一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法

【技术领域】

本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法。

【背景技术】

在各类储能电池中，锂离子电池以其能量密度高、功率密度高、能量转换效率高、循环寿命长、应用范围广、对环境友好等优势，成为当前最具应用前景的电力系统储能技术。锂离子电池的健康状态关系到锂离子电池的剩余寿命以及使用安全，目前常规的电池检测分析技术，往往是将电池的性能(容量、电压、内阻等)与电池解剖后对电极的理化测试分析结果相结合起来进行关联性研究。然而，动态阻抗检测技术不仅测试条件简单、时间短，而且能得到测试对象的电阻、阻抗、感抗等多种数据是一种无损测试手段。锂离子电池在长期使用过程中必然会发生老化或劣化，甚至在非常规使用条件下(过充、过放等)，锂离子电池会发生故障，这都会给人身财产安全带来一定的隐患，为了防止电池安全事故的发生，必须在线准确的估计出电池的健康状态。因此，用于锂离子电池健康状态估算的动态阻抗检测技术这一涵盖新能源、电动汽车和储能技术等多个战略新兴技术领域的交叉研究方向正逐渐成为新的热点。

常规的电化学交流阻抗谱测量一般是以某个恒电位或恒电流为激励信号，施加小幅度正弦交流电压或电流信号，测量电池反馈的交流电流或电压信号，解析出不同频率的相位角、幅值等，通过这些测量结果来表征评价电池。但是这种研究方式具有一定的局限性。首先，这是一种“静态”的研究方式，其技术方案和成果不完全适用于电池的动态特性，而电池的使用是一个动态变化的充放电过程，电池内部的电解质浓度、温度场、电势均在发生着变化，相应的电池的动态特性也在时刻发生变化。其次，对于电池动态特性的把握是从应用的角度希望能够更准确的认知电池的在线功能状态，高效安全地的管理电池，保障电池的长期安全稳定运行，而“静态”的研究方式不适合电池应用的现场，更偏重于基础性研究，不适合电池现场的测量和使用。而动态阻抗检测技术是指在锂离子电池工作的情况下，对电池进行的阻抗测试。通过研究不同老化状态以及不同故障的锂离子电池动态阻抗的各种参数，寻找动态阻抗与锂离子电池健康状态的关联关系。

但是，充放电过程中的锂离子电池有两个特点，一是锂离子电池的荷电状态一直在变化，阻抗谱的各个参数常常会有偏移，增加了筛选的难度；二是由于荷电状态(SOC)的变化，电池两端电压也在不断变化，这样会影响阻抗测试的低频部分，进而影响最终的检测结果。所以，要求动态阻抗测试速度必须快。

因此，有必要研究一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，能够实现车用锂离子电池健康状态的实时在线评估，大大缩短测量时间。

一方面，本发明提供一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，其特征在于，所述测量方法的步骤包括：

S1、对锂离子电池进行1C恒流充电至第一截止电压；再恒压充电至0.02C，静置；

S2、以1C速度进行放电至第二截至电压；回到步骤S1进行充放电循环，直至满足循环次数后进入下一步；

S3、按照国标对锂离子电池进行容量标定，判断是否满足健康条件，若是进入下一步，否则回到步骤S1；

S4、对锂离子电池进行1C/1C的充放电程序，达到预设荷电状态时进行动态阻抗检测，获得动态阻抗的谱图；

S5、根据图谱得到反映电池健康状态的核心频率段；

S6、将核心频率段合成一个多频谱波，用所述多频谱波对锂离子电池进行测试；该锂离子电池为步骤S4中处理后的锂离子电池。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一截止电压为3.65V；所述第二截止电压为2.5V。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述循环次数为100次。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中的健康条件为：放出的容量与电池标称容量的比值达到预期健康状态。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述预期健康状态包括60％、70％、80％和100％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4的具体内容包括：

S41、对动态阻抗测试设备的稳定性进行测试，满足稳定性条件后进入下一步；

S42、将锂离子电池同时与充放电测试系统以及动态阻抗测试设备连接，进行充放电且满足荷电条件时开启动态阻抗检测设备进行阻抗检测，并获得不同SOC区间内的动态阻抗的谱图。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S42中采用多频谱快速傅里叶变换法获得谱图。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S42中的荷电条件具体包括0％、20％、40％、50％、60％、80％和100％。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中核心频率段具体为0.06Hz-1.6Hz。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述核心频率段优选为0.63Hz-1.3Hz。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中动态阻抗检测时动态阻抗测试设的频率范围设置为100KHz-10MHz，激励电流为2A。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明采用锂离子电池健康状态对应着动态阻抗谱的不同频段和参数，在全谱中筛选最能反映锂离子电池健康状态的核心频段和参数；在本申请的核心频率段(尤其是0.63-1.3Hz)区间内动力电池的健康状态与阻抗的实部的对数成线性变化，通过将该频率段合成一个多频谐波测试时间从六分钟降为不到一分钟，大大缩短了测量时间，可以实现对车用锂离子电池健康状态的实时在线监测；相较于现有技术的正弦波激励电化学阻抗测试方法，本方法具有测试速度快、测试所需时间短的特点。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法的流程图；

图2是本发明一个实施例提供的不同健康状态的LiFePO

图3是本发明一个实施例提供的在某一特定频率1.1Hz下不同健康状态与Log(|Z|)的线性关系图；

图4是本发明一个实施例提供的不同健康状态的LiFePO

图5是本发明一个实施例提供的在某一特定频率1Hz下不同健康状态与Log(|Z|)的线性关系图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

针对现有技术的不足，本发明提供一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，属于新能源、电动汽车和储能技术等多个战略新兴技术领域的交叉研究领域。

如图1所示，锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法的步骤包括：

步骤1、将商用动力电池1C恒流充电到截止电压3.65V，再恒压(恒压的压值范围可以是3.6-3.7V(±0.05V))充电到0.02C，静置，1C放电到截至电压2.5V的程序进行充放电循环；

步骤2、每100周按照国标进行容量标定，直到电池从满电状态以一定倍率放电到截止电压所放出的容量与其标称容量的比值即健康状态(SOH)达到预期健康状态为止；

步骤3、将锂离子电池同时连接充放电测试系统和动态阻抗测试仪，对锂离子电池进行充放电之前，先测试动态阻抗测试仪的稳定性并设置测试程序；

步骤4、设置1C/1C的充放电程序，开始对锂离子电池进行充放电，让锂离子电池处于在线状态，到达一定荷电状态后，开启动态阻抗检测程序，由于采取了多频谱快速傅里叶变换法，一次性得到谱图；多频谱快速傅里叶变换法是一种算法，所有几乎阻抗测试仪都集成了这一模块，可以将一个信号变换到频域，有些信号在时域上是很难看出特征的，但变换到频域之后就容易看出规律，该算法是电化学阻抗谱常用算法。

步骤5、通过电化学阻抗拟合软件分析得到图谱，找到最能反映健康状态的核心频率段，最后将该频率段合成一个多频谐波测试商用电池的健康状态。通过动态阻抗的关键参数，研究动态阻抗与锂离子电池健康状态的关联关系。该方法具有测试速度快、测量时间短，可以实现对车用锂离子电池健康状态的实时在线测量，具有广泛的应用前景。

各步骤的具体内容为：

(1)将商用磷酸铁锂动力电池以1C恒流充电到截止电压3.65V，再恒压充电到0.02C，静置，1C放电到截至电压2.5V的程序进行充放电循环；

商用磷酸铁锂动力电池正极材料为LiFePO

(2)每100次循环按照国标1C充放电对动力电池进行容量标定，直到达到预期健康状态(60％、70％、80％和100％)；

商用动力电池为商用棱柱型铝壳装磷酸铁锂电池，电池标称容量为25Ah，尺寸为20.5*173*119mm，电压范围为2.5-3.65V。为获取本实验所需的不同健康状态的锂离子电池，对常规老化1C/1C后的大量电池进行筛选，筛选流程如下：先采用1C恒流放电，截止电压为2.5V，静置30分钟，随后采用1C恒流充电，截止电压为3.65V，最后采用恒压充电，截至电流为0.02C(即0.5A)。该过程循环3次，取三次放电容量的平均值作为该电池的实际容量。其实际容量与筛选容量误差不超过2％。最终收集到健康状态分别为60％、70％、80％和100％的动力电池。

(3)将商用锂离子电池同时连接充放电测试系统和动态阻抗测试仪；在电池进行充放电之前，先在动态阻抗测试仪上设置测试程序；

在动态阻抗测试仪上设置频率范围为100KHz-10MHz，激励电流为2A。步骤为：首先将电池的电量放完，然后以设定的倍率1C进行充电直到将电池电量充满；随后开始进行放电阶段的动态阻抗测试，同样是间断性1C放电，每放入一定容量。停止放电，静置30min。分别在放电的过程中进行动态阻抗谱的测试，得到不同SOC区间内的动态阻抗的谱图。

(4)在充放电测试仪上设置1C/1C的充放电程序，对锂离子电池进行充放电，让锂离子电池始终处于在线状态，到达一定荷电状态后，开启动态阻抗检测程序，由于采取了多频谱快速傅里叶变换法，一次性得到谱图；

荷电状态(即剩余电量)分别为0％、20％、40％、50％、60％、80％、100％，每达到一种荷电状态进行一次动态阻抗检测。

(5)利用Z-View拟合软件分析得到图谱，找到最能反映健康状态的核心频率段(核心频率段为0.06Hz-1.6Hz，尤其是0.63-1.3Hz区间内，该频率段最能反映电池的健康状态)，大量重复以上实验，最后将该频率段合成一个多频谐波测试商用电池的健康状态。通过动态阻抗的关键参数，研究动态阻抗与锂离子电池健康状态的关联关系，通过研究动态阻抗的关键参数与健康状态的关系，得出动力电池的健康状态与阻抗的实部的对数成线性变化。本发明测量方法的图谱分析结果如图2-图5所示。

将上述核心频率段合成一个多频谐波测试时间从六分钟降为不到一分钟，大大减少了测量时间。

本申请的国标可以是GB/T35590-2017，也可以是其他。

实施例1：

一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，包括以下步骤：

(1)将商用LiFePO

(2)每100周按照国标对动力电池进行容量标定，首先，采用1C恒流放电，截止电压为2.5V，静置30分钟，随后采用1C恒流充电，截止电压为3.65V，最后采用恒压充电，截至电流为0.02C(即0.5A)。该过程循环3次，取三次放电容量的平均值作为该电池的实际容量。其实际容量与筛选容量误差不超过2％。最终收集到健康状态分别为60％、70％、80％和100％的动力电池。直到达到预期健康状态(60％、70％、80％和100％)；

(3)将不同健康状态的商用锂离子电池同时连接充放电测试系统和动态阻抗测试仪，在电池进行充放电之前，先在日本横河动态阻抗测试仪上设置频率范围为100KHz-10mHz，激励电流为2A；

(4)首先，将电池的电量放完，然后在充放电测试仪上设定1C的倍率进行充电直到将电池电量充满；随后开始进行放电阶段的动态阻抗测试，同样是间断性1C放电，每放入一定容量。停止放电，静置30min.分别在放电的过程中进行动态阻抗谱的测试，得到不同SOC区间内的动态阻抗的谱图；

(5)利用Z-View拟合软件分析得到图谱，找到最能反映健康状态的核心频率段。研究发现，在核心频率段0.63-1.3Hz区间内动力电池的健康状态与阻抗的实部的对数成线性变化，通过将该频率段合成一个多频谐波测试时间从六分钟降为不到一分钟，大大缩短了测量时间。

实施例2：一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，包括以下步骤：

(1)将筛选出的不同健康状态的商用LiFePO

(2)将不同健康状态的商用锂离子电池同时连接充放电测试系统和动态阻抗测试仪，在电池进行充放电之前，先在动态阻抗测试仪上设置频率范围为100KHz-10mHz，激励电流为2A；

(4)随后开始进行放电阶段的动态阻抗测试，同样是间断性1C放电，每放入一定容量。停止放电，静置30min。分别在放电的过程中进行动态阻抗谱的测试，得到不同SOC区间内的动态阻抗的谱图；

(5)利用Z-View拟合软件分析得到图谱，找到最能反映健康状态的核心频率段。研究发现，在核心频率段0.06Hz-1.6Hz区间内动力电池的健康状态与阻抗的实部的对数成线性变化。

本发明通过将该频率段合成一个多频谐波测试时间从六分钟降为不到一分钟，大大缩短了测量时间。

以上对本申请实施例所提供的一种锂离子电池健康状态的动态阻抗快速测量方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。