[发明专利]用于估计单颗电池或单批电池的剩余使用寿命的方法

说明书

本发明涉及一种用于估计电池的剩余使用寿命的方法包括以下步骤：提供单个电池；为单个电池执行多次充电‑放电的循环；在循环中的至少一部分充电‑放电过程中，对单个电池进行电化学阻抗谱的测量，通过等效电路模型的拟合，得到单个电池的电荷转移电阻和表面层电阻；利用多次循环所得到的电荷转移电阻和表面层电阻以及容量，建立单个电池的容量与循环次数之间的关系；以及利用已建立的容量和循环次数之间的关系，预测电池剩余容量或电池的剩余循环次数。本发明还提出一种用于估计一批电池的剩余使用寿命的方法。

技术领域

本发明涉及电池寿命预测领域，更具体地，涉及用于估计单颗电池或单批电池的剩余使用寿命的方法。

背景技术

目前，锂离子电池(LIB)已广泛用于为新的消费设备和功能工具供电，如电池驱动的电动/混合动力汽车(EV/HEV)，以及用于可再生能源的临时存储系统。然而，锂离子电池的性能会因老化、环境影响和动态负载而随着时间的推移而退化。因此，有必要了解车辆应用中的电池老化行为，监控电池健康状况，预测电池的剩余使用寿命(RUL)，采取措施减缓退化，并最终避免意外的灾难性故障。在实际应用中，准确估计电池健康状态(SOH)和寿命在系统级别中确保车辆可靠性和在电池级别中改进电池制造起着重要作用。

对于任何大规模电池驱动的电气系统，电源管理是确保电池组的最佳和可靠操作的必不可少的部分，例如EV/HEV中的电池管理系统(BMS)。通过适当的建模，BMS可以通过调节电源使用来延长电池寿命并降低相对电池成本。更重要的是，成功的电池老化建模可以帮助BMS执行预测，以检测电池故障的早期信号，以确保安全。

对于电池制造商而言，LIB在实际运行条件下的寿命预测对于其产品与车辆或固定应用的可靠集成以及保修而言是更为关键的问题。然而，随着高质量电池的开发，电池性能下降的寿命周期测试数据采集变得昂贵且耗时。因此，期望基于电池老化模型的加速测试，以通过应用应力因子并将数据外推/映射到实际条件来在合理的时间尺度内评估电池。一方面，精确的寿命预测模型可以帮助在常规生产过程中设计良好的质量控制，从而可以实现更长的电池寿命。另一方面，通过快速测试最差情况和流程优化，通过消除早期阶段的安全问题，可以大大缩短新产品开发周期和上市时间。

电池老化过程，包括电池阻抗增加、功率衰减和容量衰减可能源于多种机制，例如固体电解质界面(SEI)演变和活性材料变化。材料特性、存储和循环条件都会对电池的使用寿命和性能产生很大影响。另一方面，锂离子电池的发展以许多领域的并行创新为特征。每次更改电池设计或其他参数时，都必须重新评估寿命和循环性能。因此，非常希望开发能够预测材料或电池设计变化对电池老化行为的潜在影响的模型。

目前，已经使用不同的方法来估计电池年龄水平。根据假设和数学方法，它们可分为五类：

-具有经验拟合的分析模型：这是一种基于数据的经验方法，尽可能大量的来自实验的数据，以评估或预测估计值。这些方法的主要问题是缺乏数据和测量的准确性。

-统计方法：这些方法不需要任何关于衰老机制的先验知识，也没有关于因子的假设。而且也不需要化学或物理方程式。然而，这种方法的缺点是需要大量数据才能有效。

-基于性能的模型：性能模型取决于电池类型，不能直接扩展到其他电池。它估计受控情况下的老化并表现良好，但它无法模拟电池寿命期间发生的所有退化机制。因此，该模型可被视为半经验模型。

-基于等效电路的模型：作为电气设备，在不知道细节结构的情况下，LIB行为可以由包含电阻器、电容器和电感器的等效电路呈现。参数识别可以直接通过测量或通过等效电路模型从更复杂的方法进行。该方法也是半经验类型。

-电化学模型：这些方法的目的是深入了解电池使用过程中发生的特定物理和化学现象。物理模型的最大挑战之一是将原子方法和宏观模型之间的结果联系起来。