一种车用锂离子动力电池的soh估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新能源汽车电池管理系统领域，具体涉及一种车用动力锂离子电池的 健康状态(S0H)估算方法。
【背景技术】
[0002] 动力电池作为电动车辆的能量储存单元，其性能直接影响车辆的燃油经济性和动 力性。因为电动车辆的实际运行环境是非常复杂和变化多端的，所以为了确保动力电池组 能够高效地、可靠地以及安全地工作，一个有效的电池管理系统是必需的。特别是对于活性 强（安全性较差）的锂离子电池，电池管理系统的意义和必要性则更加突出。电动汽车的成 本过高造成推广困难，这其中的重要原因就是其动力锂电池的成本降不下来。若锂电池的 使用寿命增加，则可以降低其成本，对于电动汽车具有重要意义。精确估计锂电池组的寿命 状态，据此采取相应的处理措施，确保锂电池工作在最优情况，能够大大增加它的使用寿 命。锂电池组的健康状况(State- 〇f-Health，SOH)描述的是蓄电池中的不可逆反应，它的变 化是一个缓慢的过程。在电动汽车的实际工作状况下，电流变化剧烈，且必须是在线估计， 因此需要研究与此相适应的算法，来对锂电池的健康状况做出准确判断。
[0003] 目前国内外汽车厂商、电池厂商及科研机构提出的S0H估计方法大致可以分为几 大类，包括离线容量测试、电压曲线拟合法、模糊推理法、人工神经网络算法等。经典的离线 容量测试方法简单，但测试需离线，便利性差。电压曲线拟合法相对于目前其他估算电池健 康度的方法而言，具有运算量小、成本低、易实现等特点，而存在的不足就是通用性较差，根 据电压曲线拟合法所建立的估算S0H的模型仅适用于这一型号的锂离子动力电池，换句话 说就是，如果车上换了 一批新的型号的电池，就要重新建立估算模型。模糊推理的方法是首 先建立一个动力电池的模糊逻辑模型，在电池的工作过程中采用闭环模糊推理的方法估算 电池的S0H，但动力电池的模糊逻辑模型建立需要大量的实验数据，并深入寻找数学规律、 训练逻辑，方法复杂，工程很难实现。神经网络具有非线性的基本特性，具有并行结构和学 习能力，对于外部激励，能给出相应的输出，故能够模拟电池动态特性，进而估计S0H值。神 经网络法适用于各种电池，缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和 训练方法的影响很大。
【发明内容】
[0004] 为了解决以上使用以上方法对动力电池的S0H估算时所存在的诸多缺点，本发明 提供了一种车用锂离子动力电池的S0H估算方法，以电池内阻和容量作为S0H决定性因素， 内阻的增加和容量的衰减衍生S0H的变化，采用动态工况电压阶跃法辨识单体的实时内阻， 以S0C和容量变化比作为容量衰减变化，综合分析内阻的增加和容量的衰减作为S0H因子。
[0005] 本发明所采用的技术方案具体如下：
[0006] 一、建立车用锂离子动力电池的S0H模型。
[0007]其中，所述车用锂离子动力电池的S0H模型如下：
[0008] S0H=aXS0HCap(k)+bXS0HDCR(k) (1)
[0009] 式（1)中，S0HCap(k)为k时刻的容量衰减对应的SOH，a和b为权重因子，a+b = 1;且有：
[0010]
⑵；
[0011 ]式⑵中，S0HCap (k-!)为k-1时刻的容量衰减对应的S0H; Cap⑷为从动力电池设计初 始到k时刻对应整车评价工况下的容量吞吐量;Capn)为从动力电池设计初始到k-Ι时刻对 应整车评价工况下的容量吞吐量;Cap( Tcital)为从动力电池设计初始到寿命终止对应整车评 价工况下的容量总的吞吐量，为标定值；
[0012]
⑶
[0013] 式(3)中，S0HDCR(k)为k时刻的内阻增加对应的S0H，DCR(k)为k时刻动力电池的动态 内阻，DCRbql为动力电池设计初始时刻内阻，DCReql为动力电池设计寿命终止时刻内阻；其 中，DCRbol和DCReol均为标定值，S0HDCR(k)电池出厂时为100%，寿命终止时为0% ;
[0014]
⑷
[0015] OCVsoc为当前荷电状态(S0C)对应动力电池的开路电压，u(k)为k时刻动力电池的端 电压，i(k)为k时刻对应的电流。
[0016] 二、采集 S0HCap(k-i)Cap(k)和 Cap(k-1)，依据式⑵估算 S0HCap(k)〇
[0017] 三、DCR(k)的动态采集条件：（1)电池平均温度大于20°C;(2)2s内电池平均电流大 于20A;当满足以上两点时采集0CV SQC、U(k)和i(k)，根据式(4)计算DCR(k);若不同时满足以上 两点时，S0HDCR(k) = S0HDCR(k-l);
[0018] 根据DCR(k)的计算结果，若DCR(k)<DCR(k-1)，则S0HDCR(k) = S0HDcR(k-i);若DCR(k) 2 DCR(k-υ，则根据式(3)计算 SOHrauk);
[0019] 四、根据式（1)和权重因子a和b计算S0H。
[0020]其中，权重因子a和b获取方法如下：
[0021] 1)在45 °C、3C倍率下对电池进行老化试验，从B0L(动力电池初始时刻）开始直至 E0L(动力电池设计寿命终止时刻)为止，每隔200次循环对电池进行容量测试和HPPC功率试 验；
[0022] 2)根据试验结果计算动力电池容量衰减变化速率，得到电池容量基于时间微分 dC_ dt '
[0023] 3)根据试验结果计算动力电池内阻增加变化速率，得到电池内阻基于时间微分 dR ~dt '
[0024] 4)已知同一时刻电池容量基于时间微分电池内阻基于时间微分和S0H，求 ?、 di 解下列方程(5)得到该S0H时权重因子a和b; _ (5)。
【附图说明】
[0026] 图1本发明方法流程图；
[0027] 图2权重因子a和b随S0H变化的变化规律图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合实施例对本发明作进一步说明。
[0029]如图1所示，利用本发明方法针对某汽车厂家HEV车用动力电池展开S0H估算模型 搭建，估算流程如下所示：
[0030] 步骤一、计算权重因子a和b;
[0031] 1)在45 °C、3C倍率下对电池进行老化试验，从B0L(动力电池初始时刻）开始直至 E0L(动力电池设计寿命终止时刻)为止，每隔200次循环对电池进行容量测试和HPPC功率试 验；
[0032] 2)根据试验结果计算动力电池容量衰减变化速率，得到电池容量基于时间微分 dC_ ^ lit
[0033] 3)根据试验结果计算动力电池内阻增加变化速率，得到电池内阻基于时间微分 JR ~dt
[0034] 4)已知同一时刻电池容量基于时间微分-了__电池内阻基于时间微分了和S0H，求 *、 at 解下列方程(5)得到该S0H时权重因子a和b;所得结果如图2所示 _5]
(5)。
[0036]步骤二、建立车用锂离子动力电池的S0H模型：
[0037]其中，所述车用锂离子动力电池的S0H模型如下：
[0038] S0H=aXS0HCap(k)+bXS0HDCR(k) (1)
[0039] 式（1)中，S0HCap(k)为k时刻的容量衰减对应的S0H，a和b为权重因子，a+b = 1;且有：
[0040]
⑵；
[00411式⑵中，S0HCap (k-i)为k-1时刻的容量衰减对应的S0H; Cap (k)为从动力电池设计初 始到k时刻对应整车评价工况下的容量吞吐量;Capn)为从动力电池设计初始到k-1时刻对 应整车评价工况下的容量吞吐量;Cap(Tcital)为从动力电池设计初始到寿命终止对应整车评 价工况下的容量总的吞吐量，为标定倌：
[0042]
(3)
[0043] 式(3)中，S0HDCR(k)为k时刻的内阻增加对应的S0H，DCR(k)为k时刻动力电池的动态 内阻，DCRbql为动力电池设计初始时刻内阻，DCReql为动力电池设计寿命终止时刻内阻；其 中，DCRbol和DCReol均为标定值，S0H DCR(k)电池出厂时为100%，寿命终止时为0% ;
[0044]
⑷
[0045] OCVsoc为当前荷电状态(S0C)对应动力电池的开路电压，U(k)为k时刻动力电池的端 电压，i(k)为k时刻对应的电流。
[0046] 步骤三、采集S0HCap(k-i)Cap(k)和Cap(k-1)，依据式⑵估算S0H Cap(k)执行周期为10ms;
[0047] 步骤三、DCR(k)的动态采集条件：（1)电池平均温度大于20°C;(2)2s内电池平均电 流大于20A;当满足以上两点时采集0CV SQC、U(k)和i(k)，根据式(4)计算DCR(k);若不同时满足 以上两点时，S0H DCR(k) = S0HDCR(k-1);
[0048] 根据DCR(k)的计算结果，若DCR(k)<DCR(k-1)，则S0HDCR(k) = S0HDcR(k-i);若DCR(k) 2 DCR(k-υ，则根据式(3)计算 SOHrauk);
[0049] 步骤四、根据式(1)和权重因子a和b计算S0H，每Is更新一次。
【主权项】
1. 一种车用锂离子动力电池的SOH估算方法，具体步骤如下： 步骤一、建立车用锂离子动力电池的S0H模型： 其中，所述车用锂离子动力电池的S0H模型如下： SOH=aXSOHcaP(k)+bXSOHDCR(k) (1) 式（1)中，S0HCap(k)为k时刻的容量衰减对应的SOH，a和b为权重因子，a+b = 1;且有：式(2)中，S0HCap(k-υ为k-Ι时刻的容量衰减对应的S0H;Cap(k)为从动力电池设计初始到k 时刻对应整车评价工况下的容量吞吐量;Cap(k-i)为从动力电池设计初始到k-1时刻对应整 车评价工况下的容量吞吐量;Cap( Tcitai)为从动力电池设计初始到寿命终止对应整车评价工 况下的容量总的吞吐量，为标定值；式(3)中，S0HDCR(k)为k时刻的内阻增加对应的SOH，DCR(k)为k时刻动力电池的动态内阻， DCRbol为动力电池设计初始时刻内阻，DCReol为动力电池设计寿命终止时刻内阻；其中， DCRbol和DCReol均为标定值，S0HDCR(k)电池出厂时为100%，寿命终止时为0% ;OCVsocS当前荷电状态（S0C)对应动力电池的开路电压，U〇〇为k时刻动力电池的端电 压，i(k)为k时刻对应的电流； 步骤二、采集 S0HCap(k-i)Cap(k)和 Cap(k-i)，依据式(2)估算 S0HCap(k); 步骤三、DCR(k)的动态采集条件：（1)电池平均温度大于20°C;(2)2s内电池平均电流大 于20A;当满足以上两点时采集0CVSQC、U(k)和i(k)，根据式(4)计算DCR (k);若不同时满足以上 两点时，SOHDCR(k) = SOHDCR(k-l); 根据DCR(k)的计算结果，若DCR(k) <DCR(k-1)，则S0HDCR(k) = S0HDCR(k-1);若DCR(k) 2 DCR(k-1)， 则根据式(3)计算S0HDGR(k); 步骤四、根据式(1)和权重因子a和b计算SOH; 其中，权重因子a和b获取方法如下： 1) 在45 °C、3C倍率下对电池进行老化试验，从B0L(动力电池初始时亥lj)开始直至E0L(动 力电池设计寿命终止时刻)为止，每隔200次循环对电池进行容量测试和HPPC功率试验； 2) 根据试验结果计算动力电池容量衰减变化速率，得到电池容量基于时间微分3) 根据试验结果计算动力电池内阻增加变化速率，得到电池内阻基于时间微分4) 已知同一时刻电池容量基于时间微分电池内阻基于时间微分和S0H，求解下 列方程(5)得到该S0H时权重因子a和b;
【专利摘要】本发明属于电动汽车动力电池管理系统领域，特别涉及一种动力锂离子电池管理系统SOH评估方法。本发明针对现有的SOH估算方法所存在的诸多问题，通过动态计算动力电池的DCR评估动力锂离子电池的内阻增加因子；通过动态计算动力电池的容量吞吐评估动力锂离子电池的容量衰减因子；在此基础上，综合运用内阻增加因子和容量衰减因子，建立一种SOH评估方法。
【IPC分类】G01R31/36
【公开号】CN105676134
【申请号】CN201610011492
【发明人】柳志民, 刘东秦, 许立超, 王贺敏, 于春洋
【申请人】中国第一汽车股份有限公司
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月8日