CN111624503A - 一种锂离子电池温度在线估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池温度在线估算方法，包括以下步骤：通过电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行检测；获取锂离子电池在充电和放电之间的阶跃电流i和阶跃电压u；对阶跃电流i和阶跃电压u进行傅里叶级数变换，获取电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu；获取锂离子电池充放电时间内的Morlet母小波函数；并换算出其共轭函数Ywt；获取锂离子电池的电压小波系数U和电流小波系数I；获得的电压小波系数U和电流小波系数I计算锂离子电池内部阻抗；查询阻抗‑阻抗相位角关系表获取当前阻抗下的阻抗相位角θ；通过锂离子电池在线估算公式进行温度估算；优点在于通过该方法无需外接硬件设备即可准确测量锂离子电池温度的在线估算。

Description

一种锂离子电池温度在线估算方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池温度估算领域，具体涉及一种锂离子电池温度在线估算方法。
背景技术
随着锂离子电池已越来越多地用于汽车工业中的各种应用，例如混合动力汽车，电动汽车。包括内部电池温度在内的关键信息被认为是与功能安全性，关键参数估计等相关的最重要参数之一。锂离子电池的相对于其他动力电池具有高密度、高功率和无充放电记忆效应等优点，被作为动力电池广泛使用。由于锂离子电池属于活跃的碱性金属电池，存在起火***的危险，且锂离子电池的能量密度较大，一旦失控***其造成的伤害相对于其他电池也较大。锂离子电池除暴力碰撞发生***危险外，最主要发生***的原因为温度过高导致锂离子电池失控，因此在新能源汽车发展过程中，锂离子电池的温度的精准检测是必不可少的关键技术之一。
目前准确获得锂离子电池的内部温度的难度较大。原因是因为温度传感器很难直接用传感器测量***电池可能会损坏锂离子电池，并且由于电化学反应发生在锂离子电池内部,所以直接测量锂离子电池内部温度的可能性不大。现有的阻抗测量法被广泛采用，并被证明是估算内部温度的可行方法，即通过施加交流信号扰动锂离子电池单元来执行阻抗测量，通过阻抗相位角与温度的对应关系表确定锂离子电池内部的温度。这通常需要两个基本硬件，包括交流信号发生器和阻抗测量设备。安装这些硬件无疑会增加***的复杂性，也将极大地影响产品成本。此外，阻抗测量需要静态条件，不适用于动态的车辆工作条件，即在锂离子电池工作时对其进行阻抗测量会对测量产生较大误差。为了解决这个问题，本发明提供了一种锂离子电池温度在线估算方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种无需外接硬件设备、结构简单且测量准确的锂离子电池温度在线估算方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种锂离子电池温度在线估算方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行检测；
步骤2、通过步骤1获取锂离子电池在充电和放电之间的阶跃电流i和阶跃电压u；
步骤3、对步骤2中获取的阶跃电流i和阶跃电压u进行傅里叶级数变换，获取电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu；
步骤4、获取锂离子电池充放电时间内的Morlet母小波函数，所述的Morlet母小波为高斯函数g（t）和正弦项函数h（t）的乘积；并换算出Morlet母小波函数的共轭函数Ywt；
步骤5、通过对步骤2的电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu以及步骤4中的Morlet母小波函数的共轭函数Ywt进行离散傅里叶逆变换获取锂离子电池的电压小波系数U和电流小波系数I；
步骤6、通过步骤5中获得的电压小波系数U和电流小波系数I计算锂离子电池内部阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤7、并通过查询电池管理***内的阻抗-阻抗相位角关系表获取当前阻抗下的阻抗相位角θ；
步骤8、通过查询电池管理***内的阻抗相位角－温度关系表，获取当前环境下的锂离子电池温度。
优选地，所述的电池管理***包括电压检测器和电流检测器以及处理器单元，所述的电压检测器用于检测锂离子电池的电压并将检测到电压信号传递至处理器单元，所述的电流检测器用于检测流经锂离子电池的电流信号，并将该电流信号传递至处理器单元。
优选地，步骤3所述的电流傅里叶函数Yi的计算公式为：
Figure 946855DEST_PATH_IMAGE002
，所述的电压傅里叶函数Yu的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，其中，i为阶跃电流、u为阶跃电压，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行取样的取样个数。
优选地，步骤4中所述的Morlet母小波函数为：
Figure 127038DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为频段参数，
Figure 911454DEST_PATH_IMAGE006
为中心参数，t为锂离子电池充放电时间。
优选地，步骤4中Morlet母小波函数的共轭函数Ywt为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行取样的取样个数。
优选地，步骤5中所述的电压小波系数U为：
Figure 184304DEST_PATH_IMAGE008
，电流小波系数I为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
。
与现有技术相比，本发明的优点是可在车辆处于动态工况下，利用锂离子电池充电和放电之间的间隙时间内对锂离子电池内部的温度进行估算，从而实现锂离子电池温度的在线估算。同时本方法利用电池管理***内置的电源检测器和电流检测器对锂离子电池的电压、电流进行检测，大大降低了车辆的负载以及节约空间，即省去了传统方法中的阻抗相位检测仪以及对锂离子电池施加交流电的交流电发生器，从而降低了外在因素的干扰，提高锂离子电池温度检测的可靠性，从而确保锂离子电池在运行过程中的实时测量的稳定性。
附图说明
图1为1个NEDC测试周期内阶跃电流的分布图；
图2为3个NEDC测试周期内阶跃电压的分布图；
图3为3个NEDC测试周期内阶跃电流的分布图；
图4为3个NEDC测试周期内通过锂离子电池温度在线估算方法所检测到的锂离子电池温度分布图；
图5为锂离子电池3个NEDC测试周期内实测温度分布图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
一种锂离子电池温度在线估算方法，具体包括以下步骤：
步骤1、通过电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行检测；即通过电池管理***内的电压检测器对锂离子电池的电压进行检测并将检测到电压信号传递至电池管理***的处理器单元，通过电流检测器对流经锂离子电池的电流信号进行检查，并将该电流信号传递至处理器单元。并将该电流信号和电压信号在处理器单元内的运算单元进行处理。
步骤2、通过步骤1分别获取锂离子电池在充电和放电之间的阶跃电流i和阶跃电压u，并检测NEDC测试周期内的阶跃电流i和阶跃电压u。即通过对锂离子电池充电和放电之间的时间内进行分点取样，获取取样时间点的阶跃电流i和阶跃电压u。其中，NEDC测试周期为1200s
步骤3、对步骤2中获取的阶跃电流i和阶跃电压u进行傅里叶级数变换，获取电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu。通过MATLAB Simulink环境中实现了软件模拟，其中
Figure 850909DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。上述i为阶跃电流、u为阶跃电压，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行取样的取样个数。
步骤4、获取锂离子电池充放电时间内的Morlet母小波函数，所述的Morlet母小波为高斯函数g（t）和正弦项函数h（t）的乘积；并换算出Morlet母小波函数的共轭函数Ywt；其中所述的Morlet母小波函数为：
Figure 365941DEST_PATH_IMAGE012
，其中，该步骤中
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为10000，
Figure 332760DEST_PATH_IMAGE006
中心频率参数为3000，锂离子电池充放电时间t该步骤中为3个NEDC测试周期即3600s。
Morlet母小波函数的共轭函数Ywt为：
Figure 510932DEST_PATH_IMAGE014
，其中，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流的取样个数，即3个NEDC测试周期内按频段参数所采集的点数，该步骤中N为36000000。
步骤5、通过对步骤2的电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu以及步骤4中的Morlet母小波函数的共轭函数Ywt进行离散傅里叶逆变换获取锂离子电池的电压小波系数U和电流小波系数I；电压小波系数U为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，电流小波系数I为：
Figure 195991DEST_PATH_IMAGE016
。
步骤6、通过步骤5中获得的电压小波系数U和电流小波系数I计算锂离子电池内部阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤7、并通过查询电池管理***内的阻抗-阻抗相位角关系表获取当前阻抗下的阻抗相位角θ。该步骤可将锂离子电池的出厂检测的阻抗-阻抗相位角关系表存入到电池管理***内处理器单元的存储器内；或者通过阻抗相位角检测仪对施加交流电的锂离子电池进行阻抗-阻抗相位角对应关系检测，并将制作的阻抗-阻抗相位角关系表存入到存储器内，通过查表即可获得当前阻抗下相对应的阻抗相位角。
步骤8、通过查询电池管理***内的阻抗相位角－温度关系表，获取当前环境下的锂离子电池温度。
上述步骤８中的阻抗相位角－温度关系表通过以下步骤获取：步骤1、在锂离子电池组上安装温度传感器，并检测显示锂离子电池组的每个单体电池的温度；
步骤2、将锂离子电池组置入初始温度为-20℃的恒温环境舱内；
步骤3、 经过3小时的静置，当锂离子电池组的每个单体电池的温度与初始温度相同时，对每个单体电池采用电化学阻抗谱技术，即对待测锂离子电池组施加电流值为2安培、频率为10赫兹的激励电流，并通过电化学工作站的Solartron1287/1255B仪器检测出当前温度下的每个单体电池的阻抗相位角，并记录；
步骤4、将初始温度提升1度，并重复步骤3，得出每个单体电池相对应的阻抗相位角，并将得到的数据组成阻抗相位角-温度表。
步骤5、将阻抗相位角-温度表与新能源汽车内电池管理***检测到的以锂离子电池组构成的动力电池的阻抗相位角进行对比，得出此时动力电池的温度。将经过上述步骤得到的阻抗相位角-温度表格输入到新能源汽车的电池管理***，并在新能源汽车上设置阻抗相位角检测装置，由于阻抗相位角和温度一一对应，只要检测到该时刻锂离子电池的阻抗相位角，即可查表得到相对应的精准的锂离子电池温度。
上述经过测量获取的数据经仿真软件获取的仿真公式为：
Figure 514715DEST_PATH_IMAGE018
，
其中，T为锂离子电池估算温度、θ为阻抗相位角、e为自然常数；由附图４和附图５可知，通过该方式以及仿真公式获取的拟合曲线与真实测量数据几近重合相同。
上述的软件模拟环境为MATLAB Simulink环境进行数据参数模拟，在实际运行过程中通过汽车内置的电源管理***进行公式带入运算即可实现锂离子电池温度的在线估算。
通过上述步骤可实现锂离子电池温度的在线估算，即通过汽车内部的电池管理***内置的电压检测器和电流检测器实现对锂离子电池阶跃电压、阶跃电流的检测，从而避免传统的外接阻抗相位检测仪以及对锂离子电池施加额外的交流点进行阻抗检测。
上所述实施例仅为本发明的优选实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干的变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂离子电池温度在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行检测；
步骤2、通过步骤1获取锂离子电池在充电和放电之间的阶跃电流i和阶跃电压u；
步骤3、对步骤2中获取的阶跃电流i和阶跃电压u进行傅里叶级数变换，获取电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu；
步骤4、获取锂离子电池充放电时间内的Morlet母小波函数，所述的Morlet母小波为高斯函数g（t）和正弦项函数h（t）的乘积；并换算出Morlet母小波函数的共轭函数Ywt；
步骤5、通过对步骤2的电流傅里叶函数Yi和电压傅里叶函数Yu以及步骤4中的Morlet母小波函数的共轭函数Ywt进行离散傅里叶逆变换获取锂离子电池的电压小波系数U和电流小波系数I；
步骤6、通过步骤5中获得的电压小波系数U和电流小波系数I计算锂离子电池内部阻抗
Figure 894008DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤7、并通过查询电池管理***内的阻抗-阻抗相位角关系表获取当前阻抗下的阻抗相位角θ；
步骤8、通过查询电池管理***内的阻抗相位角－温度关系表，获取当前环境下的锂离子电池温度。
2.如权利要求1所述的一种锂离子温度在线估算方法，其特征在于，所述的电池管理***包括电压检测器和电流检测器以及处理器单元，所述的电压检测器用于检测锂离子电池的电压并将检测到电压信号传递至处理器单元，所述的电流检测器用于检测流经锂离子电池的电流信号，并将该电流信号传递至处理器单元。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池温度在线估算方法，其特征在于，步骤3所述的电流傅里叶函数Yi的计算公式为：
Figure 102136DEST_PATH_IMAGE002
，所述的电压傅里叶函数Yu的计算公式为：
Figure 507447DEST_PATH_IMAGE003
，其中，i为阶跃电流、u为阶跃电压，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行取样的取样个数。
4.如权要求3所述的一种锂离子电池温度在线估算方法，其特征在于，步骤4中所述的Morlet母小波函数为：
Figure 131326DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure 72738DEST_PATH_IMAGE005
为频段参数，
Figure 451766DEST_PATH_IMAGE006
为中心参数，t为锂离子电池充放电时间。
5.如权利要求4所述的一种锂离子电池温度在线估算方法，其特征在于，步骤4中Morlet母小波函数的共轭函数Ywt为：
Figure 580259DEST_PATH_IMAGE007
，其中，N为锂离子电池充放电时间内电池管理***对锂离子电池的单体电压以及电流进行取样的取样个数。
6.如权利要求5所述的一种锂离子电池温度在线估算方法，其特征在于，步骤5中所述的电压小波系数U为：
Figure 273409DEST_PATH_IMAGE008
，电流小波系数I为：
Figure 600485DEST_PATH_IMAGE009
。
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