本發(fā)明涉及電池狀態(tài)檢測，尤其涉及一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著電動汽車的快速發(fā)展，以鋰離子二次電池為代表的非水電解質(zhì)二次電池具有高能量密度，高循環(huán)壽命，高充放電倍率，高工作電壓等優(yōu)勢，成為電動汽車動力源的首要選擇。

電動汽車工作電壓高達300-500v，甚至更高。而鋰離子二次電池單體電壓只有三點幾伏，這就需要成百上千顆的電池串聯(lián)使用才能滿足要求，如此多的電池必然由于性能之間的差異影響動力電動汽車的性能，嚴重的還會導致各種不良后果。

隨著電動汽車的大量普及，電動汽車的運營維護檢測必然會成為需求，作為電動汽車的核心部件之一的動力電池會是維護檢測的重中之重，另外電動汽車的二手車市場必然會興起，動力電池占據(jù)著電動汽車成本的40％-50％，對電池當前性能與壽命分析成為必要的環(huán)節(jié)，而健康狀態(tài)(stateofhealth，soh)是對電池健康壽命狀態(tài)的表征，能反映電池的電量，能量，充放電功率等狀態(tài)，對健康狀態(tài)準確的預測可使用戶充分了解電池當前的狀態(tài)，根據(jù)底層條件作出維護決策，調(diào)整各項性能指標，降低危險系數(shù)，或者對其中性能不能滿足要求的單體電池進行更換，降低使用成本。

現(xiàn)在電池soh的測試方法主要有①放電實驗法；②內(nèi)阻法；③電化學阻抗分析法；④各種模型分析法等。但是這些檢測方法實際使用時均有缺點：

直接放電法：需要離線測試，對車用動力電池來說實現(xiàn)困難，測試負載笨重，操作不方便，正常情況下，測試時間需要5～6個小時，測試時間過長。

內(nèi)阻法：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電池容量下降了原來的25％—30％時，電池內(nèi)阻才有明顯的變化，而此時，電池容量衰減一超過20％，按照標準，電池已經(jīng)不能再作為動力電池使用，因此不適用于動力電池的檢測要求。

電化學阻抗分析法：需要大量的數(shù)據(jù)采集與分析，還需要扎實的關(guān)于阻抗與阻抗譜的理論知識，另外檢測設(shè)備造價昂貴。

模型分析法：目前研究的模型不能很好的來表征soh，模型參數(shù)獲取復雜，運算量太大，一般的車載微處理器ecu難以滿足要求。

電池健康狀態(tài)(soh)描述的是一個長期的變化，多數(shù)情況下不需要連續(xù)測量，只需要定期檢測就可以。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置，解決現(xiàn)在的檢測方法要么不適用，要么設(shè)備昂貴或者測試時間長，實現(xiàn)困難的缺陷。

技術(shù)方案

一種電池健康狀態(tài)檢測方法，其特征在于包括以下步驟：

i)確定電池當前狀態(tài)的步驟；

ii)選取合適的電流倍率與充放電區(qū)間的步驟，依據(jù)電池的基本參數(shù)，選取充放電電流大小和充放電截止條件；

iii)按照選取的充放電區(qū)間對電池進行充放電實驗，電壓測量模塊記錄充放電過程中的電壓值，電流測量模塊記錄電流值，以及進行充放電實驗的時間；

iv)控制充放電電流相等，按照計算式r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)計算出充放電過程中充入的能量和放出的能量的能量損耗的表征內(nèi)阻，得到電池健康狀態(tài)階段，

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時間，t1為充放電開始時間。

進一步，根據(jù)得到的表征內(nèi)阻，結(jié)合溫度傳感器讀取的電池充放電過程中的溫度信息t，從根據(jù)溫度參數(shù)、電池狀態(tài)參數(shù)和表征內(nèi)阻參數(shù)建立的電池健康狀態(tài)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫表格中，查取得到當前時刻電池的健康狀態(tài)。

進一步，所述當前狀態(tài)包括電池的荷電狀態(tài)或電池的開路電壓或端電壓，或者電池的功率、內(nèi)阻和電壓降。

進一步，所述充放電截止條件為在開始充放電至結(jié)束充放電的一段時間內(nèi)，參數(shù)前后能進行對比。

所述充放電截止條件采用根據(jù)電池的電壓降參數(shù)和電池當前狀態(tài)電壓，選取充電截止電壓和放電截止電壓作為充放電截止條件。

進一步，所述充放電實驗采取先放電再充電的步驟或者先充電再放電的步驟。

一種應用上述的電池健康狀態(tài)檢測方法的檢測裝置，其特征在于：包括控制器，控制器連接通信模塊，用于和待測電池的電池管理系統(tǒng)進行通信連接，所述控制器還連接電流電壓表，用于測量待測電池在充放電實驗中的充放電電流和電壓，控制器還連接有存儲器和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于檢測待測電池的溫度，存儲器用于記錄待測電池充放電實驗中的各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、通信模塊傳送的待測電池的荷電狀態(tài)或開路電壓數(shù)據(jù)，溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所述控制器根據(jù)通信模塊從待測電池的電池管理系統(tǒng)得到的電池當前狀態(tài)，顯示出當前狀態(tài)值或者控制充放電裝置對待測電池進行充放電實驗，電流電壓表將實驗中檢測的數(shù)據(jù)傳送至控制器，控制器將數(shù)據(jù)記錄在存儲器內(nèi)，并傳送至上位機或計算出表征內(nèi)阻值。

進一步，所述電流電壓表包括電壓測量模塊和電流測量模塊。

有益效果

本發(fā)明的電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置通過計算電池各個soh階段的表征內(nèi)阻以及電池容量，能夠建立微循環(huán)表征內(nèi)阻與電池各個壽命階段容量及電池循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，由此就建立了直接以微循環(huán)表征內(nèi)阻表征鋰離子電池soh的方法與體系，使得檢測時間縮短，檢測方式簡化，能夠極大的推動電池的檢測和維護的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的以表征內(nèi)阻表示的電池充電模型示意圖；

圖2為本發(fā)明的以表征內(nèi)阻表示的電池放電模型示意圖；

圖3為本發(fā)明的測試裝置示意圖；

圖4為本發(fā)明的測試流程示意圖；

圖5為本發(fā)明的對待測電池進行充放電實驗的電流電壓隨時間變化的測試曲線示意圖；

圖6為本發(fā)明的待測電池的soh階段和循環(huán)次數(shù)與表征內(nèi)阻值的關(guān)系示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖，進一步闡述本發(fā)明。

現(xiàn)在對于電池的健康狀態(tài)檢測基本沒有很方便的檢測手段，即使是直接放電法，也通常都是需要對電池進行滿充滿放電，耗時過長，實用性差，長時間的充放電，溫度變化大，導致結(jié)果誤差大，而且不太適用于正在使用中的車用電池。

本發(fā)明提出一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置，是從汽車電池使用中不用拆下，便于售后市場服務商進行檢測維護的角度發(fā)明一種針對二次電池健康狀態(tài)檢測的方法，力求方法簡單易操作，檢測時間短，能快速得出電池的健康狀態(tài)(soh)值。

本方法是從電池的能量損耗角度建立了模型，然后把能量損耗的原因稱為表征內(nèi)阻，即以表征內(nèi)阻表示電池內(nèi)部能量消耗的電阻，而電池內(nèi)部消耗的能量是能從充放電過程中充入的能量和放出的能量得到。具體模型如附圖1和附圖2所示，附圖1為以表征內(nèi)阻表示的電池充電模型示意圖，可以得到附圖2為以表征內(nèi)阻表示的電池放電模型示意圖，可以得到

充放電分別選取合適的區(qū)間，可以是電壓區(qū)間，可以是soc區(qū)間，也可以是其他合理的控制參數(shù)。圖中，表征內(nèi)阻為r(ω)；最大存儲容量為qmaxin(wh)，是外部充電裝置在對電池充電過程中消耗的總能量；最大放出容量為qmaxout(wh)，是電池在對外部電路放電過程中外部電路消耗的總能量；有效容量為qua(wh)，是電池在充電過程中所儲存的總能量。uc(t)是充電過程中電池兩端的電壓，udis(t)是放電過程中電池兩端的電壓。t1、t2分別為充電開始時間和結(jié)束時間；t3、t4分別為放電開始時間和結(jié)束時間；i和iout分別是充電電流和放電電流。

由附圖1可知，最大存儲容量qmaxin為有效容量qua與表征內(nèi)阻消耗能量之和；

由附圖2可知，最大放出容量qmaxout為有效容量qua與表征內(nèi)阻消耗能量之差；

如控制充放電電流相等，即如i＝iout，

聯(lián)立方程組：

解方程組可得：qmaxin-qmaxout＝i2r((t2-t1)+(t4-t3))……(1)

在方程(1)中加入充電最大能量qmaxin，放電的最大能量qmaxout，充放電電流i，充電時間與放電時間均可通過充放電儀器測量得到。由此，方程中唯一的未知量表征內(nèi)阻r就可以通過計算得到。

通過計算電池各個soh階段的表征內(nèi)阻r以及電池容量，并建立它們與電池充放電循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，就可以得到用充放電微循環(huán)表征內(nèi)阻r建立的關(guān)聯(lián)電池各個壽命階段容量的關(guān)系，而不再需要滿充滿放電的滿循環(huán)，由此就建立起了以表征內(nèi)阻表征鋰離子電池soh的方法與體系。

具體進行電池健康狀態(tài)檢測的檢測方法，可以采用以下步驟，依照附圖4示意：

i)確定電池當前狀態(tài)的步驟；當前狀態(tài)包括電池的荷電狀態(tài)或電池的開路電壓或端電壓，或者電池的功率、內(nèi)阻和電壓降等；當能從電池管理系統(tǒng)(bms)中讀取相關(guān)信息時，電池當前狀態(tài)可以是電池的荷電狀態(tài)(soc)；如果沒法得到soc時，可以以電池的開路電壓、端電壓來表征電池當前狀態(tài)，也可以是其他合理的參數(shù)來確定電池當前狀態(tài)，因為soh是與電池當前狀態(tài)緊密相關(guān)的，實驗之前確定電池的當前狀態(tài)是必須的。

ii)選取合適的電流倍率與充放電區(qū)間的步驟，依據(jù)電池的基本參數(shù)，選取充放電電流大小和充放電截止條件；充放電截止條件可以選取在開始充放電至結(jié)束充放電的一段時間內(nèi)，能進行前后對比的參數(shù)的要求即可，如采用根據(jù)電池的電壓降參數(shù)和電池當前狀態(tài)電壓，選取充電截止電壓和放電截止電壓作為充放電截止條件

iii)按照選取的充放電區(qū)間對電池進行充放電實驗，電壓測量模塊記錄充放電過程中的電壓值，電流測量模塊記錄電流值，以及進行充放電實驗的時間；充放電實驗采取先放電再充電的步驟或者先充電再放電的步驟均可。

iv)控制充放電電流相等，按照計算式r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)計算出充放電過程中充入的能量和放出的能量的能量損耗的表征內(nèi)阻，得到電池健康狀態(tài)階段，

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時間，t1為充放電開始時間。

表征內(nèi)阻不止受電池當前狀態(tài)的影響，溫度、充放電電流倍率大小等都會有所影響，得到表征內(nèi)阻值后，還要考慮電池歷史soh、溫度等的影響因子，綜合考慮后得到電池的soh。

v)測試之前，從同一批次電池中選取幾個電池提前在不同溫度、不同電池狀態(tài)測試得出表征內(nèi)阻值，并建立這一批電池對應的soh值的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并繪制如下表格1。

表格1

表格1說明：參數(shù)溫度、狀態(tài)和表征內(nèi)阻的梯度可以分為多份，理論上從分為一份到無窮大份都可行。不過從實際應用中來考慮，參數(shù)分的份數(shù)越小，則數(shù)據(jù)越少，測試時間越短。此時可綜合考慮廠家規(guī)定的工作溫度區(qū)間，電池狀態(tài)工作區(qū)間，表征內(nèi)阻值的變化率，選取恰當?shù)膮?shù)梯度，既減少了表格的數(shù)據(jù)量，又能滿足表格數(shù)據(jù)的完整性，制成表格1。如溫度選取-20～80℃，把溫度梯度分為100份，即每變化1攝氏度作為表格中溫度參數(shù)；電池狀態(tài)，如選取的是soc作為從狀態(tài)1到狀態(tài)n的參數(shù)，則在0～100％soc中每變化1％soc作為狀態(tài)變化梯度，或以端電壓為狀態(tài)參數(shù)的話，也可將工作電壓區(qū)間分成100份，用來作為電池狀態(tài)的表格參數(shù)；最后將電池的整個生命區(qū)間按照廠家給定的循環(huán)次數(shù)分為100份，如廠家給定的標準循環(huán)次數(shù)為1000次，則每標準循環(huán)10次，測定一次表征內(nèi)阻值。表格中就有100個溫度參數(shù)，100個狀態(tài)參數(shù)，100個表征內(nèi)阻值參數(shù)，總共有106個soh值，數(shù)據(jù)庫的大小不到5m的數(shù)據(jù)量。

得到soh后，能對電池管理系統(tǒng)(bms)的控制進行調(diào)整，如：充放電電流大小，充放電截止條件、充放電功率等。對電池組中的各個單體電池進行一致性評估，對第三方服務商提供維護保養(yǎng)的建議，能剔除性能不能滿足要求的單體電池，提高電池組的性能。對二手車市場，得到soh后，能夠知道電池當前健康狀態(tài)和性能，對二手車的評估提供有效的參考。

可以采用如附圖3所示意的裝置進行檢測，裝置包括控制器，控制器連接通信模塊，用于和待測電池的電池管理系統(tǒng)進行通信連接，所述控制器還連接電流電壓表，用于測量待測電池在充放電實驗中的充放電電流和電壓，控制器還連接有存儲器和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于檢測待測電池的溫度，存儲器用于記錄待測電池充放電實驗中的各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、通信模塊傳送的待測電池的荷電狀態(tài)或開路電壓數(shù)據(jù)，溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所述控制器根據(jù)通信模塊從待測電池的電池管理系統(tǒng)得到的電池當前狀態(tài)，顯示出當前狀態(tài)值或者控制充放電裝置對待測電池進行充放電實驗，電流電壓表將實驗中檢測的數(shù)據(jù)傳送至控制器，控制器將數(shù)據(jù)記錄在存儲器內(nèi)，并傳送至上位機或計算出表征內(nèi)阻值。所述電流電壓表包括電壓測量模塊和電流測量模塊。

附圖5為采用本發(fā)明的測試方法的一次測試數(shù)據(jù)，t0～t1階段調(diào)整soc，實際應用中不需要這步驟，可以從通信模塊中讀取當前待測電池的soc，或者從電流電壓表測量出開路電壓。從而定位當前測試所處的階段。圖5中是選擇以調(diào)整后的soc數(shù)據(jù)作為電池的當前狀態(tài)。

到t1時刻，測試開始，以電流ic對電池進行充電，電流電壓表記錄充電過程中電池的電壓電流，控制器按照選取的充電區(qū)間進行控制；到t2時刻充電結(jié)束，立即以電流idis放電，同樣，電流電壓表記錄放電過程中電池的電壓電流，控制器按照選取的放電區(qū)間進行控制。其中，要求充放電電流大小一樣，即ic與idis的大小相等。

充放電微循環(huán)結(jié)束，從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，計算表征內(nèi)阻。具體為

r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)……(2)

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時間，t1為充放電開始時間，uc(t)::充電過程中電池兩端電壓，具體數(shù)據(jù)為圖5中t1～t2時間段的電壓，udis(t):放電過程中電池兩端電壓，具體數(shù)據(jù)為圖5中t2～t3時間段的電壓。

得到表征內(nèi)阻后，再結(jié)合溫度傳感器讀取的電池充放電過程中的溫度信息t，結(jié)合電池狀態(tài)和根據(jù)上述參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫表格中查取得到當前時刻電池的健康狀態(tài)。

附圖6中展示的是部分結(jié)果，橫坐標是表示電池的表征內(nèi)阻，是由式2計算出來的；左側(cè)縱坐標為soh，是以電池當前最大放電量與初始最大放電量的比值表示；右側(cè)縱坐標是電池充放電的已循環(huán)次數(shù)。右坐標軸中的循環(huán)次數(shù)是加速循環(huán)老化試驗得到的，相應的循環(huán)次數(shù)也是加速老化試驗循環(huán)次數(shù)。隨著電池的使用，電池逐漸老化，而表征內(nèi)阻值逐漸變大，電量變小。隨著表征內(nèi)阻的變大，soh逐漸變小，從圖中可知微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在對應關(guān)系。故微循環(huán)表征內(nèi)阻值法來表征電池的健康狀態(tài)(soh)是切實可行的。

總結(jié)：從圖5中可知，實驗過程為充電t1～t2,放電t2～t3，對應的時間為第1000秒到第2000秒，測試方法總過程為16分鐘，耗時少；只需要對電池進行預選的區(qū)間對電池充放電，實驗方法簡單易行；電池充放電區(qū)間很小，可以小倍率充放電，電池發(fā)熱量小，表征內(nèi)阻值誤差小，且測試過程不會對降低電池性能；從圖6可知，微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在對應關(guān)系，所以用微循環(huán)表征內(nèi)阻值來表征健康狀態(tài)(soh)是可行的。

本發(fā)明測試時間短，能快速得出電池的健康狀態(tài)。對數(shù)據(jù)的處理簡單，不需要高性能的微處理器。測試方法總過程耗時少；只需要對電池進行預選的區(qū)間對電池充放電，實驗方法簡單易行，后市場服務人員能快速掌握；電池充放電區(qū)間很小，可以小倍率充放電，電池發(fā)熱量小，表征內(nèi)阻值受溫度影響誤差小，且測試過程不會降低電池性能；微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在一定的對應關(guān)系，所以可以直接采用微循環(huán)表征內(nèi)阻值來表征電池的健康狀態(tài)(soh)。

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