基于时域阻抗谱测量的锂离子电池性能评估

发布时间：2020-08-02 15:37

【摘要】：随着新能源汽车产业的快速发展,退役锂离子电池的回收利用问题获得了人们广泛的关注。梯次利用是解决退役锂离子电池回收利用问题的有效方案,在锂离子电池进入梯次利用前,对其进行性能评估十分重要。本文设计搭建了锂离子电池时域阻抗谱测量系统,提出了不同荷电状态(State of Charge,简称SOC)锂离子电池阻抗谱的归一化方法,在此基础上实现了对锂离子电池功率状态(State of Power,简称SOP)和健康状态(State of Health,简称SOH)的准确估计,具体的研究工作如下:首先,针对锂离子电池阻抗谱测量速度较慢的问题,设计并搭建锂离子电池时域阻抗谱测量系统,使用准对数间隔频率序列生成频率范围0.1Hz~1kHz的电压激励信号;设计VI转换电路将其转换为电流激励信号作用于待测电池,采集实际电池的电流激励和电压响应信号;分别对两者进行快速傅里叶变换,实现电池阻抗谱的快速测量,并验证测量系统的可重复性和精度。其次,针对锂离子电池SOC不同影响阻抗谱的大小和形态的问题,建立一种锂离子电池的阻抗谱等效电路模型,通过复变非线性最小二乘回归方法辨识模型参数,验证模型的准确性和辨识方法的效果;研究电池阻抗谱与SOC间的关系,通过对模型参数敏感度的分析,筛选出四个高敏感参数,采用数据拟合的方式实现锂离子电池阻抗谱关键参数的归一化。最后,针对锂离子电池SOP和SOH估计的问题,以分数阶微积分为工具,仿真计算在SOP测试工况下阻抗谱等效电路模型在时域的端电压响应,实现对SOP的估计;另一方面,研究阻抗谱模型参数与SOH之间的关系,建立BP神经网络,使用循环老化实验数据对其进行训练,用训练好的神经网络实现对SOH的估计;并分别验证SOP和SOH的估计精度。本文以锂离子电池阻抗谱作为研究重点,依次解决了锂离子电池时域阻抗谱测量问题、不同SOC锂离子电池阻抗谱归一化问题、基于阻抗谱的SOP和SOH估计问题,实现了基于时域阻抗谱测量的电池性能评估,对于锂离子电池的梯次利用具有一定应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

电化学阻抗谱,锂离子电池

在锂离子电池电化学阻抗谱的测量中，因果性条件较容易满足，线性条性条件一般通过使用小幅正弦激励信号加以满足。使用小幅正弦激励信面可以避免对系统产生大的影响，保证系统稳定性，另一方面也使得激之间的响应近似成线性关系。电化学阻抗谱的表示常见的电化学阻抗谱的表示方式有 Nyquist 图和 Bode 图两种。其中 N阻抗的实部为坐标横轴，负虚部为坐标纵轴，可以较直观地反映电化学各个反应过程时间常数的大小，对体系参数的变化更加敏感[14]。因此，要使用 Nyquist 图来表示电化学阻抗谱。一个典型的锂离子电池电化学阻抗谱 Nyquist 图如图 1-1 所示，该阻抗谱围为 0.01Hz~1kHz，从左到右频率依次降低。可以观察到该锂离子电池在阻抗虚部接近为 0，随着频率的降低，阻抗实部不断增大，阻抗负虚部则大后减小然后再度增大的趋势。

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图 2-1 基于 FFT 变换的阻抗谱时域测量方法原理图2.2 时域阻抗谱测量系统设计时域阻抗谱测量可选用的激励方式有两种：电压激励方式和电流激励方式虑到锂离子电池充电电阻和放电电阻并不一致，如果使用电压激励的方式，个正弦周期内电池的总输出电荷不为 0，这会改变待测电池的 SOC，不满足谱测试的稳定性要求。因此，应采用电流激励的方式进行阻抗谱测量。常见号发生电路只能输出电压信号，所以需要一个转换电路将电压信号转化为所电流激励信号。另外由于电池端的电压响应信号幅值较小，需要一个滤波电小环境噪声的影响。综合以上因素，设计时域阻抗谱测量系统框图如图 2-2 所示，由电源电路I 转换电路，滤波电路，待测电池，数据采集板卡与上位机等几部分构成。

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图 2-1 基于 FFT 变换的阻抗谱时域测量方法原理图抗谱测量系统设计谱测量可选用的激励方式有两种：电压激励方式和电电池充电电阻和放电电阻并不一致，如果使用电压激内电池的总输出电荷不为 0，这会改变待测电池的 S定性要求。因此，应采用电流激励的方式进行阻抗谱只能输出电压信号，所以需要一个转换电路将电压信号。另外由于电池端的电压响应信号幅值较小，需要的影响。因素，设计时域阻抗谱测量系统框图如图 2-2 所示，滤波电路，待测电池，数据采集板卡与上位机等几部

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