一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法

本发明涉及锂离子电池健康状态估计，具体涉及一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法。

背景技术：

1、电池健康状态表征了电池的衰减老化程度，是进行电池研究的重要状态参数。电池健康状态的准确估计不仅是保证系统安全稳定运行的关键，同时可以有效提高电池系统的使用效率，降低使用成本。电化学阻抗谱可以较好解析电池中所包含的动力学过程及其机理，同时得到更多的电极界面结构信息。因此探究不同老化状态下电池电化学阻抗谱特征与电池健康状态间的对应关系，不仅可以实现电池健康状态的良好估计，而且对电池阻抗检测具有一定的指导意义。

2、电化学阻抗谱采用小信号分析，在测量过程中对系统不产生破坏作用，属于无损测量方法，已经逐渐成为分析锂离子电池性能的有力工具。然而，传统电化学阻抗测试技术由于测试耗时长、依赖电化学工作站、频率分析仪等体积庞大且价格高昂的精密仪器，只适用于实验室场景，无法满足现实场景对快速在线阻抗测试的迫切需求。因此，电池阻抗谱的快速测试与重构技术对于基于阻抗谱实现电池健康状态的快速准确估计极为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种适用于不同类型，不同应用场景下电池健康状态快速准确估计的基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

3、一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，包括以下步骤：

4、(1)基于逆重复m序列设计包含多频成分的多频电流激励信号；

5、(2)采用步骤(1)获得的多频电流激励信号对电池阻抗谱进行测试，获得相应电压响应信号，对所施加的多频电流激励信号和获得的相应电压响应信号进行采集；

6、(3)对步骤(2)采集得到的多频电池电流激励信号与相应电压响应信号进行连续小波变换，对目标频率范围内的电池阻抗谱进行重构，获得不同老化状态电池重构阻抗谱；

7、(4)基于步骤(3)获得的不同老化状态电池重构阻抗谱，在特殊频率点处的阻抗幅值建立估计电池健康状态的多元线性回归模型，评估锂离子电池健康状态。

8、进一步地，所述步骤(1)中，基于逆重复m序列设计包含多频成分的多频电流激励信号的具体步骤包括：

9、1)选取电流激励信号的幅值：

10、选用电池工作过程中最大可持续充放电电流的10％作为电流激励信号幅值；

11、2)确定待测阻抗谱的目标频率范围：

12、通过电化学工作站对电池进行10mz-10khz频率下完整电化学阻抗谱的测量，绘制新鲜电池完整电化学阻抗谱的负奈奎斯特图，选取负奈奎斯特图横纵坐标皆为正向部分所对应电池阻抗谱的频率确定为待测阻抗谱的目标频率范围[fmin，fmax]，其中fmin为目标频率范围中的最低频率，fmax为目标频率范围中的最高频率；

13、3)选择逆重复m序列的参数：

14、逆重复m序列是一种由n阶线性移位寄存器生成的、包含多频成分的伪随机二进制序列，基于逆重复m序列设计用于电池阻抗谱测试的电流激励信号时，明确序列所包含的有效频率范围[fmin，fmax]，设计满足待测阻抗谱目标频率范围的一段或多段逆重复m序列，具体定义公式如下：

15、

16、

17、在公式(1)、(2)中，fmin为逆重复m序列有效带宽的最低频率，公式中fmax为逆重复m序列有效带宽的最高频率，fc为序列的时钟频率，n为逆重复m序列的阶次；

18、其中，逆重复m序列的有效频率范围与待测阻抗谱目标频率范围间的关系为：

19、fmin≥fmin

20、fmax≤fmax

21、4)生成多频电流激励信号：

22、在逆重复m序列的参数确定后，利用matlab中内置的idinput函数生成多频电流激励信号。

23、进一步地，所述步骤(2)中的电池阻抗谱快速测试，是将步骤(1)中得到的多频电流激励信号施加于被测电池上，同时对施加的多频电流激励信号和电池相应的电压响应信号进行采集，采样频率为1000hz。

24、进一步地，所述步骤(3)中，采用连续小波变换对步骤(2)采集得到的电池多频电流激励信号与相应电压响应信号进行处理，获得电池阻抗谱重构的具体步骤如下：

25、1)采用matlab中内置的cwt函数分别对步骤(2)采集得到的电池多频电流激励信号与相应电压响应信号进行连续小波变换，母小波选取为morse复小波，获得多频电流激励信号和相应电压响应信号的小波系数：

26、

27、

28、在公式(3)、(4)中，wi(t，f)是时间t和频率f的函数，表示多频电流激励信号i(t)的小波系数；wu(t，f)是时间t和频率f的函数，表示相应电压响应信号u(t)的小波系数，多频电流激励信号i(t)的小波系数与相应电压响应信号u(t)的小波系数的比值即为不同频率下电池阻抗的时间序列：

29、

30、2)上述步骤1)得到的阻抗时间序列的实、虚部符合正态分布，通过对电池阻抗时间序列的最大似然估计获得不同频率下的电池阻抗，获得目标频率范围内的电池重构阻抗谱。

31、进一步地，所述步骤(4)中的特殊频率点为高、中频段转折点，中、低频段转折点和低频段终点，建立不同老化状态电池在上述3个特殊频率点处阻抗幅值与电池健康状态间的多元线性回归方程，评估锂离子电池健康状态的；

32、所建立多元线性回归方程如下式所示：

33、

34、其中，为电池soh，为方程的因变量；x1、x2和x3分别对应重构阻抗谱在高、中频段之间和中、低频段之间的切换点以及低频段终点的阻抗幅值；a1、a2、a3、b为自变量对应的系数和常数项。

35、本发明的有益效果是：

36、基于一种不含有直流分量的伪随机二进制序列即逆重复m序列来设计用于电池阻抗谱快速测试的电流激励信号，通过对所采集的电流激励信号与电压响应信号的连续小波变换实现目标频率范围内的电池阻抗谱重构，建立不同老化状态下电池重构阻抗谱在三个特殊频率点下的阻抗幅值与电池健康状态间的多元线性回归方程，实现了在不同类型，不同应用场景下进行锂离子电池健康状态的快速准确评估，大大缩短了电池阻抗谱的测试时间，对实现锂离子电池的精细化检测与健康状态准确快速评估具有指导意义。

技术特征：

1.一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，其特征在于，

4.根据权利要求1所述的基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，其特征在于，

5.根据权利要求1所述的基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法，其特征在于，

技术总结
本发明涉及锂离子电池健康状态估计领域，公开了一种基于阻抗谱重构技术的锂离子电池健康状态估计方法。本发明采用逆重复M序列来设计包含多频成分的电流激励信号以对电池阻抗谱进行快速测试，通过选取M<subgt;o</subgt;rse复小波为母小波对电池电流激励与测量得到的电压响应进行连续小波变换，进行目标频率范围内的电池阻抗谱重构，基于不同老化状态电池重构阻抗谱在特殊频率点处的阻抗幅值建立估计电池健康状态的多元线性回归模型，从而实现锂离子电池健康状态的快速评估。该方法快速准确，大大缩短了电池阻抗谱的测试时间，同时能够适用于多类型、多应用场景下锂离子电池的健康状态评估。

技术研发人员：张彩萍,侯林涛,张琳静,蔡雪,张维戈,张言茹,周兴振
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15