[發(fā)明專利]一種基于非齊次馬爾科夫鏈模型預(yù)測鋰離子電池容量退化的方法

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• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107895175A
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳子涵;原艷斌;曲麗麗;安蔚然
• 申請（專利權(quán)）人: 北京電子工程總體研究所
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G01R31/36;H01M10/42
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司11257
• 代理人: 付生輝

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非齊次馬爾科夫鏈模型預(yù)測鋰離子電池容量退化的方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有較高的能量密度，因而在移動設(shè)備和電動汽車等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。已經(jīng)有很多的關(guān)于鋰離子電池的研究，專注于提高鋰離子電池的循環(huán)壽命、可靠性以及其他性能特性。然而，無論鋰離子電池的性能如何優(yōu)良，鋰離子電池的容量都會隨著使用的充電放電循環(huán)次數(shù)而衰減。

為了研究鋰離子電池的容量退化過程，研究人員提出了很多模型。例如：基于第一原理計(jì)算已知的鋰離子電池電極材料的電壓曲線，并預(yù)測未知電極材料的電壓；設(shè)計(jì)電熱有限元模型，用于預(yù)測鎳氫電池的熱性能。這些模型被用于預(yù)測不同配方的鋰離子電池的性能，然而，考慮到電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的隨機(jī)性以及相同配方的不同電池的性能差異，用這些模型算出的電池性能和實(shí)際的電池性能通常存在差異。存在差異的原因一般包含兩方面：第一是模型參數(shù)的選擇不夠系統(tǒng)性；第二是受外界影響的敏感參數(shù)變化較大。

鋰離子電池在循環(huán)壽命試驗(yàn)中的容量退化機(jī)理非常復(fù)雜，數(shù)十年來，有很多探索鋰離子電池容量循環(huán)退化規(guī)律的研究，并提出了相關(guān)模型。這些模型大致可以分為三類：電化學(xué)模型、等效電路模型和解析模型。電化學(xué)模型和等效電路模型能夠針對復(fù)雜的物理和化學(xué)過程建立精確的數(shù)學(xué)表達(dá)，但是這些模型一般比較復(fù)雜，并且難以在應(yīng)用中估計(jì)參數(shù)并建立可用模型，并且部分這類模型依賴于實(shí)時阻抗測試，這需要特殊的昂貴設(shè)備。解析模型是使用一系列數(shù)學(xué)模型擬合鋰離子電池的容量退化曲線。例如：基于Peukert法則的模型分析電池壽命和放電率之間的非線性關(guān)系，然而該方法過于簡單，并且只考慮了平均放電電流。一些學(xué)者研究了鋰離子電池電極材料的表面活性材料變化，提出了活性材料擴(kuò)散模型，但是應(yīng)用該模型時需要測量電極表面的相關(guān)參數(shù)，這需要額外的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。就解析模型而言，基于馬爾科夫鏈的模型可以將數(shù)學(xué)參數(shù)聯(lián)系相關(guān)材料特性參數(shù)。活性電池模型應(yīng)用馬爾科夫鏈描述電池特性變化規(guī)律，但是該模型過于龐大，當(dāng)電池充電時間達(dá)到一定程度的時候，該模型甚至可以產(chǎn)生27×10⁷到45×10⁷個充電單元。

雖然有很多描述鋰離子電池容量退化過程的模型，但是這些模型很少描述電池的不同配方的容量退化特性，也較少地描述不同工況下鋰離子電池的容量退化規(guī)律。

Risse提出的基于馬爾科夫鏈的鋰硫電池容量密度退化模型，該模型將鋰硫電池容量密度退化機(jī)理表達(dá)為包含四個相的馬爾科夫鏈模型(S.Risse,S.Angioletti-Uberti,J.Dzubiella,M.Ballauff,Capacity fading in lithium/sulfur batteries:A linear four-state model,J.Power Sources.267(2014)648-654.)。然而對于鋰離子電池，鋰離子電池的固態(tài)電解質(zhì)膜主要在陽極生成，其退化機(jī)理不同于鋰硫電池，并且鋰離子電池的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率和電池的不同壽命狀態(tài)有關(guān)。因此描述鋰硫電池的四相馬爾科夫鏈模型不適用于鋰離子電池。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述至少之一的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于非齊次馬爾科夫鏈模型預(yù)測鋰離子電池容量退化的方法。設(shè)計(jì)了一個三相五狀態(tài)的非齊次馬爾科夫鏈模型，其參數(shù)可以和已知的物理化學(xué)過程以及材料特性相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而識別鋰離子電池的容量退化動態(tài)。該模型可以描述不同材料的鋰離子電池的容量退化規(guī)律，也能描述鋰離子電池在不同工況條件下容量退化的規(guī)律。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種基于非齊次馬爾科夫鏈模型預(yù)測鋰離子電池容量退化的方法；所述方法包括以下步驟：

S1、在線測量待測鋰離子電池的容量數(shù)據(jù)；

S2、將所測量的容量數(shù)據(jù)使用非齊次馬爾科夫鏈模型進(jìn)行擬合得到模型的參數(shù)；

S3、將S2所得參數(shù)代入所述非齊次馬爾科夫鏈模型中得到待測鋰離子電池的壽命退化模型，并使用該模型進(jìn)行待測鋰離子電池容量化預(yù)測。

優(yōu)選地，所述非齊次馬爾科夫鏈模型為三相五狀態(tài)的非齊次馬爾科夫鏈模型。

優(yōu)選地，所述三相五狀態(tài)的非齊次馬爾科夫鏈模型為：