一種實時評估電池健康狀態的方法
2023-09-17 17:02:25 2
一種實時評估電池健康狀態的方法
【專利摘要】本發明提出了一種實時評估電池健康狀態的方法，屬於電池【技術領域】。本方法實現了對於電池健康狀態的實時估計的方法。解決了充放電法，電壓微分法/容量增量法和內阻測量法的共性問題，突破了在線估計電池健康狀態(SOH,StateofHealth)的難題。為電動汽車電池管理系統提供了先進的算法。如摘要附圖所示，該算法包括兩個階段，第一個階段是測試標定階段，類似於內燃機的MAP圖標定，一般在實驗室中進行，該階段使用了概率密度函數(PDF，ProbabilityDensityFunction)；第二個階段是在線估計階段，是電池健康狀態(SOH)在線估計算法的實施流程。在本發明的一個實施例中，算法的實時估計誤差在大部分情況下小於2%。
【專利說明】一種實時評估電池健康狀態的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電池【技術領域】，具體涉及一種在線估計電池健康狀態的方法。
【背景技術】
[0002]電池健康狀態(SOH，State of Health)反映了電池的壽命衰減程度。電池的壽命衰減程度影響著電動汽車的動力性能、續駛裡程和安全性能，需要進行有效的評估。為了對於電池組進行有效地管理，提高車載條件下動力電池組的使用性能，電池健康狀態估計算法電池管理系統中需要包括的關鍵算法之一。
[0003]目前，對於電池健康狀態(SOH)的定量的定義是電池剩餘容量與初始容量的比值。為了估計電池的健康狀態(SOH)，一種常用的方法是充放電法:首先，對於電池進行充放電，獲得電池的初始容量；然後，對於使用中的電池進行充放電，獲得電池的實際剩餘容量；根據電池健康狀態(SOH)的定義，用電池的實際剩餘容量除以初始容量得到歸一化的電池健康狀態(SOH)估計值。
[0004]另一類常用的方法是電壓微分法(DVA, Differential Voltage Analysis)和容量增量法(ICA, Incremental Capacity Analysis),通過對於電池進行充放電,獲取電池的實時容量-電壓曲線，對於曲線進行微分，繪製微分結果的曲線。微分結果曲線中的峰值位置與大小與電池的剩餘容量具有相關性，對比初始情況和某時刻情況下的微分曲線，即可以對於電池健康狀態(SOH)進行估計。
[0005]還有一種方法是內阻測量法，通過對於電池施加脈衝電流激勵或高頻電流激勵，測量電壓的相應，以獲得電池的實時內阻。根據電池內阻與電池健康狀態(SOH)之間的關係對於電池健康狀態(SOH)進行估計。內阻測量法對於功率型動力電池更為有效。
[0006]但是，以上三種方法應用於車載條件下的電池健康狀態(SOH)的實時估計時，均存在一定的問題。充放電法需要對於電池進行完整的充放電循環測試，耗費時間較長，不利於電池健康狀態(SOH)的在線估計。對於電動汽車而言，電池一般都會成組，由於電池之間存在不一致性，充放電法不能使得所有的電池都完成一次充放電，即不能測試電池組中每一節電池的健康狀態(SOH)。電壓微分法(DVA)和容量增量法(ICA)需要在進行數據微分之前，對於充放電曲線進行數據擬合。數據擬合的算法較為複雜，難以應用於電池健康狀態(SOH)的在線估計。內阻測量法需要在電池運行過程中進行特殊的電流激勵，用於實時檢測較為複雜。另外，電池內阻隨電池荷電狀態(SOC，State of Charge)的不同而變化，內阻測量法需要基於較為準確的SOC估計算法。再者，電池內阻也和電池內部的電化學平衡狀態有關，目前對於電池內阻的形成的定量描述尚不清晰，這些都給內阻測量法帶來較大的困難，更不必說應用於電池SOH的在線估計。
【發明內容】
[0007]有鑑於此，有必要提出一種應用於電池管理系統中，能對電池健康狀態進行實時評估的方法。[0008]本發明提出的一種實時評估電池健康狀態的方法包括以下步驟:
以下步驟又可以劃分為兩個階段，第一個階段是測試標定階段；第二個階段是在線估計階段，是電池健康狀態(SOH)在線估計算法的實施流程。
[0009]第一個階段包括以下步驟:
SI，對於待測電池進行多次電池加速壽命循環測試，每次電池加速壽命循環測試電池加速壽命測試包括對待測電池進行恆定電流充放電，恆壓充電，以及對待測電池進行加速壽命實驗，獲得電壓時間曲線；
S2，根據步驟SI中獲得的電壓時間曲線進行電壓統計，繪製電壓概率密度函數(PDF)
圖；
S3，根據電壓概率密度函數(PDF)圖的峰值區間，確定特徵電壓區間；
S4，根據步驟SI中獲得的電壓時間曲線，統計在特徵電壓區間內電壓點的數量；
S5，根據步驟SI中各次電池加速壽命循環測試的充放電時間編制各次測試的充放電時間與特徵電壓區間內電壓點的數量的列表，充放電時間用來表示待測電池的剩餘容量；第二個階段包括以下步驟:
S6，對於待測電池在線進行特徵電壓區間內的恆定電流的部分充放電實驗，並獲得電壓時間曲線；
S7，根據步驟S6中的電壓時間曲線，對於待測電池電壓在特徵電壓區間內的電壓點數進行統計；
S8，根據步驟S7中統計得到電壓點數的統計值，使用S5中獲得的表格進行線性插值查表，獲得電池剩餘容量的估計值，即電池健康狀態(SOH)。
[0010]與現有技術比較，本發明使用概率密度函數(PDF, Probability DensityFunction)可以基於電池內部機理實現對於電池健康狀態的實時估計，解決了充放電法，電壓微分法/容量增量法和內阻測量法的共性問題，突破了在線估計電池健康狀態(SOH)的難題，為電動汽車電池管理系統提供了先進的算法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1一種使用概率密度函數實時評估電池健康狀態的方法的估計流程；
圖2為某款磷酸鐵鋰電池加速壽命實驗的恆電流充放電的電壓-時間曲線；
圖3為圖2中的電壓時間曲線的局部放大圖；
圖4為某款磷酸鐵鋰電池加速壽命實驗的充放電電壓概率密度曲線；
圖5為某款憐酸鐵裡電池加速壽命實驗獲得的標定結果列表意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0013]本發明提出了一種使用概率密度函數實時評估電池健康狀態的方法，該方法可以至少用於對於動力電池進行在線的健康狀態(SOH)估計。[0014]根據本發明的實施例，具體包括以下步驟:
如附圖1所示，以下步驟又可以劃分為兩個階段，第一個階段是測試標定階段，類似於內燃機的MAP圖標定，一般在實驗室中進行；第二個階段是在線估計階段，是電池健康狀態(SOH)在線估計算法的實施流程。
[0015]所述第一個階段包括以下步驟:
SI，對於待測電池進行多次電池加速壽命循環測試，每次電池加速壽命循環測試包括對待測電池進行恆定電流充放電，恆壓充電過程，以及對待測電池進行加速壽命實驗，獲得電壓時間曲線；
S2，對於步驟SI中的對待測電池進行恆定電流充放電獲得的數據段進行分析，繪製概率密度函數(HF)圖；
S3，分析概率密度函數(PDF)圖的特徵，確定特徵電壓區間；
S4，對於不同加速壽命循環的數據結果，統計特徵電壓區間內電壓點的數量；
S5，對於不同加速壽命循環的數據結果，確定恆定電流充放電情況下電池剩餘容量，並編制剩餘容量與特徵電壓區間內電壓點的數量的列表，供查表使用。
[0016]步驟SI中，待測電池可以以是現有技術中任何電池。本實施例中，該待測電池為鋰離子電池，該鋰離子電池磷酸鐵鋰為正極，石墨為負極。實際應用中並不局限於此，還可以選用以鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰離子等任何材料為正極，以石墨、鈦酸鋰等任何材料為負極的電池。
[0017]步驟SI中，每次電池加速壽命循環測試電池加速壽命測試包括對待測電池進行恆定電流充放電，以及對待測電池進行加速壽命實驗。在本發明的一個實施例中，對於某款磷酸鐵鋰電池進行如表1所示的包括`恆定電流充放電在內的加速壽命循環測試。每個循環包括一個恆定電流充放電過程，一個恆壓充電過程，以及一個加速壽命實現過程。表1中，1-4是恆定電流充放電過程，目的在於電池容量測試標定，數據用於步驟S2至S5中的繪圖和列表工作；6是加速壽命實驗過程，將電池置於極端高低溫條件下(溫度高於45°C或低於5°C)，通過採用0.3C充電，1.5C放電進行循環，加速電池的壽命衰減。一個過程6包括了 30次0.3C充電1.5C放電的循環，每30次循環之後，利用過程2飛中的方法獲取一個電池的電壓時間曲線，用於測試容量和繪製概率密度圖。循環過程2-6 —直持續，直到電池的剩餘容量不及初始測試容量的80%。恆電流I=C/3中，C指的是電池的初始容量，也是電池的額定容量。
[0018]表1本發明一個實施例中的電池加速壽命循環測試規程
【權利要求】
1.一種實時評估電池健康狀態的方法，包括一個測試標定階段以及一個在線估計階段，其中，所述測試標定階段包括以下步驟: SI，對於待測電池進行多次電池加速壽命循環測試，每次電池加速壽命循環測試包括對待測電池進行一次恆定電流充放電，一次恆壓充電，以及一次加速壽命實驗，獲得電壓時間曲線； S2，根據步驟SI中獲得的電壓時間曲線進行電壓統計，繪製電壓概率密度函數圖； S3，根據電壓概率密度函數圖的峰值區間，確定特徵電壓區間； S4，根據步驟SI中獲得的電壓時間曲線，統計在特徵電壓區間內電壓點的數量； S5，根據步驟SI中各次電池加速壽命循環測試的充放電時間編制各次測試的充放電時間與特徵電壓區間內電壓點的數量的列表，充放電時間用來表示待測電池的剩餘容量； 所述在線估計階段包括以下步驟: S6，對於待測電池在線進行特徵電壓區間內的恆定電流的充放電實驗，並獲得電壓時間曲線； S7，根據步驟S6中的電壓時間曲線，對於待測電池電壓在特徵電壓區間內的電壓點數進行統計； S8，根據步驟S7中統計得到電壓點數的統計值，使用S5中獲得的表格進行查表，獲得電池剩餘容量的估計值，即電池健康狀態。
2.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，對待測電池進行恆定電流充放電包括:對待測電池靜置後，恆流放電；對待測電池放電後，恆流充電。
3.如權利要求2所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，對待測電池進行恆定電流充放電時，恆定電流為待測電池額定電流的三分之一。
4.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，步驟SI中的對待測電池進行加速壽命實驗，通過在高低溫條件下，以大電流充放電的方式加速電池的壽命衰減。
5.如權利要求4所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，在步驟SI中，對於待測電池進行多次電池加速壽命循環測試的終止條件是電池容量衰減至80%。
6.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，在步驟S3中:根據步驟S2中獲得的概率密度函數曲隨著循環次數的增加而單調降低的部分，確定充電條件下的特徵電壓區間；根據步驟S2中獲得的概率密度函數曲隨著循環次數的增加而單調升高的部分，選擇放電條件下的特徵電壓區間。
7.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，在步驟S5中，編制了剩餘容量與特徵電壓區間內電壓點的數量的列表，供在線估計時查表使用。
8.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，在步驟S6中，電池在線充放電時使用的電流與步驟SI中使用的恆定電流大小一致。
9.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，在步驟S7中，對於特徵電壓區間內的電池電壓點數進行了統計，統計是指計數。
10.如權利要求1所述的實時評估電池健康狀態的方法，其特徵在於，在步驟S8中，根據步驟S7中特徵電壓區間的電池電壓點數以及步驟S5中獲得的表格進行查表，線性插值得到待測電池剩餘容量的估計值，即電池的健康狀態(SOH)。
【文檔編號】G01R31/36GK103675702SQ201310641442
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】馮旭寧, 盧蘭光, 歐陽明高, 何向明, 李建軍, 李建秋, 韓雪冰 申請人:清華大學