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        基于SOC-OCV曲線(xiàn)特征的SOH估計(jì)方法研究

        2019-11-02 02:51:54劉軼鑫韓智強(qiáng)
        汽車(chē)工程 2019年10期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)模型

        劉軼鑫,張 ,李 雪,韓智強(qiáng)

        (1.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司新能源開(kāi)發(fā)院電池研究所,長(zhǎng)春 130000; 2.北京新能源汽車(chē)股份有限公司,北京 100176)

        前言

        鋰離子電池在交通和儲(chǔ)能領(lǐng)域起到了重要的作用[1-4]。鋰離子電池狀態(tài)(如SOC和SOH等)的估計(jì)是確保鋰離子電池被合理使用的基礎(chǔ)。在過(guò)去10年里,SOC估計(jì)已經(jīng)被廣泛研究并取得了突破性的進(jìn)展[5-8],但衡量電池老化和健康程度的SOH卻沒(méi)有引起足夠的重視。

        SOH除了能夠體現(xiàn)鋰離子電池相對(duì)初始狀態(tài)下的最大能量存儲(chǔ)能力和功率輸出能力[9],還一定程度上反映了電池的安全性能,如SOH較低時(shí),電池的失效概率會(huì)顯著增加[10]。因此合理、準(zhǔn)確地估計(jì)SOH對(duì)于新一代BMS至關(guān)重要。

        SOH估計(jì)通?;陔姵氐娜萘炕騼?nèi)阻[11-13],SOH的估計(jì)方法主要可分為兩大類(lèi),一類(lèi)是基于衰退機(jī)理的電化學(xué)模型[14-15],另一類(lèi)則是將智能算法與大數(shù)據(jù)相結(jié)合的SOH估計(jì)方法[16-21]。基于衰退機(jī)理的電化學(xué)模型要求準(zhǔn)確理解電化學(xué)過(guò)程并運(yùn)用電化學(xué)方程對(duì)SOH進(jìn)行估計(jì),這類(lèi)模型需要對(duì)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化、對(duì)邊界條件進(jìn)行一些合理假設(shè)。這類(lèi)方法不僅計(jì)算非常繁瑣,且精度嚴(yán)重依賴(lài)于電池的老化路徑,因此,該方法很難在BMS系統(tǒng)中得到運(yùn)用。而將智能算法和大數(shù)據(jù)相結(jié)合的SOH估計(jì)方法由于不需要理解復(fù)雜的電池老化過(guò)程且計(jì)算量相對(duì)較小而被廣泛研究:Lin等[18]使用了一種基于概率密度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法估計(jì)鈷酸鋰電池的SOH,在恒流充放電的循環(huán)工況下,SOH的平均估計(jì)誤差為0.28%,標(biāo)準(zhǔn)差為1.15%;He等[19]應(yīng)用動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)估計(jì)錳酸鋰電池的SOH,在較大的溫度范圍和倍率條件下,SOH的估計(jì)誤差小于5%。但在電動(dòng)車(chē)實(shí)際使用過(guò)程中,循環(huán)工況往往比上述研究中的恒流充放電工況更加復(fù)雜;與此同時(shí),電池的老化路徑和工況是密切相關(guān)的。因此這些方法運(yùn)用在實(shí)際BMS中難以保證SOH的估計(jì)精度。

        為解決上述問(wèn)題,本文中提出一種基于電池?zé)崃W(xué)特性的SOH估計(jì)方法,主要有3個(gè)優(yōu)勢(shì):(1)電池?zé)崃W(xué)表現(xiàn)和SOH的關(guān)系可通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量化,使得精確在線(xiàn)估計(jì)SOH成為可能;(2)基于電池?zé)崃W(xué)特性的SOH估計(jì)方法可在沒(méi)有電化學(xué)方程的情況下反映出電池的衰退機(jī)理;(3)SOH估計(jì)的準(zhǔn)確度不受老化路徑影響。

        1 SOC-OCV模型

        本文中所用實(shí)驗(yàn)樣品電池的SOC-OCV曲線(xiàn)如圖1(a)所示。這條曲線(xiàn)的單調(diào)趨勢(shì)是:(1)在SOC高端(SOC>0.9),OCV急劇上升;(2)在 SOC中間區(qū)段(0.3<SOC<0.9),OCV近似線(xiàn)性增加;(3)當(dāng)SOC處于低端(SOC<0.3),OCV又急劇下降。實(shí)驗(yàn)樣品電池的SOC-OCV曲線(xiàn)特性與錳酸鋰電池的特性相似,因此,錳酸鋰電池的SOC-OCV曲線(xiàn)的模型也可以用來(lái)分析本文的實(shí)驗(yàn)樣品電池的SOC-OCV曲線(xiàn)特性[22],如式(1)所示。

        式中:y為 OCV;s為 SOC;a,b,c和 d為待確定的SOC-OCV曲線(xiàn)的特征參數(shù)。

        采用最小二乘法對(duì)圖1(a)中的SOC-OCV實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(即實(shí)線(xiàn))進(jìn)行辨識(shí),可得 a=3.81,b=0.022,c=0.31,d=0.07。將這 4個(gè)參數(shù)值和 SOC值帶入式(1)可得OCV的計(jì)算值,如圖1(a)中的虛線(xiàn)所示。在典型的 SOC工作區(qū)間[0.1,0.9],SOC-OCV曲線(xiàn)的模型相對(duì)誤差在0.4%左右,如圖1(b)所示。

        由式(1)可知,SOC-OCV曲線(xiàn)的特征參數(shù)a和c表征了該曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分,而特征參數(shù)b和d分別描述了該曲線(xiàn)的低端和高端部分。

        圖1 SOC-OCV曲線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)值與模型值

        2 SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)衍變規(guī)律

        2.1 實(shí)驗(yàn)

        本文中實(shí)驗(yàn)樣本電池的正極是由錳酸鋰和鎳鈷錳三元材料組成的復(fù)合電極,負(fù)極材料是石墨,其中錳酸鋰與鎳鈷錳三元材料的比例是7∶3,樣本電池的額定容量是35 A·h。老化實(shí)驗(yàn)及SOC-OCV測(cè)試實(shí)驗(yàn)是由專(zhuān)業(yè)電池單體充放電設(shè)備(Arbin公司的BT2000)完成的,該充放電設(shè)備的最大電流輸入輸出能力是400 A,電壓范圍是0~5 V。

        本文中利用容量增量(incremental capacity,IC)法畫(huà)出實(shí)驗(yàn)樣本電池以C/20的電流倍率(其中1C表示以1C電流倍率將電池從電量為零充電至電量為100%需要1 h)充電的IC曲線(xiàn)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)樣本電池的IC曲線(xiàn)有3個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)的SOC是10%,45%和80%。因此以20%和60%的SOC為間隔點(diǎn)可以將電池SOC使用區(qū)間分為3段。

        圖2 電池的IC曲線(xiàn)

        實(shí)驗(yàn)樣本是相同批次的6支電池,2支電池(編號(hào)為#1和#2)在SOC區(qū)間[0,20%]下執(zhí)行老化工況實(shí)驗(yàn),2支電池(編號(hào)為#3和#4)在SOC區(qū)間[20%,60%]下執(zhí)行老化工況實(shí)驗(yàn),1支電池(編號(hào)為#5)在SOC區(qū)間[60%,100%]下執(zhí)行老化工況實(shí)驗(yàn),1支電池(編號(hào)為#6)在SOC區(qū)間[0,100%]下執(zhí)行老化工況實(shí)驗(yàn)。這樣安排實(shí)驗(yàn)的目的是分析電池老化對(duì)路徑的依賴(lài)情況:編號(hào)為#1和#2,#3和#4的電池所做的老化實(shí)驗(yàn)是為了對(duì)比分析電池相同老化路徑下,電池的老化狀態(tài)有無(wú)差異;編號(hào)為#1,#3,#5和#6的電池所做的老化實(shí)驗(yàn)是為分析不同老化路徑對(duì)電池老化狀態(tài)的影響。老化工況設(shè)定為:在40℃下,電池在提前設(shè)定的SOC區(qū)間持續(xù)進(jìn)行2C的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)。電池每執(zhí)行完等效的100次完整充放電循環(huán)測(cè)試一次SOC-OCV曲線(xiàn),對(duì)應(yīng)上述4個(gè)區(qū)間老化實(shí)驗(yàn)的循環(huán)數(shù)分別為500,250,250和100次。SOC-OCV曲線(xiàn)測(cè)試的方法是:在SOC的高端和低端,每隔5%的SOC對(duì)OCV進(jìn)行測(cè)量,而在SOC中間部分,每隔10%的SOC對(duì)OCV進(jìn)行測(cè)量,采用1C/3倍率充電對(duì)SOC進(jìn)行調(diào)整,每個(gè)充電片段結(jié)束后靜置2 h,再開(kāi)始下一個(gè)充電片段,靜置2 h之后的電池電壓作為電池的開(kāi)路電壓OCV。

        2.2 SOC-OCV曲線(xiàn)及其特征參數(shù)的衍變趨勢(shì)

        從圖3可以看出,在相同老化路徑下,#1號(hào)電池和#2號(hào)電池的SOC-OCV曲線(xiàn)變化情況一致,而#3號(hào)電池和#4號(hào)電池的SOC-OCV曲線(xiàn)變化情況不同,而不同的老化路徑下,例如#1號(hào)電池,#3號(hào)電池,#5號(hào)電池和#6號(hào)電池的SOC-OCV曲線(xiàn)變化情況完全不同,所以在相同的容量吞吐量的情況下,電池的健康狀態(tài)并不相同。圖3中的循環(huán)次數(shù)是等效成完整充放循環(huán)之后的數(shù)值。

        圖3 SOC-OCV曲線(xiàn)隨老化的變化

        利用最小二乘法辨識(shí)出SOC-OCV曲線(xiàn)的特征參數(shù)a和c,隨老化的變化趨勢(shì)如圖4所示,在電池老化過(guò)程中,特征參數(shù)a增大,而特征參數(shù)c減少。

        3 SOH計(jì)算

        3.1 老化機(jī)理分析

        本文中采用IC分析法分析SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)與電池老化之間的關(guān)系,圖5給出了#6號(hào)電池的IC曲線(xiàn),圖中有兩個(gè)明顯的 IC峰,處于3.8與4.2 V之間。錳酸鋰作為正極材料,有兩個(gè)電壓平臺(tái),分別為4.1和3.95 V,對(duì)應(yīng)兩個(gè)相變過(guò)程,因此圖5中的IC峰是錳酸鋰材料與石墨負(fù)極反應(yīng)形成的。而鎳鈷錳三元材料的IC峰對(duì)應(yīng)的電壓平臺(tái)在3.75 V附近,但在圖5中此峰并不明顯,主要原因是該材料的占比低導(dǎo)致的。另外,由于圖5的IC曲線(xiàn)是基于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的SOC-OCV曲線(xiàn)獲得,由于該曲線(xiàn)的SOC間隔比較大,也會(huì)導(dǎo)致鎳鈷錳三元材料的IC峰不明顯,這也解釋了相同批次電池的IC曲線(xiàn)有一些差異(如圖5和圖2所示)。

        圖4 特征參數(shù)a和c隨老化的衍變趨勢(shì)

        當(dāng)電池老化之后,粒子轉(zhuǎn)移能力下降,導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加和動(dòng)力學(xué)下降,圖5中IC曲線(xiàn)隨老化向高電位平移也證明了這點(diǎn)。為了探索SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)與電池老化之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián),本文中提取圖5中兩個(gè)明顯 IC峰之間的電壓差,如表1所示。

        圖5 #6電池的IC曲線(xiàn)

        從表1可以看出,隨著電池老化,兩個(gè)IC峰之間壓差在縮小,SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a逐漸增加,而SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)c逐漸縮小,電池老化,電池內(nèi)阻在增加,電池動(dòng)力學(xué)性能在下降,因此SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c的變化趨勢(shì)能間接反映電池內(nèi)阻及動(dòng)力學(xué)性能的變化過(guò)程。

        表1 SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)與IC峰之間電壓差的關(guān)系

        圖6給出了6支電池的SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c隨電池容量衰退的變化趨勢(shì),清晰表明SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c與電池衰退之間存在很強(qiáng)相關(guān)性?;谏鲜龇治觯琒OC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c能夠反映出電池的衰退機(jī)理,也可以作為SOH的表征因子。

        圖6 SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c與電池衰退之間的相關(guān)性

        3.2 SOH計(jì)算

        為有充分的數(shù)據(jù)對(duì)SOH建模并驗(yàn)證SOH模型的精度,將實(shí)驗(yàn)樣品電池分為兩組,一組包含5支電池,作為模型訓(xùn)練組,一組包含1支電池,作為模型精度驗(yàn)證組。#5電池的老化速率比較溫和,既不是容量衰退最快的,也不是容量衰退最慢的,因此#5電池老化數(shù)據(jù)用來(lái)驗(yàn)證SOH模型的精度,其余電池作為模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)。本文中將電池容量的衰退作為電池的SOH真值:

        (1)用特征參數(shù)a來(lái)表征SOH

        SOH變化趨勢(shì)與特征參數(shù)a的衍變趨勢(shì)如圖7(a)所示,y軸為SOH值,x軸為特征參數(shù)a。由圖可見(jiàn),隨著特征參數(shù)a的增加,SOH呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì),而且遞減趨勢(shì)不符合拋物線(xiàn)特征,因此選用3階多項(xiàng)式來(lái)擬合SOH與特征參數(shù)a之間的關(guān)系:

        為了評(píng)估式(3)的精度,將SOH模型值與真值之間作差,得到誤差曲線(xiàn)如圖8的虛線(xiàn)所示。由圖可見(jiàn),SOH從100%下降到50%,SOH的估計(jì)精度在-3.5%~2.5%之間。

        (2)用特征參數(shù)c來(lái)表征SOH

        SOH變化趨勢(shì)與特征參數(shù)c的衍變趨勢(shì)如圖7(b)所示。由圖可見(jiàn),隨著特征參數(shù)c的增加,SOH呈現(xiàn)明顯非線(xiàn)性遞增趨勢(shì),而且遞減趨勢(shì)也不符合拋物線(xiàn)特征,因此也選用3階多項(xiàng)式來(lái)擬合SOH與特征參數(shù)c之間的關(guān)系:

        為了評(píng)估式(4)的精度,將SOH模型值與真值之間作差,得到誤差曲線(xiàn)如圖8的實(shí)線(xiàn)所示。由圖可見(jiàn),SOH從100%下降到50%,SOH的估計(jì)精度在±1.5%以?xún)?nèi)。

        基于以上分析,SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)a和c都可以用來(lái)表征SOH,但是式(3)的擬合系數(shù)很大,特征參數(shù)a發(fā)生很小的抖動(dòng)會(huì)給SOH的估計(jì)結(jié)果帶來(lái)很大的偏差,因此,將特征參數(shù)a作為SOH的表征因子有很大的風(fēng)險(xiǎn)??紤]到SOH的估計(jì)精度,式(4)的擬合系數(shù)是可以接受的。因此,本文基于SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)c提出了表征SOH變化的表達(dá)式:

        式中α,β,γ和C為依賴(lài)于電池正負(fù)極材料的化學(xué)特性的系數(shù)。

        圖7 SOH與SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)之間的關(guān)系

        圖8 SOH估計(jì)模型精度

        3.3 驗(yàn)證

        采用#5號(hào)電池來(lái)驗(yàn)證提出的SOH表達(dá)式的精度。由于#5電池與模型訓(xùn)練組的電池是同一批電池,電池的材料屬性一致,因此采用式(4)來(lái)計(jì)算SOH的模型值,該值與SOH真值的差如圖9所示。可以看出,SOH從98%下降到65%,SOH的估計(jì)精度在±1.5%以?xún)?nèi)。

        4 結(jié)論

        通過(guò)跟蹤SOC-OCV曲線(xiàn)特征參數(shù)的衍變規(guī)律,本文中提出了一種行之有效的SOH估計(jì)方法,主要有以下3方面優(yōu)勢(shì):

        圖9 #5號(hào)電池的SOH估計(jì)精度

        (1)較高的SOH估計(jì)精度,對(duì)于本文中研究的復(fù)合電極體系的電池,SOH從100%衰退到50%,SOH估計(jì)精度在±1.5%以?xún)?nèi);

        (2)不依賴(lài)于老化路徑,在不同老化路徑下得到的特征參數(shù)c有幾乎相同的衍變規(guī)律,因此SOH的估計(jì)精度與老化路徑無(wú)關(guān);

        (3)能夠反映老化機(jī)理,隨著電池老化,特征參數(shù)c發(fā)生不同程度的減小,與電池動(dòng)力學(xué)性能的衰退趨勢(shì)相同,能夠定性的表征電池的老化機(jī)理。

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