CN112881929B - 基于阶梯波的锂离子电池eis低频段在线测量方法 - Google Patents

基于阶梯波的锂离子电池eis低频段在线测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池阻抗快速测量技术领域，涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括基于锂离子电池电化学反应特性和实际需要确定合适的阶梯波阶梯数以及电流幅值；对锂离子电池施加合适频率范围的阶梯波电流，对采样得到的阶梯波电流和响应电压进行正弦拟合，得到所需低频段的阻抗值，进而组成锂离子电池的低频段电化学阻抗谱，即低频段EIS。该低频段EIS在线测量方法能够准确反应锂离子电池的低频段阻抗信息；具有锂离子电池低频段EIS测试结果精度高，工程易于实现等效果，为电池健康状态快速评估和安全预警提供有效技术支撑。

Description

基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法
技术领域
本发明属于电池阻抗快速测量技术领域，涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS(电化学阻抗谱，Electrochemical Impedance Spectroscopy)低频段在线测量方法，尤其涉及一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法。
背景技术
锂离子电池的性能检测、状态评估和安全预警一直是锂离子电池使用过程中需要重点解决的问题，但在实际使用过程中，由于锂离子电池运行工况复杂、测试数据有限，难以准确地判断锂离子电池的状态、评估锂离子电池的性能。在实验室研究中，发现通过分析电化学阻抗谱的低频段数据，可以得到较多重要的电池性能与状态信息。尤其是在实现锂离子电池健康状态快速评估，容量跳水预警和热失控预警时，电化学阻抗谱的低频段数据显得更为重要。
然而，传统的EIS测量方法由于需要专门的设备输出正弦波激励，因此在实际应用中很难实现；目前工程上已有的方波测量EIS方法，是通过对方波进行分解的方式得到相应的正弦波。由于分解后得到的谐波幅值和基波幅值存在差异，在EIS低频段的误差相对较大，因此进一步提高测量精度变得十分必要。阶梯波与正弦波激励更为接近，各频率的幅值一致，从机理上优于方波；而且用充电机设备可以输出所需工况，采样频率要求不高，易于工程实现。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法，能够改善现有技术在工程中无法实现锂离子电池EIS低频段的在线高精度测量和正弦电流测试EIS等问题。
为达到以上目的，本发明专利采用如下技术方案：
一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括如下步骤：
S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试所需的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数 N，
yn＝Asin((n-1)H+H/2) (1)
其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，
H＝2π/N (2)；
S2、根据所需等效的电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值，即y1,y2,…,yn；
S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，计算每一个频率下施加阶梯波电流的总时间T，进而确定不同频率下阶梯波电流中每一个阶梯的电流持续时间t，将每个频率下的阶梯波电流组合后得到变频阶梯波电流谱；
S4、对锂离子电池施加变频阶梯波电流谱，根据采样定理选取合适的采样频率，对阶梯波电流和阶梯波响应电压进行采样，随着采样设备的采样频率的提高，所述阶梯波电流的频率范围可以向上拓展；
S5、将采样得到的不同频率下的阶梯波电流和阶梯波响应电压分别进行正弦拟合，得到不同频率下拟合的正弦电流和正弦响应电压；
S6、将对应频率下拟合后的锂离子电池正弦响应电压除以正弦电流，得到该频率下的复数阻抗，进而组合不同频率下的阻抗值得到低频段的电化学阻抗谱。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中，所述N一般取10即可，即10个相同间隔。N取值越大，阶梯波电流等效为正弦波电流的效果越好，但阶梯数N越大，对应每一个阶梯的电流持续时间t就会越小，不利于实际应用；若N取值太小，就无法等效正弦波电流。
在上述技术方案的基础上，在步骤S3中，若阶梯波电流的频率为f，则阶梯波电流的总时间T由公式(3)计算，
T＝1/f (3)
对应该频率下每一个阶梯的电流持续时间t由公式(4)计算，
t＝T/N (4)。
在上述技术方案的基础上，所述阶梯波响应电压为锂离子电池受到阶梯波电流激励后，锂离子电池电压的变化值ΔU，其表达式如式 (5)所示，
ΔU＝UO-UOCV (5)
其中，UO为锂离子电池受到阶梯波电流激励后的端电压，UOCV为锂离子电池的开路电压。
在上述技术方案的基础上，步骤S6所述得到该频率下的复数阻抗的公式如式(6)、(7)和(8)所示，
Figure GDA0003286516760000031
Re＝Z·cosθ (7)
Im＝Z·sinθ (8)
其中，ΔU为正弦响应电压的幅值，即锂离子电池电压的变化值ΔU、
Figure GDA0003286516760000032
为正弦响应电压的相角、I为正弦电流的幅值、α为正弦电流的相角，Z为阻抗，θ为阻抗角、Re为阻抗实部，Im为阻抗虚部。
在上述技术方案的基础上，所述ΔU、
Figure GDA0003286516760000033
I和α均通过步骤S5 所述拟合的正弦电流和正弦响应电压数据获得。
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
本发明所述的一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线高精度测量方法，具有以下有益技术效果：
1、通过阶梯波电流进行EIS低频段测试，能够从机理上更好地等效正弦波EIS测试，相比方波EIS测试得到的正弦波更为精准，同时没有了傅里叶分解的处理过程，减少了计算误差，精度更高；
2、提供了一种工程上在线测试锂离子电池EIS低频段的方法，在线实时掌握锂离子电池的韦伯阻抗信息，为锂离子电池健康状态快速评估和安全预警提供有效方法和数据支撑；
4、在低频段进行基于阶梯波的锂离子电池EIS测量方法，采样频率要求不高，数据量不大，非常适合在线实时测量，尤其非常适合应用于实际车辆的锂离子电池电化学性能检测、健康状态快速评估和安全预警等。
附图说明
本发明有如下附图：
图1本发明所述方法的流程示意图；
图2频率为0.5Hz、等效正弦电流波幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压曲线示意图；
图3频率为0.5Hz、等效正弦电流波幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压的正弦拟合曲线示意图；
图4阶梯波激励与正弦激励下的Nyquist图；
图5阶梯波激励与正弦激励下的实部阻抗Bode图；
图6阶梯波激励与正弦激励下的虚部阻抗Bode图；
图7阶梯波激励、方波激励与正弦波激励下低频段的Nyqusit 对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明所述的一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，包括如下步骤：
S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试所需的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数 N，
yn＝Asin((n-1)H+H/2) (1)
其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，
H＝2π/N (2)
S2、根据所需等效的电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值，即y1,y2,…,yn；
S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，即图1所示，确定EIS测试频率范围；计算每一个频率下施加阶梯波电流的总时间T，进而确定不同频率下阶梯波电流中每一个阶梯的电流持续时间t，将每个频率下的阶梯波电流组合后得到变频阶梯波电流谱；
S4、对锂离子电池施加变频阶梯波电流谱，根据采样定理选取合适的采样频率，对阶梯波电流和阶梯波响应电压(如图1所示，简称响应电压)进行采样，随着采样设备的采样频率的提高，所述阶梯波电流的频率范围可以向上拓展；
S5、将采样得到的不同频率下的阶梯波电流和阶梯波响应电压分别进行正弦拟合，得到不同频率下拟合的正弦电流和正弦响应电压；
S6、将对应频率下拟合后的正弦响应电压除以正弦电流，得到该频率下的阻抗，进而组合不同频率下的阻抗值得到低频段的电化学阻抗谱，即图1所示，阶梯波EIS。
在上述技术方案的基础上，步骤S1中，所述N一般取10即可，即10个相同间隔。N取值越大，阶梯波电流等效为正弦波电流的效果越好，但阶梯数N越大，对应每一个阶梯的电流持续时间t就会越小，不利于实际应用；若N取值太小，就无法等效正弦波电流。
在上述技术方案的基础上，在步骤S3中，若阶梯波电流的频率为f，则该频率下阶梯波电流的总时间T由公式(3)计算，
T＝1/f (3)
对应该频率下每一个阶梯的电流持续时间t由公式(4)计算，
t＝T/N (4)
在上述技术方案的基础上，所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
以下具体实施以某品牌的三元材料动力电池为例进行说明。
在锂离子电池荷电状态(SOC)为96％时，根据所需测量电化学阻抗谱的范围，选定如表1所示频率点的阶梯波电流对锂离子电池进行激励。
表1阶梯波电流选取频率点列表
Figure GDA0003286516760000062
将一个周期的正弦波等效成阶梯数N为10的阶梯波，即将一个周期分为等间隔的10段。
选取正弦电流激励的幅值(即电化学阻抗谱测试的电流幅值)为 8A，根据公式(1)计算出10段阶梯波电流的每一段阶梯的电流幅值。再根据表1所述频率，确定每个频率点下，每一段阶梯波的电流持续时间。对锂离子电池施加设定好的阶梯波电流，采样就可以得到对应频率下的响应电压信号。图2是施加的频率为0.5Hz、等效正弦电流波幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压曲线示意图。
将采样得到的阶梯波电流激励和电压响应分别进行正弦拟合，就可以得到等效的正弦波电流激励和正弦波电压响应。图3是施加的频率为0.5Hz、等效正弦波电流幅值为8A的阶梯波电流与其激励下的锂离子电池响应电压的正弦拟合曲线示意图。
此处用到的阶梯波响应电压为锂离子电池受到阶梯波电流激励后，锂离子电池电压的变化值ΔU，其表达式如式(5)所示，
ΔU＝UO-UOCV (5)
其中，UO为锂离子电池受到阶梯波电流激励后的端电压，UOCV为锂离子电池的开路电压。
接着，用每个频率下正弦拟合后得到的锂离子电池正弦响应电压除以激励电流(即正弦电流)，就可以得到复数阻抗，如公式(6)、 (7)和(8)所示：
Figure GDA0003286516760000071
Re＝Z·cosθ (7)
Im＝Z·sinθ (8)
其中，ΔU为正弦响应电压的幅值，即锂离子电池电压的变化值ΔU，
Figure GDA0003286516760000072
为正弦响应电压的相角、I为激励电流的幅值、α为激励电流的相角，均可以通过阶梯波拟合后的正弦波数据(即步骤S5所述拟合的正弦电流和正弦响应电压数据)得到，Z为阻抗，θ为阻抗角、 Re为阻抗实部，Im为阻抗虚部。
在本例中，得到的阻抗如图4所示。可以发现，阶梯波EIS与正弦波EIS低频段曲线基本重合，吻合度极高。
分析阻抗的实部，如图5所示，阶梯波得到的阻抗实部和正弦波得到的阻抗实部基本相同，误差极其微小。
分析阻抗的虚部，如图6所示，阶梯波得到的阻抗虚部和正弦波得到的阻抗虚部基本相同，误差同样十分微小。
从整体来看，阶梯波测量EIS低频段可以很好地等效正弦波低频段，误差十分微小，因此这种方法在工程上的可行性也比较高。
对比现在已经提出的方波EIS测试方法，虽然它可以测量出EIS 的整段曲线，但由于其涉及到了傅里叶分解，分解过程中的计算误差增大了方波EIS测试的结果误差。尤其在低频段，如图7所示，方波 EIS测量方法误差很大，每一段傅里叶分解后得到的非基波值，都会会远远偏离正弦波EIS的实际值，这在实际应用中增大了对数据点选取和处理的难度。然而，阶梯波可以很好地等效正弦波，无需傅里叶分解过程，减少了计算误差的同时又足够准确。
传统的正弦EIS在实际工程中难以应用的主要原因是正弦波激励在实际应用时很难产生，但阶梯波激励在实际应用中易于实现，因此通过阶梯波在线测量EIS低频段的方法对实际工程具有重要意义。另一方面，当前已有的方波测量EIS方法虽然是针对实际工程应用的，但这种方法因为涉及到方波分解，分解后得到正弦值误差相对阶梯波拟合后正弦值的误差要更大，不能准确地得到EIS低频段的信息。因此通过阶梯波在线准确测量EIS低频段的信息，对于现有实际应用十分必要。
阶梯波在线测量EIS低频段的方法可以应用于实际车辆的锂离子电池电化学性能检测、健康状态快速评估和安全预警等方面。
显然，本发明涉及的列举案例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动，仍处于本发明的保护范围之列。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的实质和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范围。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据公式(1)将电化学阻抗谱测试的正弦波电流等效为阶梯波电流，确定一个周期正弦波电流对应阶梯波电流的阶梯数N，
yn＝Asin((n-1)H+H/2) (1)
其中，yn表示第n个阶梯的电流幅值，A表示电化学阻抗谱测试的电流幅值，n＝1,2,3,…,N，表示阶梯波电流中的第几个阶梯，N表示阶梯数，H由公式(2)计算，
H＝2π/N (2)；
S2、根据电化学阻抗谱测试的正弦波电流幅值，确定阶梯波电流中每一个阶梯的电流幅值；
S3、对锂离子电池施加阶梯波电流，根据实际需要确定施加阶梯波电流的频率范围，计算每一个频率下施加阶梯波电流的总时间T，进而确定不同频率下阶梯波电流中每一个阶梯的电流持续时间t，将每个频率下的阶梯波电流组合后得到变频阶梯波电流谱；
S4、对锂离子电池施加变频阶梯波电流谱，根据采样定理选取合适的采样频率，对阶梯波电流和阶梯波响应电压进行采样；
S5、将采样得到的不同频率下的阶梯波电流和阶梯波响应电压分别进行正弦拟合，得到不同频率下拟合的正弦电流和正弦响应电压；
S6、将对应频率下拟合后的锂离子电池正弦响应电压除以正弦电流，得到该频率下的复数阻抗，进而组合不同频率下的阻抗值得到低频段的电化学阻抗谱；
步骤S1中，所述N取10。
2.如权利要求1所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：在步骤S3中，若阶梯波电流的频率为f，则阶梯波电流的总时间T由公式(3)计算，
T＝1/f (3)
对应该频率下每一个阶梯的电流持续时间t由公式(4)计算，
t＝T/N (4)。
3.如权利要求1所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：所述阶梯波响应电压为锂离子电池受到阶梯波电流激励后，锂离子电池电压的变化值ΔU，其表达式如式(5)所示，ΔU＝UO-UOCV (5)
其中，UO为锂离子电池受到阶梯波电流激励后的端电压，UOCV为锂离子电池的开路电压。
4.如权利要求1或3所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：步骤S6所述得到该频率下的复数阻抗的公式如式(6)、(7)和(8)所示，
Figure FDA0003286516750000021
Re＝Z·cosθ (7)
Im＝Z·sinθ (8)
其中，ΔU为正弦响应电压的幅值、
Figure FDA0003286516750000022
为正弦响应电压的相角、I为正弦电流的幅值、α为正弦电流的相角，Z为阻抗，θ为阻抗角、Re为阻抗实部，Im为阻抗虚部。
5.如权利要求4所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：所述ΔU、
Figure FDA0003286516750000023
I和α均通过步骤S5所述拟合的正弦电流和正弦响应电压数据获得。
6.如权利要求1所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法，其特征在于：所述锂离子电池为锰酸锂动力电池、磷酸铁锂动力电池或三元材料动力电池。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述基于阶梯波的锂离子电池EIS低频段在线测量方法在锂离子电池健康状态快速评估，容量跳水预警和热失控预警中的应用。
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