一種實時評估電池健康狀態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種實時評估電池健康狀態(tài)的方法，屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法實現(xiàn)了對于電池健康狀態(tài)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(nèi)阻測量法的共性問題，突破了在線估計電池健康狀態(tài)(SOH,StateofHealth)的難題。為電動汽車電池管理系統(tǒng)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，類似于內(nèi)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(shù)(PDF，ProbabilityDensityFunction)；第二個階段是在線估計階段，是電池健康狀態(tài)(SOH)在線估計算法的實施流程。在本發(fā)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于2%。
【專利說明】一種實時評估電池健康狀態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種在線估計電池健康狀態(tài)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電池健康狀態(tài)(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(xù)駛里程和安全性能，需要進行有效的評估。為了對于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(tài)估計算法電池管理系統(tǒng)中需要包括的關(guān)鍵算法之一。
[0003]目前，對于電池健康狀態(tài)(SOH)的定量的定義是電池剩余容量與初始容量的比值。為了估計電池的健康狀態(tài)(SOH)，一種常用的方法是充放電法:首先，對于電池進行充放電，獲得電池的初始容量；然后，對于使用中的電池進行充放電，獲得電池的實際剩余容量；根據(jù)電池健康狀態(tài)(SOH)的定義，用電池的實際剩余容量除以初始容量得到歸一化的電池健康狀態(tài)(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),通過對于電池進行充放電,獲取電池的實時容量-電壓曲線，對于曲線進行微分，繪制微分結(jié)果的曲線。微分結(jié)果曲線中的峰值位置與大小與電池的剩余容量具有相關(guān)性，對比初始情況和某時刻情況下的微分曲線，即可以對于電池健康狀態(tài)(SOH)進行估計。
[0005]還有一種方法是內(nèi)阻測量法，通過對于電池施加脈沖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(nèi)阻。根據(jù)電池內(nèi)阻與電池健康狀態(tài)(SOH)之間的關(guān)系對于電池健康狀態(tài)(SOH)進行估計。內(nèi)阻測量法對于功率型動力電池更為有效。
[0006]但是，以上三種方法應用于車載條件下的電池健康狀態(tài)(SOH)的實時估計時，均存在一定的問題。充放電法需要對于電池進行完整的充放電循環(huán)測試，耗費時間較長，不利于電池健康狀態(tài)(SOH)的在線估計。對于電動汽車而言，電池一般都會成組，由于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(jié)電池的健康狀態(tài)(SOH)。電壓微分法(DVA)和容量增量法(ICA)需要在進行數(shù)據(jù)微分之前，對于充放電曲線進行數(shù)據(jù)擬合。數(shù)據(jù)擬合的算法較為復雜，難以應用于電池健康狀態(tài)(SOH)的在線估計。內(nèi)阻測量法需要在電池運行過程中進行特殊的電流激勵，用于實時檢測較為復雜。另外，電池內(nèi)阻隨電池荷電狀態(tài)(SOC，State of Charge)的不同而變化，內(nèi)阻測量法需要基于較為準確的SOC估計算法。再者，電池內(nèi)阻也和電池內(nèi)部的電化學平衡狀態(tài)有關(guān)，目前對于電池內(nèi)阻的形成的定量描述尚不清晰，這些都給內(nèi)阻測量法帶來較大的困難，更不必說應用于電池SOH的在線估計。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，有必要提出一種應用于電池管理系統(tǒng)中，能對電池健康狀態(tài)進行實時評估的方法。[0008]本發(fā)明提出的一種實時評估電池健康狀態(tài)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(tài)(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，對于待測電池進行多次電池加速壽命循環(huán)測試，每次電池加速壽命循環(huán)測試電池加速壽命測試包括對待測電池進行恒定電流充放電，恒壓充電，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(jù)步驟SI中獲得的電壓時間曲線進行電壓統(tǒng)計，繪制電壓概率密度函數(shù)(PDF)
圖；
S3，根據(jù)電壓概率密度函數(shù)(PDF)圖的峰值區(qū)間，確定特征電壓區(qū)間；
S4，根據(jù)步驟SI中獲得的電壓時間曲線，統(tǒng)計在特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量；
S5，根據(jù)步驟SI中各次電池加速壽命循環(huán)測試的充放電時間編制各次測試的充放電時間與特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量的列表，充放電時間用來表示待測電池的剩余容量；第二個階段包括以下步驟:
S6，對于待測電池在線進行特征電壓區(qū)間內(nèi)的恒定電流的部分充放電實驗，并獲得電壓時間曲線；
S7，根據(jù)步驟S6中的電壓時間曲線，對于待測電池電壓在特征電壓區(qū)間內(nèi)的電壓點數(shù)進行統(tǒng)計；
S8，根據(jù)步驟S7中統(tǒng)計得到電壓點數(shù)的統(tǒng)計值，使用S5中獲得的表格進行線性插值查表，獲得電池剩余容量的估計值，即電池健康狀態(tài)(SOH)。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明使用概率密度函數(shù)(PDF, Probability DensityFunction)可以基于電池內(nèi)部機理實現(xiàn)對于電池健康狀態(tài)的實時估計，解決了充放電法，電壓微分法/容量增量法和內(nèi)阻測量法的共性問題，突破了在線估計電池健康狀態(tài)(SOH)的難題，為電動汽車電池管理系統(tǒng)提供了先進的算法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)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(shù)實時評估電池健康狀態(tài)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恒電流充放電的電壓-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(jié)果列表意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面詳細描述本發(fā)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，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0013]本發(fā)明提出了一種使用概率密度函數(shù)實時評估電池健康狀態(tài)的方法，該方法可以至少用于對于動力電池進行在線的健康狀態(tài)(SOH)估計。[0014]根據(jù)本發(fā)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，類似于內(nèi)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(tài)(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，對于待測電池進行多次電池加速壽命循環(huán)測試，每次電池加速壽命循環(huán)測試包括對待測電池進行恒定電流充放電，恒壓充電過程，以及對待測電池進行加速壽命實驗，獲得電壓時間曲線；
S2，對于步驟SI中的對待測電池進行恒定電流充放電獲得的數(shù)據(jù)段進行分析，繪制概率密度函數(shù)(HF)圖；
S3，分析概率密度函數(shù)(PDF)圖的特征，確定特征電壓區(qū)間；
S4，對于不同加速壽命循環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)果，統(tǒng)計特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量；
S5，對于不同加速壽命循環(huán)的數(shù)據(jù)結(jié)果，確定恒定電流充放電情況下電池剩余容量，并編制剩余容量與特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量的列表，供查表使用。
[0016]步驟SI中，待測電池可以以是現(xiàn)有技術(shù)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。實際應用中并不局限于此，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(huán)測試電池加速壽命測試包括對待測電池進行恒定電流充放電，以及對待測電池進行加速壽命實驗。在本發(fā)明的一個實施例中，對于某款磷酸鐵鋰電池進行如表1所示的包括`恒定電流充放電在內(nèi)的加速壽命循環(huán)測試。每個循環(huán)包括一個恒定電流充放電過程，一個恒壓充電過程，以及一個加速壽命實現(xiàn)過程。表1中，1-4是恒定電流充放電過程，目的在于電池容量測試標定，數(shù)據(jù)用于步驟S2至S5中的繪圖和列表工作；6是加速壽命實驗過程，將電池置于極端高低溫條件下(溫度高于45°C或低于5°C)，通過采用0.3C充電，1.5C放電進行循環(huán)，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(huán)，每30次循環(huán)之后，利用過程2飛中的方法獲取一個電池的電壓時間曲線，用于測試容量和繪制概率密度圖。循環(huán)過程2-6 —直持續(xù)，直到電池的剩余容量不及初始測試容量的80%。恒電流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(fā)明一個實施例中的電池加速壽命循環(huán)測試規(guī)程
【權(quán)利要求】
1.一種實時評估電池健康狀態(tài)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，對于待測電池進行多次電池加速壽命循環(huán)測試，每次電池加速壽命循環(huán)測試包括對待測電池進行一次恒定電流充放電，一次恒壓充電，以及一次加速壽命實驗，獲得電壓時間曲線； S2，根據(jù)步驟SI中獲得的電壓時間曲線進行電壓統(tǒng)計，繪制電壓概率密度函數(shù)圖； S3，根據(jù)電壓概率密度函數(shù)圖的峰值區(qū)間，確定特征電壓區(qū)間； S4，根據(jù)步驟SI中獲得的電壓時間曲線，統(tǒng)計在特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量； S5，根據(jù)步驟SI中各次電池加速壽命循環(huán)測試的充放電時間編制各次測試的充放電時間與特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量的列表，充放電時間用來表示待測電池的剩余容量； 所述在線估計階段包括以下步驟: S6，對于待測電池在線進行特征電壓區(qū)間內(nèi)的恒定電流的充放電實驗，并獲得電壓時間曲線； S7，根據(jù)步驟S6中的電壓時間曲線，對于待測電池電壓在特征電壓區(qū)間內(nèi)的電壓點數(shù)進行統(tǒng)計； S8，根據(jù)步驟S7中統(tǒng)計得到電壓點數(shù)的統(tǒng)計值，使用S5中獲得的表格進行查表，獲得電池剩余容量的估計值，即電池健康狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，對待測電池進行恒定電流充放電包括:對待測電池靜置后，恒流放電；對待測電池放電后，恒流充電。
3.如權(quán)利要求2所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，對待測電池進行恒定電流充放電時，恒定電流為待測電池額定電流的三分之一。
4.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，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(quán)利要求4所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，在步驟SI中，對于待測電池進行多次電池加速壽命循環(huán)測試的終止條件是電池容量衰減至80%。
6.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，在步驟S3中:根據(jù)步驟S2中獲得的概率密度函數(shù)曲隨著循環(huán)次數(shù)的增加而單調(diào)降低的部分，確定充電條件下的特征電壓區(qū)間；根據(jù)步驟S2中獲得的概率密度函數(shù)曲隨著循環(huán)次數(shù)的增加而單調(diào)升高的部分，選擇放電條件下的特征電壓區(qū)間。
7.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，在步驟S5中，編制了剩余容量與特征電壓區(qū)間內(nèi)電壓點的數(shù)量的列表，供在線估計時查表使用。
8.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，在步驟S6中，電池在線充放電時使用的電流與步驟SI中使用的恒定電流大小一致。
9.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，在步驟S7中，對于特征電壓區(qū)間內(nèi)的電池電壓點數(shù)進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計是指計數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的實時評估電池健康狀態(tài)的方法，其特征在于，在步驟S8中，根據(jù)步驟S7中特征電壓區(qū)間的電池電壓點數(shù)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余容量的估計值，即電池的健康狀態(tài)(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(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)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

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