用于估計電池健康狀態(tài)的方法
1.本發(fā)明涉及一種用于估計電池健康狀態(tài)的方法。本發(fā)明更具體地涉及旨在為電動或混合動力機動車輛供電的電池。
2.確定電池的健康狀態(tài)或老化是對于表征電池狀態(tài)以便優(yōu)化能量的放電/充電以及蓄電池的使用壽命來說必不可少的條件。
3.在本技術(shù)中，“電池健康狀態(tài)”是指在給定時刻估計的電池能量健康狀態(tài)或sohe的指標，該指標反映了尤其是電池的使用年限及其使用狀況導(dǎo)致的電池自主性的劣化程度。
4.一旦該參數(shù)達到閾值，則電池被認為是過于老舊，并且可以從負載電路中移除，例如用于非車載的二次壽命用途。sohe還用于bms(電池管理系統(tǒng))特定的其他內(nèi)部計算。作為提醒，bms是可以管理和控制電池的各種參數(shù)(如例如，其荷電狀態(tài)或soc)的電子系統(tǒng)。
5.sohe通常由bms在電池使用時、尤其是在車輛行駛時的放電時段或車輛連接到充電終端時的充電時段期間進行計算。此時，電池健康狀態(tài)的“在線”估計也稱為“車載”估計，因為該估計是由車載bms自主進行的。目前，這些在線計算往往不是很可靠，有時相對于sohe的真實值觀察到的差異相對較大。
6.電池健康狀態(tài)可以由各種量來進行量化。最常用的是所研究電池的容量、電阻或?qū)嶋H阻抗的變化。
7.無論使用什么參數(shù)進行定義，電池健康狀態(tài)都必須精確，以避免發(fā)生不合時宜的故障的風險或由所述電池供電的系統(tǒng)性能意外劣化的風險。這對于電動或混合動力機動車輛電池來說尤其重要。此外，取決于制造商，電動車輛出售時可能不帶電池。此時電池就需要單獨的租賃/維護合同。在這種情況下，電池健康狀態(tài)是電池租賃/維護合同中包括的保修的主要輸入數(shù)據(jù)。
8.由于該問題的技術(shù)和經(jīng)濟重要性，已經(jīng)提出了很多用于估計電池健康狀態(tài)的方法。因此，文獻us 2011112781披露了一種用于基于從用于管理設(shè)有傳感器的電池的系統(tǒng)采集的與電池行為相關(guān)的動態(tài)量、尤其是與soc和溫度相關(guān)的量來估計車輛電池健康狀態(tài)的方法。根據(jù)一個示例性實施例，該方法使用第一算法(稱為基于時間的算法)和第二算法(稱為基于事件的算法)來估計電池健康狀態(tài)?；跁r間的算法周期性地(例如，每毫秒一次、每秒一次等)接收所采集的量(例如soc)，并提供相應(yīng)的輸出。基于事件的算法可以從電池采集的量中提取特定數(shù)據(jù)，通常是與soc的變化相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將它們與soc的最大值或最小值進行比較，并提供相應(yīng)的輸出。然后結(jié)合基于時間的算法和基于事件的算法的輸出來估計電池的能量健康狀態(tài)。
9.這種在線方法的好處是補償基于時間的算法的局限性，具體地，該基于時間的算法可能沒有考慮可能發(fā)生的某些內(nèi)部采樣事件，因為該算法僅使用周期性采樣的電池信息作為輸入。通常，如果每秒獲取一次電池單體的soc，并且soc在兩次獲取之間短暫地達到峰值，那么基于時間的算法將不會考慮該信息，這可能會影響對健康狀態(tài)的整體預(yù)測。基于事件的算法通過將給定時刻荷電狀態(tài)的變化作為輸入并將其與先前已知的值進行比較緩解了這種情況。
10.然而，所獲得的估計的精確度隨著電池的使用壽命增加而變得不可靠，并且根據(jù)
來自電池的具體使用數(shù)據(jù)(即，取決于電池的具體使用狀況)存在顯著估計漂移的風險。該估計無法實現(xiàn)選擇最接近該參數(shù)真實值的sohe的計算值以及消除遠離真實值的值。
11.換言之，需要能夠消除對電池能量健康狀態(tài)的在線估計的潛在漂移。
12.本發(fā)明的一個目的是提出一種對電池、特別是電動或混合動力車輛配備的電池能量健康狀態(tài)的估計，通過考慮電池的具體使用狀況，這種估計在電池的整個使用期間是精確的。
13.為此，本發(fā)明涉及一種用于估計電動或混合動力車輛的電池健康狀態(tài)的方法，該方法包括基于在電池上測量的包括其充電狀態(tài)在內(nèi)的至少一個參數(shù)計算所述健康狀態(tài)的步驟，該方法的特征在于，該方法包括以下步驟：
[0014]-選擇車輛的典型使用情況，包括總是對應(yīng)于基本相同的行駛距離的放電事件或總是對應(yīng)于基本相同的在充電終端處再充電的時段的充電事件，每次放電或充電事件后都有比該電池的給定弛豫時間更長的休息時段；
[0015]-確定控制值，該控制值在給定的初始時刻代表所選擇的使用情況的放電或充電事件期間電池荷電狀態(tài)的變化；
[0016]-基于控制值與所選擇的使用情況的事件結(jié)束時荷電狀態(tài)的變化之間的比較，估計所述電池的能量健康狀態(tài)。
[0017]
這種通過使用除車載bms以外的計算機，以離線或非車載方式獲得的對電池健康狀態(tài)的估計是特別有利的，因為它可以提供電池健康狀態(tài)的參考值，從而有可能檢測到電池健康狀態(tài)的在線估計的潛在漂移，這通過車載bms中的已知方法實現(xiàn)。
[0018]
有利地，該方法包括以下在先步驟：
[0019]-從包括所述電動或混合動力車輛的一組車輛采集使用數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)至少與每次放電事件時所覆蓋的行駛距離或每次充電事件時的再充電時段相關(guān)；
[0020]-通過應(yīng)用用于過濾所采集的使用數(shù)據(jù)的至少一個條件來選擇所述電動或混合動力車輛，這使得可以確定所述電動或混合動力車輛的典型使用情況。
[0021]
憑借過濾來自一組車輛的使用數(shù)據(jù)，可以選擇一個或多個目標車輛獲得其在給定時段內(nèi)的常規(guī)行駛行為，并且因此確定可以以最高的可能置信度采用對于計算電池健康狀態(tài)有益的數(shù)據(jù)的充電或放電事件。
[0022]
根據(jù)所確定的包括放電事件的典型使用情況的一個實施例，電池健康狀態(tài)的估計由以下關(guān)系確定：
[0023][0024]
其中，δsoc
bol
表示所述控制值；
[0025]
δsoc是所確定的典型使用情況下所考慮的放電事件期間荷電狀態(tài)的變化。
[0026]
根據(jù)所確定的包括充電事件的典型使用情況的另一個實施例，電池健康狀態(tài)的估計由以下關(guān)系確定：
[0027][0028]
其中，表示所述控制值，δe
ch，bol
對應(yīng)于在所述給定初始時刻充電事件期
間充電的能量，并且δsoc
bol
表示在該充電事件期間電池荷電狀態(tài)的變化；
[0029]
表示在所確定的典型使用情況下所考慮的充電事件期間充電的能量與荷電狀態(tài)變化的比率。
[0030]
有利地，用于過濾車輛使用數(shù)據(jù)的所述至少一個條件可以基于給定時段的放電或充電事件的最小數(shù)量。
[0031]
有利地，用于過濾車輛使用數(shù)據(jù)的所述至少一個條件可以基于給定時段內(nèi)的最小累積使用時間。
[0032]
有利地，所述控制值對應(yīng)于代表電池壽命開始時電池荷電狀態(tài)變化的值。
[0033]
有利地，該方法包括在電池壽命開始時校準所述控制值的步驟。
[0034]
有利地，在典型使用情況的事件期間的荷電狀態(tài)變化是通過基于在開始時刻和結(jié)束時刻開路中的電池兩端的電壓直接確定在所述事件的所述開始時刻和結(jié)束時刻的荷電狀態(tài)來獲得的。
[0035]
通過以下參照附圖指示性地和完全非限制性地給出的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將會變得清楚明了，在附圖中：
[0036]
[圖1]是圖示給定車輛的行駛距離的統(tǒng)計分布的示例的示意圖；
[0037]
[圖2]是圖示當選擇一個或多個目標車輛時考慮的統(tǒng)計量的示例的示意圖；
[0038]
[圖3]是圖示以根據(jù)時間變化的行駛距離的形式監(jiān)測目標車輛的示例的示意圖。
[0039]
本發(fā)明的原理依賴于以下事實：來自車隊或一組車輛的大量使用數(shù)據(jù)是可用的，因此在對電動車輛的部件(在這種情況下是電池)執(zhí)行離線診斷時表現(xiàn)出不可忽視的豐富度。
[0040]
目標首先是對這些使用數(shù)據(jù)進行過濾，以便能夠選擇目標車輛或一組目標車輛(由于車輛使用的某些特征、尤其是規(guī)律性)，并且可以對車輛應(yīng)用其電池健康狀態(tài)的離線診斷。在這種情況下，確定重復(fù)的行駛曲線，這可能是對整個車輛使用過程中的行駛進行統(tǒng)計研究的結(jié)果。
[0041]
因此，圖1圖示了給定車輛的行駛距離(以公里為單位)的統(tǒng)計分布的示例。首先，將基于反映車輛典型使用的所覆蓋的行駛距離來選擇來自該車輛的使用數(shù)據(jù)。例如，所確定行駛距離大于最小值，以使由此產(chǎn)生的電池荷電狀態(tài)(其作為輸入數(shù)據(jù)對于計算電池健康狀態(tài)有益)的變化顯著。
[0042]
為了選擇目標車輛，想法是逼近一個電池組的場景，在這個場景中，測量容量的環(huán)境是可復(fù)制的。在這種情況下，通過使用過濾條件過濾使用數(shù)據(jù)來確保測量環(huán)境的可復(fù)制性，必須滿足該過濾條件才能選擇目標車輛。
[0043]
圖2圖示了當選擇一個或多個目標車輛時可以考慮作為過濾車輛使用數(shù)據(jù)的條件的統(tǒng)計量的示例。圖2的示例基于4年的最小行駛時段n_y，以便獲得表現(xiàn)出明顯劣化的電池健康狀態(tài)。
[0044]
因此，例如，在選擇目標車輛時，可以檢查在給定的4年行駛時段內(nèi)電池放電事件的最小數(shù)量nc。還可以檢查在給定行駛時段內(nèi)每年的放電事件的數(shù)量是否大于給定的最小數(shù)量nc_annual_min，根據(jù)示例，該數(shù)量等于25。例如，每年放電事件的數(shù)量必須滿足可接受的最小值，以使診斷符合每月至少發(fā)生兩次放電事件的假設(shè)。
[0045]
還可以將在給定的行駛時段內(nèi)每年放電事件的平均值nc_avg考慮作為用于選擇目標車輛的過濾條件。
[0046]
還可以將在給定的行駛時段內(nèi)的最小累積使用時間考慮作為用于選擇目標車輛的過濾條件。
[0047]
在選擇了一個或多個目標車輛之后，在給定的行駛時段內(nèi)針對每個目標車輛標識表現(xiàn)出基本上相同的標稱行駛距離的電池放電事件。參考圖3，圖示了根據(jù)時間的每次放電事件所覆蓋的行駛距離監(jiān)測目標車輛的示例，可以觀察到，目標車輛通常的行程約為40km。如下文將解釋的，使用該標稱行駛距離(其代表目標車輛進行的常規(guī)行程)上電池荷電狀態(tài)的變化，可以計算目標車輛的電池的sohe。
[0048]
該標稱距離d
nom
首先用于選擇對應(yīng)于該標稱行駛距離的目標車輛的放電事件，因此所選擇的每個放電事件定義了在給定的行駛時段內(nèi)所考慮的目標車輛的常規(guī)目標行程。為此，選擇放電事件，其行駛距離d對應(yīng)于具有一定公差δd的標稱距離d
nom
：
[0049]dnom-δd《d《d
nom
+δd
[0050]
此外，使用附加的選擇條件選擇這些常規(guī)目標行程。在這種情況下，選擇對應(yīng)于常規(guī)目標行程的放電事件，那些放電事件后是比電池的給定目標弛豫時間更長的休息時段。
[0051]
然后，只要在目標行程的開始和結(jié)束時刻的電池荷電狀態(tài)可以對應(yīng)于電池的弛豫狀態(tài)，該選擇條件就是特別有利的。在這種情況下，荷電狀態(tài)soc可以基于開路中電池兩端的電壓(開路電壓，或ocv)和soc-ocv特性(soc＝f(ocv))直接計算。
[0052]
具體地，在大多數(shù)電池技術(shù)中，電池的充電和/或放電時段被弛豫時段隔開，在弛豫時段期間，沒有電流流過電池。在一定的弛豫時間結(jié)束時，電池達到平衡狀態(tài)。然后可以測量電池的空載電壓，它對應(yīng)于平衡時的電動勢?，F(xiàn)在，對于每種類型的電池，平衡時的每個電動勢都對應(yīng)于精確的荷電狀態(tài)。達到平衡狀態(tài)所需的弛豫時間取決于電極的極化程度。根據(jù)電池的類型，達到平衡狀態(tài)需要幾分鐘到幾小時的弛豫時間。
[0053]
例如，選擇其后有超過2h的休息時段的放電事件。
[0054]
因此，在弛豫期間測量平衡時的電動勢使得可以基于特性soc＝f(ocv)嚴格調(diào)整對荷電狀態(tài)的估計。
[0055]
除了標稱距離和休息時間條件外，在選擇目標車輛的放電事件時，還可以考慮放電事件開始時的最小荷電狀態(tài)閾值soc
init,min
。換言之，選擇在放電事件開始時電池的荷電狀態(tài)soc
init
高于預(yù)定義的最小荷電狀態(tài)閾值的放電事件，或者：
[0056]
soc
init
＞soc
init，min
[0057]
以相同的方式，還可以考慮放電事件過程中的最小荷電狀態(tài)變化閾值δsoc
min
。換言之，選擇在放電事件過程中電池的荷電狀態(tài)的變化高于預(yù)定義的最小荷電狀態(tài)變化閾值的放電事件，或者：
[0058]
|δsoc|＞δsoc
min
[0059]
通過這種方式，由目標車輛過濾數(shù)據(jù)的好處是可以在相同，或者不然的話，在類似條件下根據(jù)荷電狀態(tài)的變化估計sohe。因此，本發(fā)明的方法依賴于通過所做的選擇掌握對計算sohe有益的數(shù)據(jù)。
[0060]
因此，一旦目標車輛對數(shù)據(jù)進行了過濾，使得可以選擇常規(guī)目標行程或比電池的給定目標弛豫時間更長的休息時段之前的放電事件，就確定了控制值δsoc
bol
，該控制值代
表了初始時刻目標行程中電池荷電狀態(tài)的變化：
[0061]
δsoc
bol
＝soc
開始-soc
結(jié)束
[0062]
其中，soc
開始
和soc
結(jié)束
分別代表電池開始使用時，目標行程開始時和目標行程結(jié)束時電池的荷電狀態(tài)。該電池開始使用對應(yīng)于電池壽命開始(bol)。
[0063]
應(yīng)注意，在電池壽命開始時對電池健康狀態(tài)的控制值進行校準的時間段，例如，該時間段可能約為一年，并根據(jù)電池的化學(xué)成分進行校準。因此，只要電池的使用年限小于電池壽命開始的預(yù)定義的使用年限(例如，根據(jù)示例，一年)，就存儲在該時段期間為每個給定的常規(guī)目標行程測量的電池荷電狀態(tài)的變化。
[0064]
可以將加權(quán)平均值應(yīng)用于測量，以便在電池壽命開始時將參數(shù)δsoc
bol
的值設(shè)置為控制值。
[0065]
為了離線計算sohe，假設(shè)對于每個給定的常規(guī)目標行程，在恒定溫度下，電池荷電狀態(tài)的變化僅取決于其老化。另外，鑒于所選行程所覆蓋的行駛距離在整個給定行駛時段是相同的，進行這些行程所需的荷電狀態(tài)soc變化的明顯差異構(gòu)成了電池容量損失的指標，因此也構(gòu)成了sohe劣化的指標。
[0066]
然后對根據(jù)時間獲得的點云執(zhí)行過濾，以建立sohe的劣化規(guī)律。
[0067]
最后，sohe由以下等式確定：
[0068][0069]
其中，δsoc
bol
表示電池壽命開始時的健康狀態(tài)的控制值，對應(yīng)于電池壽命開始時目標行程中電池荷電狀態(tài)的變化，并且δsoc表示在所考慮的目標行程中荷電狀態(tài)的變化。
[0070]
剛剛描述的實施例適用于基于選擇車輛的典型使用情況計算sohe，包括總是對應(yīng)于基本相同的行駛距離或相同的常規(guī)目標行程的放電事件。
[0071]
但是，可能存在這些情況，諸如將車輛出售給另一個用戶、地址或工作場所的變化或用戶行為的變化，這些情況涉及車輛所選目標行程或標稱距離的變化?，F(xiàn)在，根據(jù)上述原理，作為荷電狀態(tài)變化的函數(shù)的電池健康狀態(tài)必須在相同，或者不然的話，在類似的條件下進行估計。
[0072]
為了彌補標稱距離的變化，使得可以根據(jù)荷電狀態(tài)變化來估計電池的健康狀態(tài)的控制值將是所覆蓋的每公里荷電狀態(tài)的變化。因此得出以下用于估計健康狀態(tài)的公式：
[0073][0074]
其中，d
bol
對應(yīng)于在電池壽命開始時的常規(guī)目標行程期間所覆蓋的距離，并且d對應(yīng)于所選擇的放電事件的行駛距離。
[0075]
本發(fā)明的另一個實施例涉及基于選擇車輛的典型使用情況來估計sohe，這一次包括當車輛連接到用于對電池進行再充電的終端時，總是對應(yīng)于基本上相同的電池再充電時段的電池充電的事件。
[0076]
在這種情況下，目的是使用在充電事件期間充電的能量δe
ch
(kwh)作為電池健康狀態(tài)的指標。具體地，計算在電池充電時段向電池充電的能量涉及考慮充電電流和電池的內(nèi)阻。因此，在老化過程中充電能量的變化同時反映了這兩種現(xiàn)象。在電池充電期間測量的能量的值與其在電池壽命開始(bol)時的值之間的比率使得可以估計sohe。
[0077]
首先，實施由所選擇的目標車輛過濾數(shù)據(jù)的步驟以選擇暫停之前的充電事件。該
過濾步驟旨在確保sohe的估計具有更大的魯棒性。因此，再充電時段首先用作用于選擇目標車輛充電事件的選擇條件，其持續(xù)時間t介于預(yù)定義的最小持續(xù)時間tmin與最大持續(xù)時間tmax之間，或者：
[0078]
t
min
《t《t
max
[0079]
該實施例還涉及選擇比電池的給定弛豫時間更長的休息時段(例如2h)之前的充電事件。該弛豫時間可以被校準并且取決于電池的化學(xué)成分和溫度。然后，在充電事件的開始和結(jié)束時刻的電池荷電狀態(tài)對應(yīng)于電池的弛豫狀態(tài)。在這種情況下，荷電狀態(tài)soc可以根據(jù)之前闡述的原理基于開路中電池兩端的電壓(ocv)直接計算。
[0080]
此外，使用其他選擇條件來選擇充電事件。因此，可以使用充電功率來選擇目標車輛的充電事件，其充電功率p
ch
對應(yīng)于具有一定公差δp的標稱充電功率p
ch,nom
，或者：
[0081]
p
ch,nom-δp《p
ch
《p
ch,nom
+δp
[0082]
具體地，功率是對充電期間的能量值以及溫度和荷電狀態(tài)的深度(換言之，充電的持續(xù)時間)具有影響的參考量之一。
[0083]
同樣，在選擇充電事件時可以考慮充電事件過程中的最小荷電狀態(tài)變化閾值δsoc
min
。換言之，選擇在充電事件過程中電池的荷電狀態(tài)的變化高于預(yù)定義的最小荷電狀態(tài)變化閾值的充電事件，或者：
[0084]
|δsoc|＞δsoc
min
[0085]
應(yīng)注意，在電池壽命開始時對目標能量進行校準的時間段，例如，該時間段可能約為一年，并根據(jù)電池的化學(xué)成分進行校準。
[0086]
可以通過幾種不同的方式測量充電的能量：要么由bms通過電流和電壓的乘積進行積分在線獲得，要么通過測量在不同充電時刻的瞬時功率在線獲得，該信息在離線狀態(tài)下提供。
[0087]
在該校準時段結(jié)束時，將電池壽命開始時的比率的值設(shè)置為代表該給定初始時刻電池的健康狀態(tài)的控制值，其中，δe
ch，bol
對應(yīng)于在電池壽命開始時選擇的充電事件期間充電的能量，δsoc
bol
表示該充電事件期間電池荷電狀態(tài)的變化。
[0088]
最后，sohe由以下等式確定：
[0089][0090]
其中，表示在所考慮的充電事件中充電的能量與荷電狀態(tài)變化的比率。

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