基于电化学阻抗谱的锂离子电池内部温度在线估计方法研究

锂离子动力电池内部的电化学反应容易受到温度的影响,造成电池输出功率与容量的变化。为准确预估电池内部温度,为电池管理系统提供基础,文章对具有不同荷电状态(state of charge,SOC)、不同健康状态(state of health,SOH)的锂离子电池在较宽温度范围内进行基于电化学阻抗谱的测量和研究,从而提出基于电化学阻抗谱的电池内部温度在线估计方法。试验结果表明,在频率10～1000Hz范围内,阻抗谱虚部在锂电池正常工作温度范围(5～55℃)内不受SOC与SOH状态的影响。但是随温度变化较为敏感,可以作为温度评估的特征参量。之后,根据不同频率对于锂电池不同电化学反应的表征,选取10与100Hz作为电池内部温度估计的激励频率,并探究电池阻抗谱虚部值与其内部温度的内在联系,有效建立锂离子电池内部温度评估模型。最后,验证试验结果表明,文中所建立的温度评估模型能够将温度评估误差控制在1.58℃内。研究证明阻抗谱虚部对电池温度具有良好的表征能力,可为电池温度控制策略提供参考,改善电池工作过程中的温升问题。     

电化学阻抗谱测量与应用研究综述

电化学阻抗谱(EIS)是一种广泛应用的锂离子电池无损表征方法,其表征的阻抗是确定电池工作边界、评估性能和跟踪功能状态的关键之一,它已被广泛应用于锂离子电池的研究,可用于电池筛选、运维以及性能评估等各环节.综述了基于电化学阻抗谱的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)估计的应用概况,并概述了电化学阻抗谱测量的频域和时域方法.总结了电化学阻抗谱在电池状态估计中的应用前景和挑战,展望了电化学阻抗谱应用的发展方向.     

基于电化学阻抗谱的锂电池过充电阻抗特性与检测方法研究

目前以锂电池为主的电化学储能单元及系统应用日益广泛,而锂电池在实际使用中频发因过充电滥用引发电池故障的情况,因此实际电池的过充电状态准确检测一直是该领域的难点和瓶颈问题。针对此,该文采用电化学阻抗谱技术对单体电池过充电行为及过程开展检测研究,在实验室设计并制定电池过充电模拟循环实验,利用弛豫时间分布法对锂电池阻抗特性进行分析;在获得电池阻抗特性的基础上,对电池弛豫时间分布曲线进行解析;最后筛选阻抗特征参量为模型输入量,构建支持向量机模型进行电池过充电检测。结果表明,弛豫时间分布曲线中的极化峰P₁对应锂离子在固态电解质界面(solid electrolyte interphase,SEI)膜中的扩散过程、极化峰P₂对应电子在正极材料中的扩散过程、极化峰P₃对应锂离子在电极界面的氧化还原反应。过充电会导致电池欧姆内阻、SEI膜内阻与电荷转移电阻的增长速率最大为正常循环的266%、360%和182%,其中固态电解质界面SEI膜内阻为主要因素。电化学阻抗谱的阻抗特征参量以及支持向量机模型可以用于锂电池过充电检测,估计精度达93....     

电化学阻抗谱法预测锂电池荷电状态

为了准确预测使用过程中的电池荷电状态,提出了电化学阻抗谱预测法.通过试验曲线得知电池的阻抗图谱包含一个高频区的感抗弧和两个低频区的容抗弧,由此建立了锂电池合理的等效电路,并通过非线性拟合的最小二乘法和电化学知识相结合,解析了等效电路中的元件参数值.研究各参数随荷电状态变化的规律,发现阻抗模的最大值处的频率fmax、相角参数φ以及等效电容CS可用于锂电池荷电状态的分析和预测.     

基于电化学阻抗谱的锂离子电池过放电诱发内短路的检测方法

锂离子电池内短路(ISC)是电池发生热失控的主要原因，电池内短路尤其是过放电导致的内短路初期产热不明显，电压变化小，很难通过常规的观察电、热特征的方法对其进行检测。随着电池内短路的演化，电池内部结构逐渐发生改变，这些电池内部的变化可以在对电池具有良好表征性的电化学阻抗谱中得到体现。该文分别对不同荷电状态(SOC)、不同温度和不同内短路程度的电池进行电化学阻抗谱的测量和研究，筛选检测电池内短路所需的特征参数。结果表明，电池电化学阻抗谱的欧姆电阻R_o基本不受电池温度(25～45℃)、SOC的影响，但是对电池内短路程度较为敏感。为便于检测，该文选择电化学阻抗谱中参数特性和大小都基本和欧姆电阻一致的1 000 Hz频率阻抗的实部作为特征参数，通过监测电池循环过程中特征参数变化趋势来判断电池是否发生内短路。经实验验证，监测1 000 Hz频率阻抗实部值变化的方法可有效检测出电池过放电诱发的内短路，该方法不影响电池的正常循环使用，限制条件少且准确性高。     

基于二阶 RC 模型的锂电池充放电特性分析北大核心CSCD

为保证锂离子电池的安全健康使用,需要对锂离子的荷电状态进行实时估计,但由于电池内部复杂的电化学特性,且在辨识过程中辨识结果受温度、荷电状态和充放电倍率等非线性因素影响较大,实现准确的状态估计较为困难。文中首先基于二阶RC等效电路研究倍率充放电对锂电池的影响,另外为保证所建电池模型兼具较高精度和较好的实时性,根据最小二乘法对混合脉冲功率特性测试实验数据完成不同荷电状态下的数据拟合、参数辨识等工作,并依据扩展卡尔曼滤波完成对电池荷电状态的状态估计,并验证扩展卡尔曼滤波具备可实施性;最后搭建Simulink锂电池仿真模型并输出对比响应电压波形。实验结果表明该实验方法的有效性,输出电压与实验所得的电压变化趋势基本一致,为锂离子电池的管理系统提供了一定的参考依据。     

金属氢化物镍蓄电池SOC估计的EIS研究

研究了6.5 Ah圆柱形金属氢化物镍(MH-Ni)蓄电池不同荷电状态(SOC)下的电化学交流阻抗谱(EIS),结果表明EIS等效电路的欧姆内阻R6以及电荷转移内阻Rt随着电池SOC增加变化较小,难以用于电池SOC估计;而电池常相位角元件(CPE)参量及特征频率f*与电池SOC之间存在良好的单调依赖关系,可作为MH-Ni电池SOC有效估计的参数.     

基于分数阶阻抗模型的磷酸铁锂电池荷电状态估计

锂电池荷电状态(SOC)估计是电池管理系统中不可或缺的重要组成部分。锂电池传统整数阶等效电路模型未充分考虑其内部电化学反应现象,故将导致SOC估计结果偏离真实状态。文中以磷酸铁锂电池单体为研究对象,提出一种基于分数阶阻抗模型的锂电池SOC估计方法。该方法利用分数阶元件表征锂电池内部固液界面的输运现象和极化效应,基于分数阶微分理论建立状态转移方程和系统量测方程,并针对锂电池高度非线性的工作特性,利用无迹变换逼近原始状态分布,运用分数阶无迹卡尔曼滤波算法估计锂电池SOC。实验结果表明,分数阶阻抗模型能准确描述锂电池工作特性,所提算法在估计精度和跟踪速度上有一定提高。     

磷酸铁锂电池循环过程中电化学交流阻抗研究

研究了商品化磷酸铁锂电池不同倍率循环过程中的电化学交流阻抗谱,分析了电池体系中各部分阻抗随循环次数的变化规律,并对不同循环次数的正负极片表面形貌进行了表征分析。实验表明在较高倍率下电池容量衰减较快,其影响因素主要是石墨负极结构的破坏,与之相对应的是在交流阻抗谱上中低频区新出现的一段圆弧,说明交流阻抗谱的变化与电池性能劣化状态具有相关性。结果表明可以通过电化学交流阻抗谱的特征变化来判断电池的容量劣化状态,为电池的分级筛选和建立梯次利用电池快速评价系统提供了理论依据和技术支持。     

基于温度和SOC的退役电池电化学阻抗特性

以退役的电动汽车用磷酸铁锂(LiFePO4)正极锂离子电池为研究对象,分别在0℃、25℃、40℃和50℃下测得不同充放电荷电状态(SOC)的阻抗谱数据,基于锂离子电池内部电化学过程反应机理,建立退役磷酸铁锂电池的电化学阻抗模型LR[(RW)Q],并用ZSimDemo软件进行参数辨识.此模型在不同温度和SOC下都有较高的...     

动车组钛酸锂电池荷电状态估计

蓄电池作为应急供电电源,被广泛应用于动车组辅助供电系统中,电池的荷电状态可以反映充放电过程中电池的剩余电量,是动车组电池管理系统的重要参数.准确估计电池荷电状态,可以有效提高电池的使用效率及使用寿命.但是电池内部的化学反应复杂且难以测量,目前的电池荷电状态大多只能通过间接测量计算的方法得到.该文以中国标准动车组钛酸锂电池作为研究对象,搭建二阶RC等效电路模型,基于扩展卡尔曼滤波法(EKF)的在线辨识方法,并通过电池工况实验对比辨识精度.为克服常规卡尔曼滤波法估计过程中噪声方差固定的缺点,提出了自适应卡尔曼滤波方法(AEKF)对电池荷电状态进行估计,并在Matlab中针对动车组锂电池实际应用工况,验证了其估计电池荷电状态的准确性.     

单一副反应对锂电池阻抗的影响

电化学阻抗谱是分析锂离子电池最常用的手段之一，但是对于复杂体系，分析的精确性尤为关键。本文通过比较高温、过充等不同实验条件下，采用相同的锂电池样品测试阻抗进行拟合后得到的弛豫时间分布谱图，来分析DRT特征峰高度的变化，从而确定不同实验过程对锂电池的影响。     

基于扩展卡尔曼滤波的LiFePO4电池荷电状态估计

为了准确估计电池的荷电状态(state-of-charge),在研究电池电化学阻抗谱模型的基础上得出了适合工程应用的电池简化等效电路模型,通过实验对模型进行了参数估计,并在模型的基础上采用扩展卡尔曼滤波法(EKF)对电池的SOC进行估计并使用Matlab进行了仿真验证,结果证明扩展卡尔曼滤波法能准确地估计电池的SOC。     

磷酸铁锂电池充放电循环过程中电化学阻抗实验研究

本文研究了磷酸铁锂电池充放电循环过程中电化学阻抗变化特征，采用不同规格磷酸铁锂电池在不同放电深度（DOD）、荷电状态（SOC）、充放电倍率等条件下进行实验。实验结果发现:在一定充放电循环周期内，电池欧姆阻抗基本维持稳定，说明电池经过长期充放电循环后未出现严重劣化；电荷转移阻抗先减小后增大，表明在充放电循环初期电池被活化，但在循环后期电池性能逐渐衰退，电荷转移难度增加；固态扩散阻抗仅在充放电循环初期出现显著下降，随后保持稳定，表明初期活化过程可明显改善锂离子的固态扩散。进而得出:若电化学阻抗谱中各部分电阻值无明显增大，表明电池未出现严重的性能衰退，内部性质稳定；用电荷转移阻抗变化可对电池衰减性能进行准确评价；造成电池阻抗增大的主要原因在于正极阻抗的增加。     

高镍-硅碳体系锂电池阻抗特性研究

高镍-硅碳体系电池是进一步提高电池能量密度的重要研究方向.为了考察负极中不同硅含量电池的循环性能,辨识电极脱嵌锂过程中的主要物理化学过程,采用电化学交流阻抗频谱(EIS)和弛豫时间分布(DRT)来研究高镍-硅碳体系电池循环前后的阻抗特性,研究发现在荷电状态(SOC)为50％时,电解液中锂离子扩散过程是电池阻抗的主要来源.     

基于递推最小二乘法的锂离子电池等值参数在线识别

电池状态的准确在线估计是锂离子电池储能系统安全、可靠和高效运行的重要支撑,精确电池模型是实现上述估计的前提.然而,锂电池复杂的电化学反应过程使电池模型参数可能随荷电状态(State of Charge,SOC)、温度及运行工况改变而变化,传统的离线识别方法难以保证模型精度和适应性.提出一种基于递推最小二乘法(Recur...     

弛豫时间分布函数应用于电化学阻抗谱分析

电化学阻抗谱作为一种现代测试手段,对测试和提高锂离子电池的性能提供了便利.由于电化学阻抗谱无法直观地反映电池内部的结构以及电化学过程,且常用的等效电路模型方法在分析电化学阻抗谱上存在一定的局限性,因此引入了弛豫时间分布函数方法用于分离和量化电池内部的电化学过程.构建了一套完整的用弛豫时间分布函数方法分析锂离子电池的电化学阻抗谱的流程,并成功应用于磷酸铁锂原型电池的电化学阻抗谱分析中.     

锂电池电化学阻抗谱的多项式等效电路模型

选取磷酸铁锂圆柱形锂离子电池为实验对象,测试其在263、273和283 K低温环境,298 K常温环境和不同荷电状态(SOC)值下的电化学阻抗谱,建立锂电池多项式等效电路模型,对比了传统等效电路和多项式等效电路的拟合性能,结果表明多项式等效电路模型具有良好的性能,八阶多项式函数足以描述SOC对电路参数的非线性影响,为预测不可见SOC的阻抗谱和电路参数奠定了基础。     

磷酸铁锂锂离子电池EIS参数随SOC变化的规律

为准确估计磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池的荷电状态(SOC),测量了商用18650型电池在不同SOC下的电化学阻抗谱(EIS),对中频区的EIS谱进行研究.分析了电荷转移内阻RCT、双电层电容Cdl、过渡频率f、串联电阻Rs和串联电容Cs随SOC变化的规律.在一定的频率下,Cs随SOC的变化单调递减,可作为估计LiFePO4锂离子电池SOC的参数.     

基于分层电化学热耦合模型的锂电池放电过程研究

软包锂离子电池由许多电池单元叠压形成,其中电池单元的电和热行为对电池的整体安全性有很大的影响。为了研究电池单元与单体之间的关系,采用多孔电极理论建立了大容量软包锂电池的分层多维模型,并考虑了瞬态温度变化与电化学反应间的相互作用关系。利用该分层模型研究不同温度下电池放电过程中的电化学和热特性,得到更为真实的电池温度场分布。此外,本文介绍了表征电池单体内不同电池单元荷电状态分布的均匀指数。仿真表明,电池单体内的温度梯度差异加剧了不同电池单元间的过电位不一致和电流密度不一致程度,有利于进一步研究单体电池的衰退演化轨迹。