基于动态阻抗测量的锂离子内部温度预测方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池状态监测技术领域，且特别涉及一种基于动态阻抗测量的锂离子内部温度预测方法。

背景技术人家

随着风能和太阳能等可再生资源的迅速发展，世界各地对电网储能规模的需求继续增加。电网规模的储能有助于促进可再生能源的发展，并为电网提供辅助服务。目前，锂离子电池由于其高能量密度、不断降低的价格、良好的性能，应用方面十分广泛。然而，锂离子电池的运行需要保持在一个合适的温度范围中。温度太高，会破坏电池内的化学平衡，导致副反应，影响电池性能。高温下电池材料的性能会发生退化，电池循环寿命也将大大缩短。并且，一旦锂离子电池发生过热、过度充电或针刺、挤压，容易发展成热失控，并进一步导致起火乃至爆炸。

而现如今的设备无法达到实时监控，因此在运行过程中无法实时得到电池内部温度。因此，有必要开发一种可靠的方法来预测锂离子电池的内部温度，并以此作为运行和维护的依据，可以保证电池的性能、延长电池寿命，也可以避免热失控、爆炸等事故，保证电池和储能系统的安全。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决能够预测锂离子电池的内部温度，并以此作为运行和维护的依据，可以保证电池的性能、延长电池寿命的问题，本发明提供了一种基于动态阻抗测量的锂离子内部温度预测方法。

为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

在目标状态下使用目标方法得到目标电池的目标动态阻抗，所述目标状态包括充电、放电和静置状态，所述目标方法是电流激励型动态阻抗测量方法，所述目标电池指锂离子电池，所述目标动态阻抗是目标电池在0.1Hz～5kHz之内受内部温度影响较大的频率下的整体阻抗；基于目标状态下的动态阻抗，计算电池内部的温度。

针对特定电池，通过实验确定受内部温度影响较大的动态阻抗的频率，将该频率下的动态阻抗作为计算内部温度的依据，并通过实验获得动态阻抗-内部温度映射曲线。通过动态阻抗测量设备获得目标在最适合频率上的动态阻抗。根据动态阻抗及内部温度-动态阻抗的标定曲线，获得电池实时的内部温度。

基于以上计算出得到的内部温度，指导运维操作，保证电池的性能、延长电池寿命，并避免电池热失控、爆炸等事故，具体操作方式包括：

在内部温度过高时适当减少电池的输出功率，以保证电池的性能。

在长期运行中使电池内部温度保持在一个限值一下，以延长电池的寿命；

当电池内部温度发生突变时，及时切断电池与充放电设备的连接。

进一步地，所述动态阻抗测试方法所需设备包括依次连接的；

多路信号选择器，用于切换被测电池；

激励电流源，用于向整个电池串联单元输出正弦激励电流；

仪表放大器，用于对被测电池两端的电压去直流、滤波；

编程增益放大器，用于滤波后电压交流分量的放大。

模数转换器，用于采集滤波放大电路输出的电压值；

数字信号处理器，通过傅里叶变换计算得出每个电池在特定频率下的电压分量，进而计算得到动态阻抗值。

工作原理：本申请前期通过本申请所设计的动态阻抗测试设备，测量目标电池在目标温度下充分静置直到内部温度与目标温度相同时的动态阻抗，然后多次改变目标温度重复以上测试得到动态阻抗-内部温度映射曲线；后期通过实时监测到动态阻抗即可得到目标电池内部的实时温度，能够有效的根据实时温度进行对电池的调控监测，避免了风险。

本发明的有益效果如下：

1.本申请所设计的动态阻抗测试设备来对目标电池在目标状态下测试到的动态阻抗并以此计算出其相应的内部温度，然后通过计算出的内部温度作为运行和维护的依据，可以保证电池的性能、延长电池寿命，也可以避免热失控、爆炸等事故，保证电池和储能系统的安全。

2.本申请的设计的监控设备制备简单且监控准确，并且能够实时在线监控。

附图说明

图1是本公开实施例示出的一种基于动态阻抗测量的锂离子内部温度预测方法的流程图。

图2是本公开实施例示出的目标电池动态阻抗随内部温度变化的映射图。

图3是本公开实施例示出的目标电池正常充电时预测的内部温度、测量的内部温度和表面温度的变化图。

图4是本公开实施例示出的在电池过充时内部温度的变化图。

图5是本公开实施例示出的在内部植入探针的电池的内部温度、表面温度的变化图。

图6是本公开实施例示出的动态阻抗设备的结构图；

具体实施方案

下面结合以下实施例对本发明作进一步详细描述。

这里将结合附图详细地对示例性实施例进行说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。它们仅是与所附权利要求书中所详述的一些方面相一致的方法和装置的例子。

为了便于理解，在对本公开实施例进行详细地解释说明之前，先对本公开实施例的应用场景进行介绍。

这里将结合附图详细地对示例性实施例进行说明。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为了便于理解，在对本公开实施例进行详细地解释说明之前，先对本公开实施例的应用场景进行介绍。

在运行时及时获知电池的内部温度十分重要。因此，有必要开发一种可靠的方法来预测锂离子电池的内部温度，并以此作为运行和维护的依据，可以保证电池的性能、延长电池寿命，也可以避免热失控、爆炸等事故，保证电池和储能系统的安全。

当然，本公开实施例不止可以应用于上述场景中，实际应用中，可能还可以应用于其他的应用场景中，在此本公开实施例对其他应用场景不再一一列举。

图1是本公开实施例示出的一种基于动态阻抗的锂离子电池早期安全预警方法的流程图，动态阻抗是由锂离子电池的欧姆阻抗、固体电解液阻抗、电极极化阻抗和浓度极化阻抗四部分阻抗之和。

该动态阻抗的测量方法是一种基于动态阻抗测量的锂离子内部温度预测方法，所述动态阻抗测量设备包括：

多路信号选择器，用于切换被测电池；

激励电流源，用于向整个电池串联单元输出正弦激励电流；

仪表放大器，用于对被测电池两端的电压去直流、滤波；

编程增益放大器，用于滤波后电压交流分量的放大。

模数转换器，用于采集滤波放大电路输出的电压值；

数字信号处理器，通过傅里叶变换计算得出每个电池在特定频率下的电压分量，进而计算得到动态阻抗值。

通过所述动态阻抗测量设备判断电池安全状态的方法包括以下步骤：

在步骤101中，阐释了专利的作用，即：在目标状态下使用目标方法得到目标电池的目标动态阻抗，所述目标状态包括充电、放电和静置状态，所述目标方法是电流激励型动态阻抗测量方法，所述目标电池指锂离子电池，所述目标动态阻抗是目标电池在0.1Hz～5kHz之内受内部温度影响较大的频率下的整体阻抗；基于目标状态下的动态阻抗，计算电池内部的温度。

在步骤102中，阐释了本专利依据的预测基础，即：针对特定电池，通过实验确定受内部温度影响较大的动态阻抗的频率，将该频率下的动态阻抗作为计算内部温度的依据，并通过实验获得动态阻抗-内部温度映射曲线，通过动态阻抗测量设备获得目标在最适合频率上的动态阻抗，根据动态阻抗及内部温度-动态阻抗的标定曲线，获得电池实时的内部温度。

在步骤103中，阐释了本专利在实际运行中的实施方法，即：通过在获取目标状态下目标电池的目标动态阻抗，预测内部温度，可以判断目标电池的运行状态，是否存在热失控的风险，进行运维操作，包括：在内部温度过高时适当减少电池的输出功率，以保证电池的性能；在长期运行中使电池内部温度保持在一个限值一下，以延长电池的寿命；当电池内部温度发生突变时，及时切断电池与充放电设备的连接，保护电池、储能系统和人员安全。

在步骤104中，阐释了本专利在实际运行中的如何指导运维操作。具体包括：在内部温度过高时适当减少电池的输出功率，以保证电池的性能；在长期运行中使电池内部温度保持在一个限值一下，以延长电池的寿命；当电池内部温度发生突变时，及时切断电池与充放电设备的连接，保护电池、储能系统和人员安全。

基于该目标状态下的目标动态阻抗，进行多组内部温度预测实验。结果表明，当电池内部温度因充放电而升高时，或因静置而减小时，阻抗也会发生相应变化。

例如，以24Ah磷酸铁锂电池为例，内部温度与各频率的动态阻抗的关系，如图2所述。可见各频率的动态阻抗随温度的升高有很明显的下降趋势。其中低频段的变化范围更大。该曲线就是本专利所述的特定电池的动态阻抗-内部温度映射曲线。

依据阻抗计算出来的内部温度与实际的内部温度具有很高重合度。

例如，以24Ah磷酸铁锂电池为例，在植入温度探头后，1C充电时预测的内部温度、测量的内部温度和表面温度如图3所述。可见在充电过程中内部温度的增长幅度比表面温度大，这符合客观事实。此外，预测的内部温度与实际测量的内部温度保持接近，变化趋势也相同，体现了本专利的有效性。由于在实际运行中无法使用植入温度探头的电池，因此本预测内部温度的方法具有很高的实用价值。

例如，以13Ah磷酸铁锂电池为例，过充实验如图4所示。过充电从3262秒开始，如图中箭头所指。以50℃为预警温度，在过充阶段，基于内部温度越限的预警时间比表面温度越限提前591秒。内外温度越限时刻的电池如图中照片所示，可见根据内部温度做出的预警早于电池表面发生鼓包的时间，能够有效防止电池的热失控、爆炸等。此外，不同于图1和图2，本实验的对象为13Ah磷酸铁锂电池，证明了本专利在多种电池上的适用性。

例如，以13Ah磷酸铁锂电池为例(厚度21mm)，针刺实验如图5所示。在877秒、1048秒、1413秒分别插入钢针，探针深度为5mm，10mm和18mm。可见在插入钢针后预测的内部温度开始增长，并持续高于表面温度。退出钢针后内部温度出现较大幅度的减小。

上述所有可选技术方案，均可按照任意结合形成本公开的可选实施例，本公开实施例对此不再一一赘述。

综上所述，本公开能够通过动态阻抗的测量，计算锂离子电池的内部温度，通过内部温度指导运维操作，保证电池性能、延长电池寿命，并避免电池热失控、爆炸等事故。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

以上所述，仅为本发明的较佳的实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，本领域的技术人员运用本发明的说明书内容所作的一些同等结构变动和润饰，应包含在本发明的保护范围内。