放电的逆过程，与电池充电过程相似，电池的电荷状态会有所提升。车用锂电池由于汽车大部分时间处于行驶、停滞状态，自愈现象较为普遍。自愈的强度与电池静置的时间有关并会随着电池充放次数增加而改变，并影响电池剩余寿命。因此，一种可以描述锂离子电池自愈现象的电池模型就十分的重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测***，该模型可以更好地描述锂电池在自愈过程中的状态；该充放电监测***可实现对锂电池放电过程的编程控制，模拟了锂电池在实际使用过程中由放电状态到静置状态的转换，并对锂电池的自愈现象进行了监测。
本发明一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法，如图2所示，模型包括电池开路电压Uoc、电池内阻Ri，Ri分别包含放电电阻Rdis和充电电阻Rch，并联RC网络、电容Cs和电阻Rs。其中，开路电压Uoc描述电池的电压特征，电容Cs描述电池的容量特征。模型可分为两个部分，一部分对锂电池放电阶段电压进行描述以及另一部分对锂电池静置阶段自愈现象电压进行描述。以下具体介绍：
1.1.模型的描述
当电池达到稳定状态时，电池电压不再发生变化，此时端电压等于电池的开路电压Uoc，也等于电容Cs的电压值，即：
UL＝UOC＝UCs (1)
1.1.1.放电状态电池描述
利用HPPC测试对锂电池物理模型的放电状态进行描述。当电池通过放电脉冲电流时，电池的电压会经历两个变化过程，电压快速变化过程以及电压缓慢变化过程，图3表示了电池的电压在经过HPPC测试时的变化。
在电压快速变化阶段，电压的急剧下降主要是受电池内阻Ri的影响，内阻Ri的值与电压的变化值有关，如公式(2)所示；当电池以IL恒流放电时，电压缓慢变化，为了简化模型，电池的电容可以认为处于开路状态，电池的变化值由并联的RC网络部分所表示，电池的电压变化值可由公式(3)表示：
Figure GDA0002419055600000031
Figure GDA0002419055600000032
连在电池两端的负载RL的阻值可由电池的端电压和电流的比值求得：
RL＝UL-F/IL (4)
1.1.2.静置状态电池描述
单通过HPPC测试无法求得模型全部参数的值，为了更好地描述电池的自愈现象，对电池进行自愈测试是必要的，自愈测试的示意图如4所示。在锂电池单个充放电周期内进行一次自愈测试。当充电完成后，对电池进行恒流放电，在t0时刻，当电池电压达到UL-SR时，电池转换进入静置状态，进行时间间隔为△t的自愈过程。当电池处于静置状态时，RC并联网络上没有电流经过，所以模型可以简化为图2中的形式。
在t0(-)时刻，电池处于放电状态，电容Cs两端的电压可由公式(5)表示；在t0(+)时刻，电池处于静置状态，电容Cs的电压可以用公式(6)表示。因为电容的电压不能发生突变，所以t0(-)时刻电容Cs的电压值和t0(+)时刻的电压值相等，即如公式(7)所示：
UCS(t0-)＝UL-SR(t0-)+IL*RP＝UOC-SR-Ui(t0-) (5)
UCs(t0+)＝UL-SR(t0+)-URs(t0+) (6)
UCs(t0)＝UCs(t0-)＝UCs(t0+) (7)
由公式(5)(6)(7)可以推导出，当电池从放电状态转换为静置状态的电压变化值：
△UL-SR＝URs(t0+)+IL*RP (8)
当电池静置的时间足够长的情况下，电池处于稳定状态，由公式(1)可知，电容Cs的电压将会等于电池的开路电压Uoc-SR。然而电容Cs在t0时刻的电压值小于Uoc-SR，对比公式(5)和公式(9)可以得知，在电池处于静置状态的△t时间内，理想电压源UOC对电容Cs进行充电，流过电容Cs的电流为Is，时间常数为τ,电容Cs的电量为Qcs：
UCs(△t→∞)＝UOC-SR (9)
Figure GDA0002419055600000042
τ＝CS*(Ri+RS) (11)
QCs＝UCs*CS (12)
当锂电池由放电状态转换为静置状态时，电容Cs两端的电压满足公式(11):
UCs＝UOC-SR-[UOC-SR-(UL-SR(t0-)+IL*RP)]*exp[-t/CS/(RS+Ri)] (13)
同时端电压UL-SR和电容电压Ucs之间满足公式(6)所示的关系，所以由公式(6)、公式(8)、公式(10)以及公式(12)可以推导出端电压UL-SR满足的函数关系式：
Figure GDA0002419055600000041
为了对上述锂电池物理模型的放电状态及静置状态进行监测，本发明设计了一种充放电监测***，确切的说是建立了基于LabView的锂电池充放电监测***，如图5所示。该充放电监测***以LabView2012为软件开发平台，包含电压采集卡、电源模块、电流采集模块、继电器模块；同时还包含恒流充电电路、恒压充电电路和放电电路三个回路，图中I1表示恒流充电电流，I2表示恒压充电电流，I3表示放电电流。三个回路分别通过继电器模块的三个继电器开关来控制导通或者是断开。电流采集模块将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接电压采集卡某一路通道的输入，由电压采集卡进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机。电压采集卡将锂电池的电压、电流信息传送至PC机，由上位机编程控制继电器开关模块的状态，从而实现不同回路之间的切换。***实现了对锂电池放电过程的编程控制，模拟了锂电池在实际使用过程中由放电状态到静置状态的转换，并对锂电池的自愈现象进行了监测。上位机负责电路状态的切换，进而控制锂电池在充电、放电、静置三种状态之间的转换。同时，上位机可以实现对锂电池电路状态的实时监控。
(1)电压采集模块：PXIe-4300
电压采集模块PXIe-4300含有8路模拟输入通道，每个通道都配有独立的模数转换器，并且可以进行同步采样，保证了数据采集的高效性；电压采集模块的电压输入范围为±300V，分别有1V/2V/5V/10V/30V/300V共六个档位可以选择；PXIe-4300的分辨率为16bit，具有较高的数据采集精度。
(2)电流采集模块：Siglent CP 401
电流采集模块具体采用由鼎阳科技有限公司(Siglent)生产的一款基于霍尔原理的非接触式电流传感器Siglent CP 401，用于监测电路电流。Siglent CP 401输出信号百分误差为3％±5mV，有着较高的准确度，保证了电路电流信息的可靠性；电流电压转换比例为100mV/A，灵敏度高，且具有较好的线性度；转换速率可达0.3V/μs，具有较快的响应时间。Siglent CP 401可用于测量50mA至10A量程的电流，***充放电电流在2A范围以内，符合实验设计的要求。在实际使用过程中，Siglent CP 401将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接PXIe-4300某一路通道的输入，由PXIe-4300数据采集卡进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机。
(3)电源模块：NI PXI-4130
PXI-4130是一款可编程源测量单元(SMU)，两个通道都可作为恒定电压源或者恒定电流源运行。恒定电压源模式和恒定电流源模式均具有可设置的钳位限制值，保证了输出电压值和电流值的稳定。恒压源或者恒流源的选择可以通过编程控制。锂电池充电过程可分为恒流充电和恒压充电两步，设定PXI-4130的0通道(Channel 0)输出恒定电流(Output Function:DC Current)，电流值(Current Level)为1A；1通道(Channel 1)输出恒定电压(Output Function:DC Voltage)，电压值(Voltage Level)为4.2V。
(4)继电器模块：NI PXI-2564
PXI-2564是一款通用开关模块，具有独立的单刀单掷(SPST)Form A继电器。PXI-2564具有16个通道，每个继电器为非锁存继电器，具有极低的导通电阻和低热偏移。PXI-2564完全可通过软件进行编程。在锂电池充放电自动监测***中通过上位机LabVIEW编程实现对继电器开关1、2、3的控制，以实现充电模式和放电模式之间的切换。
本发明一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法及监测***，其优点及功效在于：针对锂电池不连续放电过程中的自愈现象，提出了一种锂电池物理等效模型，并对模型进行了数学描述，得到了电池由放电状态转换到静置状态之后的电压描述函数。利用基于LabView的锂电池测试平台，设计了自愈相关的实验，并通过实验测试数据确定了模型的参数。实验结果证明，模型对于不同的自愈时间，都能够准确地描述电池在静置状态的电压变化情况，模型模拟值与测量值之间的误差维持在稳定的范围之内，模型具有较高的准确性。
附图说明
图1所示为锂电池连续放电与间歇放电对比。
图2所示为锂电池物理等效模型的电路图。
图3所示为锂电池电池在HPPC测试时的电压、电流变化。
图4所示为自愈测试示意图。
图5所示为基于LabView的锂电池监测***框图。
图6所示为本发明实施例流程图。
图7(a)～图7(c)为本发明实施例自愈时间为60min时模型模拟值与实验测量值的比较。图8所示为本发明实施例自愈时间为60min时模型模拟值与实验测量值的误差比较。
图9(a)～图9(c)为本发明实施例自愈时间为15min时模型模拟值与实验测量值的比较。图10(a)～图10(c)为本发明实施例自愈时间为90min时模型模拟值与实验测量值的比较。图11为本发明实施例自愈时间为15min时模型模拟值与实验测量值的误差比较。
图12为本发明实施例自愈时间为90min时模型模拟值与实验测量值的误差比较。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法，如图2所示，模型包括电池开路电压Uoc、电池内阻Ri，Ri分别包含放电电阻Rdis和充电电阻Rch，并联RC网络、电容Cs和电阻Rs。其中，开路电压Uoc描述电池的电压特征，电容Cs描述电池的容量特征。模型可分为两个部分，一部分对锂电池放电阶段电压进行描述以及另一部分对锂电池静置阶段自愈现象电压进行描述。以下具体介绍：
1.2.模型的描述
当电池达到稳定状态时，电池电压不再发生变化，此时端电压等于电池的开路电压Uoc，也等于电容Cs的电压值，即：
UL＝UOC＝UCs (1)
1.2.1.放电状态电池描述
利用HPPC测试对锂电池物理模型的放电状态进行描述。当电池通过放电脉冲电流时，电池的电压会经历两个变化过程，电压快速变化过程以及电压缓慢变化过程，图3表示了电池的电压在经过HPPC测试时的变化。
在电压快速变化阶段，电压的急剧下降主要是受电池内阻Ri的影响，内阻Ri的值与电压的变化值有关，如公式(2)所示；当电池以IL恒流放电时，电压缓慢变化，为了简化模型，电池的电容可以认为处于开路状态，电池的变化值由并联的RC网络部分所表示，电池的电压变化值可由公式(3)表示：
Figure GDA0002419055600000071
Figure GDA0002419055600000072
连在电池两端的负载RL的阻值可由电池的端电压和电流的比值求得：
RL＝UL-F/IL (4)
1.2.2.静置状态电池描述
单通过HPPC测试无法求得模型全部参数的值，为了更好地描述电池的自愈现象，对电池进行自愈测试是必要的，自愈测试的示意图如4所示。在锂电池单个充放电周期内进行一次自愈测试。当充电完成后，对电池进行恒流放电，在t0时刻，当电池电压达到UL-SR时，电池转换进入静置状态，进行时间间隔为△t的自愈过程。当电池处于静置状态时，RC并联网络上没有电流经过，所以模型可以简化为图2中的形式。
在t0(-)时刻，电池处于放电状态，电容Cs两端的电压可由公式(5)表示；在t0(+)时刻，电池处于静置状态，电容Cs的电压可以用公式(6)表示。因为电容的电压不能发生突变，所以t0(-)时刻电容Cs的电压值和t0(+)时刻的电压值相等，即如公式(7)所示：
UCS(t0-)＝UL-SR(t0-)+IL*RP＝UOC-SR-Ui(t0-) (5)
UCs(t0+)＝UL-SR(t0+)-URs(t0+) (6)
UCs(t0)＝UCs(t0-)＝UCs(t0+) (7)
由公式(5)(6)(7)可以推导出，当电池从放电状态转换为静置状态的电压变化值：
△UL-SR＝URs(t0+)+IL*RP (8)
当电池静置的时间足够长的情况下，电池处于稳定状态，由公式(1)可知，电容Cs的电压将会等于电池的开路电压Uoc-SR。然而电容Cs在t0时刻的电压值小于Uoc-SR，对比公式(5)和公式(9)可以得知，在电池处于静置状态的△t时间内，理想电压源UOC对电容Cs进行充电，流过电容Cs的电流为Is，时间常数为τ,电容Cs的电量为Qcs：
UCs(△t→∞)＝UOC-SR (9)
Figure GDA0002419055600000082
τ＝CS*(Ri+RS) (11)
QCs＝UCs*CS (12)
当锂电池由放电状态转换为静置状态时，电容Cs两端的电压满足公式(11):
UCs＝UOC-SR-[UOC-SR-(UL-SR(t0-)+IL*RP)]*exp[-t/CS/(RS+Ri)] (13)
同时端电压UL-SR和电容电压Ucs之间满足公式(6)所示的关系，所以由公式(6)、公式(8)、公式(10)以及公式(12)可以推导出端电压UL-SR满足的函数关系式：
Figure GDA0002419055600000081
为了对上述锂电池物理模型的放电状态及静置状态进行监测，本发明设计了一种充放电监测***，确切的说是建立了基于LabView的锂电池充放电监测***，如图5所示。该充放电监测***以LabView2012为软件开发平台，包含电压采集卡、电源模块、电流采集模块、继电器模块；同时还包含恒流充电电路、恒压充电电路和放电电路三个回路，图中I1表示恒流充电电流，I2表示恒压充电电流，I3表示放电电流。三个回路分别通过继电器模块的三个继电器开关来控制导通或者是断开。电流采集模块将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接电压采集卡某一路通道的输入，由电压采集卡进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机。电压采集卡将锂电池的电压、电流信息传送至PC机，由上位机编程控制继电器开关模块的状态，从而实现不同回路之间的切换。***实现了对锂电池放电过程的编程控制，模拟了锂电池在实际使用过程中由放电状态到静置状态的转换，并对锂电池的自愈现象进行了监测。上位机负责电路状态的切换，进而控制锂电池在充电、放电、静置三种状态之间的转换。同时，上位机可以实现对锂电池电路状态的实时监控。
(1)电压采集模块：PXIe-4300
电压采集模块PXIe-4300含有8路模拟输入通道，每个通道都配有独立的模数转换器，并且可以进行同步采样，保证了数据采集的高效性；电压采集模块的电压输入范围为±300V，分别有1V/2V/5V/10V/30V/300V共六个档位可以选择；PXIe-4300的分辨率为16bit，具有较高的数据采集精度。
(2)电流采集模块：Siglent CP 401
电流采集模块具体采用由鼎阳科技有限公司(Siglent)生产的一款基于霍尔原理的非接触式电流传感器Siglent CP 401，用于监测电路电流。Siglent CP 401输出信号百分误差为3％±5mV，有着较高的准确度，保证了电路电流信息的可靠性；电流电压转换比例为100mV/A，灵敏度高，且具有较好的线性度；转换速率可达0.3V/μs，具有较快的响应时间。Siglent CP 401可用于测量50mA至10A量程的电流，***充放电电流在2A范围以内，符合实验设计的要求。在实际使用过程中，Siglent CP 401将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接PXIe-4300某一路通道的输入，由PXIe-4300数据采集卡进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机。
(3)电源模块：NI PXI-4130
PXI-4130是一款可编程源测量单元(SMU)，两个通道都可作为恒定电压源或者恒定电流源运行。恒定电压源模式和恒定电流源模式均具有可设置的钳位限制值，保证了输出电压值和电流值的稳定。恒压源或者恒流源的选择可以通过编程控制。锂电池充电过程可分为恒流充电和恒压充电两步，设定PXI-4130的0通道(Channel 0)输出恒定电流(Output Function:DC Current)，电流值(Current Level)为1A；1通道(Channel 1)输出恒定电压(Output Function:DC Voltage)，电压值(Voltage Level)为4.2V。
(4)继电器模块：NI PXI-2564
PXI-2564是一款通用开关模块，具有独立的单刀单掷(SPST)Form A继电器。PXI-2564具有16个通道，每个继电器为非锁存继电器，具有极低的导通电阻和低热偏移。PXI-2564完全可通过软件进行编程。在锂电池充放电自动监测***中通过上位机LabVIEW编程实现对继电器开关1、2、3的控制，以实现充电模式和放电模式之间的切换。
实施例：
(一)实验对NCR18650B锂电池进行了测试。
测试方案如图6所示。为了得到锂电池的初始容量，对锂电池进行了SCT测试(静态容量测试)，并重复进行3次；之后对电池进行放电状态并进行HPPC测试(混合脉冲功率性能测试)，同时记录电池的测试数据。实验方案的关键是对锂电池进行自愈特征测试。其中，U*代表的是状态转换电压，当锂电池电压首次降至U*时，电池的工作状态发生变化，由放电状态转换为静置状态。转换电压的值与SOC有关，并会影响电池在静置状态的自愈强度，实验中选取转换电压的值为3V，即当电池电压首次降至3V时，电池进入静置状态，进行自愈测试，此时SOC的值可由实验***的数据记录器通过库伦计数的方法得到。
实验分别对自愈时间(即处于静置状态的时间)为15min,60min,90min进行了测试，每个自愈时间测试重复3次。
(二)结果分析
自愈特征与自愈时间之间存在着关系，因此选择合适的自愈时间就十分重要。为了观察到较为明显的自愈特征，选取自愈时间为60min的第一次测试数据，对模型进行参数辨识，并将静置阶段电池模型的模拟值与测量值进行了比较。同时，将由该次实验得到的模型及参数，应用于同一自愈时间不同次实验以及不同自愈时间的多组实验，并对结果进行了分析。
1、模型参数辨识
利用测试数据对电池模型的未知参数进行辨识，是结果分析与讨论的基础。Matlab提供了多种方法以实现对函数的拟合，比如Cftool。Cftool具有可视化交互界面，提供了多种拟合函数，因此本发明选择Cftool作为拟合工具。参数辨识结果如下表1所示：
Figure GDA0002419055600000101
表1
2、电池模型评估
由自愈时间为60min的第一次实验测试数据得到模型参数后，分别将模型的模拟值与实际测量值进行了对比，图7(a)～图7(c)分别代表了模型的模拟值与自愈时间为60min时的实验1、实验2、实验3的比较结果。在锂电池由放电状态转换为静置状态之后，模型可以较好的描述锂电池电压值上升阶段的状态。并且当静置时间足够长时，模型模拟值依然很贴近锂电池的终端电压。重复静置时间为60min的实验并将测试数据与模型的模拟值进行对比，模型依然可以对同一锂电池同一自愈时间不同次实验的数据进行模拟，结果如图7(b)、图7(c)所示。
图8表示了在自愈时间为60min时，模型模拟值与实验测量值之间的误差特征曲线。在电池开始由放电状态转换为静置状态时，电池电压发生急剧的变化，在这一短暂的阶段，模型具有较大的误差。但是经过电池电压短暂变化之后，模型可以较好地描述锂电池的电压状态，且随着电池电压变化趋势趋近于平缓，模型误差也在慢慢减小并趋近于0。
同时，为了证明该模型可以对不同自愈时间的锂电池状态进行描述，设计了自愈时间分别为15min和90min的实验，并将由自愈时间为60min的实验测试数据得到的参数应用于自愈时间为15min和90min的实验数据，模型和实验数据的对比结果如图9(a)(b)(c)和图10(a)(b)(c)所示。对于自愈时间为15min和90min的实验数据，模型依然可以较好的描述电池电压的变化。
图11和图12分别是对自愈时间为15min和90min时，模型模拟值与实验测量值之间的误差特征曲线。与自愈时间为60min时的误差曲线相似，在状态转换阶段，模型与实验数据之间存在着较大的误差。但是模型与测试数据之间的误差随着时间在慢慢减小，且误差的变化趋近于平稳。
3、电池模型准确性分析
将通过最大误差(电压误差的最大值)、误差均值(电压误差的平均值)、RMSE(电压值的均方根误差)对电池模型的准确性进行分析。分别对自愈时间为15min、60min、90min的实验测试数据进行分析，结果如表2所示：
Figure GDA0002419055600000111
Figure GDA0002419055600000121
表2
在自愈时间为60min的3次测试，最大误差均小于70mV，最大误差率也都不超过2％，且均方根误差均小于80mV；在用模型对自愈时间为15min和90min的实验测试数据进行误差分析时，最大误差均未超过70mV，除了自愈时间为90min的第三组实验最大误差率略大于2％，其余测试的最大误差率均小于2％，2组自愈时间的6次实验均方根误差均小于15mV。因此，模型具有较高的准确性以及效率。

Claims (2)

1.一种基于自愈的锂电池物理模型构造方法，其特征在于：该模型包括电池开路电压Uoc、电池内阻Ri，Ri分别包含放电电阻Rdis和充电电阻Rch，并联RC网络、电容Cs和电阻Rs；其中，开路电压Uoc描述电池的电压特征，电容Cs描述电池的容量特征；模型可分为两个部分，一部分对锂电池放电阶段电压进行描述以及另一部分对锂电池静置阶段自愈现象电压进行描述，具体如下：
1.1.模型的描述
当电池达到稳定状态时，电池电压不再发生变化，此时端电压等于电池的开路电压Uoc，也等于电容Cs的电压值，即：
UL＝UOC＝UCs (1)
1.1.1.放电状态电池描述
利用HPPC测试对锂电池物理模型的放电状态进行描述；当电池通过放电脉冲电流时，电池的电压会经历两个变化过程，电压快速变化过程以及电压缓慢变化过程；
在电压快速变化阶段，电压的急剧下降主要是受电池内阻Ri的影响，内阻Ri的值与电压的变化值有关，如公式(2)所示；当电池以IL恒流放电时，电压缓慢变化，为了简化模型，电池的电容可以认为处于开路状态，电池的变化值由并联的RC网络部分所表示，电池的电压变化值可由公式(3)表示：
Figure FDA0002419055590000011
Figure FDA0002419055590000012
连在电池两端的负载RL的阻值可由电池的端电压和电流的比值求得：
RL＝UL-F/IL (4)
1.1.2.静置状态电池描述
单通过HPPC测试无法求得模型全部参数的值，需要对电池进行自愈测试：在锂电池单个充放电周期内进行一次自愈测试；当充电完成后，对电池进行恒流放电，在t0时刻，当电池电压达到UL-SR时，电池转换进入静置状态，进行时间间隔为△t的自愈过程；当电池处于静置状态时，RC并联网络上没有电流经过，所以模型可以简化；
在t0(-)时刻，电池处于放电状态，电容Cs两端的电压可由公式(5)表示；在t0(+)时刻，电池处于静置状态，电容Cs的电压可以用公式(6)表示；因为电容的电压不能发生突变，所以t0(-)时刻电容Cs的电压值和t0(+)时刻的电压值相等，即如公式(7)所示：
UCS(t0-)＝UL-SR(t0-)+IL*RP＝UOC-SR-Ui(t0-) (5)
UCs(t0+)＝UL-SR(t0+)-URs(t0+) (6)
UCs(t0)＝UCs(t0-)＝UCs(t0+) (7)
由公式(5)(6)(7)可以推导出，当电池从放电状态转换为静置状态的电压变化值：
△UL-SR＝URs(t0+)+IL*RP (8)
当电池静置的时间足够长的情况下，电池处于稳定状态，由公式(1)可知，电容Cs的电压将会等于电池的开路电压Uoc-SR；然而电容Cs在t0时刻的电压值小于Uoc-SR，对比公式(5)和公式(9)可以得知，在电池处于静置状态的△t时间内，理想电压源UOC对电容Cs进行充电，流过电容Cs的电流为Is，时间常数为τ,电容Cs的电量为Qcs：
UCs(△t→∞)＝UOC-SR (9)
Figure FDA0002419055590000021
τ＝CS*(Ri+RS) (11)
QCs＝UCs*CS (12)
当锂电池由放电状态转换为静置状态时，电容Cs两端的电压满足公式(13):
UCs＝UOC-SR-[UOC-SR-(UL-SR(t0-)+IL*RP)]*exp[-t/CS/(RS+Ri)] (13)
同时端电压UL-SR和电容电压Ucs之间满足公式(6)所示的关系，所以由公式(6)、公式(8)、公式(10)以及公式(12)可以推导出端电压UL-SR满足的函数关系式：
Figure FDA0002419055590000022
2.一种利用权利要求1所述的基于自愈的锂电池物理模型构造方法的监测***，其特征在于：是一种基于LabView的锂电池充放电监测***，该充放电监测***以LabView2012为软件开发平台，包含电压采集卡、电源模块、电流采集模块、继电器模块；同时还包含恒流充电电路、恒压充电电路和放电电路三个回路，三个回路分别通过继电器模块的三个继电器开关来控制导通或者是断开；电流采集模块将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接电压采集卡某一路通道的输入，由电压采集卡进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机；电压采集卡将锂电池的电压、电流信息传送至PC机，由上位机编程控制继电器开关模块的状态，从而实现不同回路之间的切换；***实现了对锂电池放电过程的控制，模拟了锂电池在实际使用过程中由放电状态到静置状态的转换，并对锂电池的自愈现象进行了监测；上位机负责电路状态的切换，进而控制锂电池在充电、放电、静置三种状态之间的转换；同时，上位机可以实现对锂电池电路状态的实时监控；具体如下：
(1)电压采集模块：PXIe-4300
电压采集模块PXIe-4300含有8路模拟输入通道，每个通道都配有独立的模数转换器，并且可以进行同步采样；电压采集模块的电压输入范围为±300V，分别有1V/2V/5V/10V/30V/300V共六个档位可以选择；PXIe-4300的分辨率为16bit，具有较高的数据采集精度；
(2)电流采集模块：
电流采集模块具体采用基于霍尔原理的非接触式电流传感器，用于监测电路电流；输出信号百分误差为3％±5mV；电流电压转换比例为100mV/A；转换速率为0.3V/μs；电流传感器将电路电流信号转换为电压信号，且输出端连接电压采集模块某一路通道的输入，由数据采集模块进行信号调理和模数转换并将信号传送至上位机；
(3)电源模块：
电源模块具体为一可编程源测量单元，两个通道都可作为恒定电压源或者恒定电流源运行；恒定电压源模式和恒定电流源模式均具有可设置的钳位限制值；恒压源或者恒流源的选择可以通过编程控制；锂电池充电过程可分为恒流充电和恒压充电两步，设定电压采集模块的0通道输出恒定电流，电流值为1A；1通道输出恒定电压，电压值为4.2V；
(4)继电器模块：
继电器模块是一款通用开关模块，具有独立的单刀单掷Form A继电器；该继电器模块具有16个通道，每个继电器为非锁存继电器；在锂电池充放电自动监测***中通过上位机实现对继电器开关的控制，以实现充电模式和放电模式之间的切换。
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