一種鋰離子電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是鋰離子電池健康狀態(tài)的一種描述與評(píng)價(jià)方法，涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，特別 涉及一種鋰離子電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)評(píng)價(jià)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池作為一種儲(chǔ)能元件，其容量大小是電池性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，傳統(tǒng)應(yīng) 用將電池的滿(mǎn)充放電容量與電池額定容量的百分比定義為電池的健康狀態(tài)，可以描述電池 最大容量能力的衰退情況。
[0003] 此外，一些文獻(xiàn)中使用電池內(nèi)阻描述電池的健康狀態(tài)，包括交流內(nèi)阻與直流內(nèi)阻 等不同描述，內(nèi)阻增加是電池極化過(guò)電勢(shì)增大的外部表現(xiàn)，在一定程度上體現(xiàn)了電池健康 狀態(tài)的衰退情況。
[0004] 隨著應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)電池性能關(guān)注點(diǎn)的變化，電池健康狀態(tài)的描述指標(biāo)也在發(fā)生變 化。例如，電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)合，不僅要關(guān)注電池的容量性能，同時(shí)要關(guān)注電池的瞬時(shí)功率性 能，瞬時(shí)功率性能用于描述電池短時(shí)間內(nèi)釋放能量的速率，對(duì)應(yīng)著電動(dòng)汽車(chē)的加速及爬坡 能力。瞬時(shí)功率性能是電池容量和電池內(nèi)部極化綜合影響的結(jié)果。
[0005] 文獻(xiàn)中所提上述容量減小、內(nèi)阻增加、極化增大的現(xiàn)象都是電池健康狀態(tài)衰退的 外部表現(xiàn)，若是從電池內(nèi)部過(guò)程分析電池行為會(huì)發(fā)現(xiàn):其性能變化是由于內(nèi)部活性材料及 材料物理化學(xué)性能的變化，對(duì)應(yīng)著電池內(nèi)部材料性能狀態(tài)參數(shù)的變化，包括正負(fù)極有效活 性材料的容量、活性材料及電解液的傳輸性能、動(dòng)力學(xué)性能等參數(shù)的變化。
[0006] 基于上述思想，從電池內(nèi)部物理化學(xué)過(guò)程角度出發(fā)，可以得到一組評(píng)價(jià)電池健康 狀態(tài)的特征參數(shù)，這些參數(shù)具有明確的物理意義、描述電池內(nèi)部材料的多少以及材料的物 理化學(xué)性能，并且這些參數(shù)可以完備地描述電池的綜合性能狀態(tài)，利用內(nèi)部性能狀態(tài)參數(shù) 可以計(jì)算得到電池的容量、內(nèi)阻、瞬時(shí)功率等外部性能。這樣的一組特征參數(shù)為鋰離子電池 健康狀態(tài)提供了一種新的描述與評(píng)價(jià)方法。該方法使用電池內(nèi)部物理化學(xué)性能參數(shù)描述電 池的健康狀態(tài)，對(duì)電池健康狀態(tài)的描述更加細(xì)致、完備，可用于不同電池個(gè)體的性能評(píng)價(jià)對(duì) 比，也可用于同一電池個(gè)體的性能衰退規(guī)律描述與分析。
[0007 ]傳統(tǒng)方法使用電池的滿(mǎn)充放電容量、電池內(nèi)阻等指標(biāo)描述電池的健康狀態(tài)，然而， 這兩個(gè)參數(shù)并未完全描述電池當(dāng)前的性能狀態(tài)。就滿(mǎn)充放電容量而言，通常是某固定倍率 情況下電池的電量，該指標(biāo)無(wú)法描述不同倍率情況下電池電量的不同；同樣，傳統(tǒng)方法使用 的電池內(nèi)阻是電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的在特定放電工況下的綜合體現(xiàn)，不能完全描述電 池內(nèi)部的極化特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述現(xiàn)狀，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于：能夠建立一組新的評(píng)價(jià)電池健 康狀態(tài)的特征參數(shù)，將這組參數(shù)與電池內(nèi)部材料多少以及材料物理化學(xué)性能建立直接的聯(lián) 系，通過(guò)鋰離子電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)評(píng)價(jià)方法，從而使用這組參數(shù)完備地描述電池的 性能狀態(tài)，綜合評(píng)價(jià)電池的健康狀況。
[0009] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種鋰離子電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)評(píng)價(jià)方 法，包括如下步驟： 1) 基于鋰離子電池的電化學(xué)模型，梳理電池內(nèi)部基本物理化學(xué)過(guò)程行為的機(jī)理參數(shù)； 2) 依據(jù)參數(shù)本身的物理含義和模型中參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)狀態(tài)變量變換、參數(shù)組 合以及正負(fù)極融合等方法將底層機(jī)理參數(shù)向頂層變換，將電化學(xué)模型使用的基本物理化學(xué) 性能參數(shù)按照其物理意義進(jìn)行組合及約簡(jiǎn)處理，提高模型參數(shù)的可檢測(cè)性； 3) 使用約簡(jiǎn)后的物理化學(xué)參數(shù)作為特征參數(shù)，參照鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)無(wú)損檢測(cè) 方法，結(jié)合電池健康狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法，用于描述、評(píng)價(jià)、對(duì)比不同電池的性能狀態(tài)，從多 個(gè)角度評(píng)價(jià)電池的性能或健康狀況。
[0010] 上述方法獲得評(píng)價(jià)鋰離子電池健康狀態(tài)特征參數(shù)的技術(shù)路線(xiàn)為:從電池內(nèi)部的基 本物理化學(xué)過(guò)程出發(fā)，分析描述電池內(nèi)部材料多少以及材料物理化學(xué)性能的參數(shù)，將這些 基本的物理化學(xué)參數(shù)按照其物理意義進(jìn)行組合及約簡(jiǎn)處理，使用這些約簡(jiǎn)后的物理化學(xué)參 數(shù)作為特征參數(shù)描述電池的性能狀態(tài)，用于評(píng)價(jià)電池的健康狀況。
[0011] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于： 首先，與傳統(tǒng)的容量、內(nèi)阻等指標(biāo)相比，本專(zhuān)利給出的描述電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)更 加明確清晰地定義了正極活性材料容量、負(fù)極活性材料容量、正負(fù)極固相擴(kuò)散程度、正負(fù)極 電化學(xué)反應(yīng)極化程度、歐姆極化程度等新指標(biāo)。這些特征參數(shù)直接對(duì)應(yīng)電池內(nèi)部材料多少 及材料的物理化學(xué)性能參數(shù)指標(biāo)，與電池內(nèi)部的物理化學(xué)性能建立直接的關(guān)系。
[0012] 其次，使用新的特征參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以更加清晰準(zhǔn)確地描述電池在不同層面、不 同角度的性能狀態(tài)，從而有利于找到影響電池性能的關(guān)鍵點(diǎn)，可用于電池設(shè)計(jì)場(chǎng)合對(duì)電池 設(shè)計(jì)結(jié)果的評(píng)價(jià)與審核，也可用于對(duì)不同廠(chǎng)家電池進(jìn)行細(xì)致精確的性能評(píng)價(jià)與篩選。
[0013] 此外，本專(zhuān)利給出的這一組特征參數(shù)對(duì)于描述電池的性能是一組完備的參數(shù)，結(jié) 合專(zhuān)利"鋰離子電池內(nèi)部性能狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法"，在獲得電池當(dāng)前狀態(tài)特征參數(shù)取值的情 況下，再結(jié)合專(zhuān)利給出的簡(jiǎn)化電化學(xué)模型，該組特征參數(shù)可以準(zhǔn)確地計(jì)算出電池在不同倍 率、充電或放電、恒流或動(dòng)態(tài)等任意工況下電池的確切行為，這一結(jié)果是傳統(tǒng)的容量、內(nèi)阻 等指標(biāo)用于描述電池性能所無(wú)法做到的。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成目的及功效，下文中結(jié)合實(shí)施例 對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0015] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一種鋰離子電池健康狀態(tài)的特征參數(shù)評(píng)價(jià)方 法，包括如下步驟： (一)第一步：以鋰離子電池的電化學(xué)模型為基礎(chǔ)。鋰離子電池的電化學(xué)模型是電化學(xué) 領(lǐng)域的學(xué)者根據(jù)鋰離子電池內(nèi)部的物理化學(xué)微觀(guān)過(guò)程建立的電池的數(shù)學(xué)模型，電化學(xué)模型 是對(duì)電池內(nèi)部基本物理化學(xué)過(guò)程行為的數(shù)學(xué)描述。電化學(xué)模型所使用的模型參數(shù)是關(guān)于電 池幾何結(jié)構(gòu)及材料屬性的底層機(jī)理參數(shù)，共有26個(gè)，如表1所示。
[0016] 表1電化學(xué)模型的參數(shù)

由表1可見(jiàn)，電化學(xué)模型使用電池內(nèi)部參數(shù)和數(shù)學(xué)方程描述電池內(nèi)部微觀(guān)的物理化學(xué) 行為，所使用的參數(shù)包括幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料物理性質(zhì)參數(shù)、材料動(dòng)力學(xué)性能參數(shù)三類(lèi)?？?以認(rèn)為，這些參數(shù)決定了一個(gè)電池的性能，也可以用于描述和評(píng)價(jià)電池的健康狀態(tài)。但是， 電化學(xué)模型所使用的參數(shù)數(shù)量大，并且這些微觀(guān)的底層參數(shù)只能通過(guò)解剖電池進(jìn)行測(cè)量得 到，不利于電池健康狀態(tài)的檢測(cè)。
[0017] (二)第二步:在以上分析問(wèn)題的基礎(chǔ)上，依據(jù)參數(shù)本身的物理含義和模型中參數(shù) 間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將底層機(jī)理參數(shù)向頂層變換，可提高模型參數(shù)的可檢測(cè)性；同時(shí)在約簡(jiǎn)過(guò)程 中保證模型參數(shù)能夠表征電池內(nèi)部的物理化學(xué)性能狀態(tài)，不喪失其物理含義。
[0018] 參數(shù)約簡(jiǎn)的變換過(guò)程如下： (1)正極初始嵌鋰率y〇定義為的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(2) 正極容量QP定義為^^、:￡>、_￡>4.、1 1)、六的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(3) 負(fù)極容量仏定義為'^、ln、A的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(4) 嵌鋰率偏移ycifs定義為(^(^^'^、^的組合參數(shù)屑換關(guān)系為：
(5) 正極固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù) < 定義為RP、DS,P的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(6) 負(fù)極固相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)< 定義為Rn、Ds,n的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(7) 液相擴(kuò)散比例系數(shù)P_定義為^^巧^的組合參數(shù)本換關(guān)系為必^ (P2+P6) + 2，其中：
(8) 液相擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)@定義為1"、18山、％、％，:、0的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為:@=(爲(wèi) +:?) + 2，其中：
(9) 正極反應(yīng)極化系數(shù)定義為RP、kP的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(10) 負(fù)極反應(yīng)極化系數(shù)定義為Rn、kn的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
(11)歐姆內(nèi)阻R〇hm定義為ln、ls、lp、&:、今3、足、％:、$、Rn、R P、f/，s、％、A、^u AfiKi的組合參數(shù)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
通過(guò)狀態(tài)變量變換、參數(shù)組合以及正負(fù)極融合等方法將底層機(jī)理參數(shù)向頂層變換。約 簡(jiǎn)后模型參數(shù)由原始電化學(xué)模型26個(gè)減少為11個(gè)，約簡(jiǎn)后的11個(gè)參數(shù)具有明確的物理含 義，可用于表