一种实时评估电池健康状态的方法
【专利摘要】本发明提出了一种实时评估电池健康状态的方法，属于电池【技术领域】。本方法实现了对于电池健康状态的实时估计的方法。解决了充放电法，电压微分法/容量增量法和内阻测量法的共性问题，突破了在线估计电池健康状态(SOH,StateofHealth)的难题。为电动汽车电池管理系统提供了先进的算法。如摘要附图所示，该算法包括两个阶段，第一个阶段是测试标定阶段，类似于内燃机的MAP图标定，一般在实验室中进行，该阶段使用了概率密度函数(PDF，ProbabilityDensityFunction)；第二个阶段是在线估计阶段，是电池健康状态(SOH)在线估计算法的实施流程。在本发明的一个实施例中，算法的实时估计误差在大部分情况下小于2%。
【专利说明】一种实时评估电池健康状态的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池【技术领域】，具体涉及一种在线估计电池健康状态的方法。
【背景技术】
[0002]电池健康状态(SOH，State of Health)反映了电池的寿命衰减程度。电池的寿命衰减程度影响着电动汽车的动力性能、续驶里程和安全性能，需要进行有效的评估。为了对于电池组进行有效地管理，提高车载条件下动力电池组的使用性能，电池健康状态估计算法电池管理系统中需要包括的关键算法之一。
[0003]目前，对于电池健康状态(SOH)的定量的定义是电池剩余容量与初始容量的比值。为了估计电池的健康状态(SOH)，一种常用的方法是充放电法:首先，对于电池进行充放电，获得电池的初始容量；然后，对于使用中的电池进行充放电，获得电池的实际剩余容量；根据电池健康状态(SOH)的定义，用电池的实际剩余容量除以初始容量得到归一化的电池健康状态(SOH)估计值。
[0004]另一类常用的方法是电压微分法(DVA, Differential Voltage Analysis)和容量增量法(ICA, Incremental Capacity Analysis),通过对于电池进行充放电,获取电池的实时容量-电压曲线，对于曲线进行微分，绘制微分结果的曲线。微分结果曲线中的峰值位置与大小与电池的剩余容量具有相关性，对比初始情况和某时刻情况下的微分曲线，即可以对于电池健康状态(SOH)进行估计。
[0005]还有一种方法是内阻测量法，通过对于电池施加脉冲电流激励或高频电流激励，测量电压的相应，以获得电池的实时内阻。根据电池内阻与电池健康状态(SOH)之间的关系对于电池健康状态(SOH)进行估计。内阻测量法对于功率型动力电池更为有效。
[0006]但是，以上三种方法应用于车载条件下的电池健康状态(SOH)的实时估计时，均存在一定的问题。充放电法需要对于电池进行完整的充放电循环测试，耗费时间较长，不利于电池健康状态(SOH)的在线估计。对于电动汽车而言，电池一般都会成组，由于电池之间存在不一致性，充放电法不能使得所有的电池都完成一次充放电，即不能测试电池组中每一节电池的健康状态(SOH)。电压微分法(DVA)和容量增量法(ICA)需要在进行数据微分之前，对于充放电曲线进行数据拟合。数据拟合的算法较为复杂，难以应用于电池健康状态(SOH)的在线估计。内阻测量法需要在电池运行过程中进行特殊的电流激励，用于实时检测较为复杂。另外，电池内阻随电池荷电状态(SOC，State of Charge)的不同而变化，内阻测量法需要基于较为准确的SOC估计算法。再者，电池内阻也和电池内部的电化学平衡状态有关，目前对于电池内阻的形成的定量描述尚不清晰，这些都给内阻测量法带来较大的困难，更不必说应用于电池SOH的在线估计。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，有必要提出一种应用于电池管理系统中，能对电池健康状态进行实时评估的方法。[0008]本发明提出的一种实时评估电池健康状态的方法包括以下步骤:
以下步骤又可以划分为两个阶段，第一个阶段是测试标定阶段；第二个阶段是在线估计阶段，是电池健康状态(SOH)在线估计算法的实施流程。
[0009]第一个阶段包括以下步骤:
SI，对于待测电池进行多次电池加速寿命循环测试，每次电池加速寿命循环测试电池加速寿命测试包括对待测电池进行恒定电流充放电，恒压充电，以及对待测电池进行加速寿命实验，获得电压时间曲线；
S2，根据步骤SI中获得的电压时间曲线进行电压统计，绘制电压概率密度函数(PDF)
图；
S3，根据电压概率密度函数(PDF)图的峰值区间，确定特征电压区间；
S4，根据步骤SI中获得的电压时间曲线，统计在特征电压区间内电压点的数量；
S5，根据步骤SI中各次电池加速寿命循环测试的充放电时间编制各次测试的充放电时间与特征电压区间内电压点的数量的列表，充放电时间用来表示待测电池的剩余容量；第二个阶段包括以下步骤:
S6，对于待测电池在线进行特征电压区间内的恒定电流的部分充放电实验，并获得电压时间曲线；
S7，根据步骤S6中的电压时间曲线，对于待测电池电压在特征电压区间内的电压点数进行统计；
S8，根据步骤S7中统计得到电压点数的统计值，使用S5中获得的表格进行线性插值查表，获得电池剩余容量的估计值，即电池健康状态(SOH)。
[0010]与现有技术比较，本发明使用概率密度函数(PDF, Probability DensityFunction)可以基于电池内部机理实现对于电池健康状态的实时估计，解决了充放电法，电压微分法/容量增量法和内阻测量法的共性问题，突破了在线估计电池健康状态(SOH)的难题，为电动汽车电池管理系统提供了先进的算法。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
图1一种使用概率密度函数实时评估电池健康状态的方法的估计流程；
图2为某款磷酸铁锂电池加速寿命实验的恒电流充放电的电压-时间曲线；
图3为图2中的电压时间曲线的局部放大图；
图4为某款磷酸铁锂电池加速寿命实验的充放电电压概率密度曲线；
图5为某款憐酸铁裡电池加速寿命实验获得的标定结果列表意图。
【具体实施方式】
[0012]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0013]本发明提出了一种使用概率密度函数实时评估电池健康状态的方法，该方法可以至少用于对于动力电池进行在线的健康状态(SOH)估计。[0014]根据本发明的实施例，具体包括以下步骤:
如附图1所示，以下步骤又可以划分为两个阶段，第一个阶段是测试标定阶段，类似于内燃机的MAP图标定，一般在实验室中进行；第二个阶段是在线估计阶段，是电池健康状态(SOH)在线估计算法的实施流程。
[0015]所述第一个阶段包括以下步骤:
SI，对于待测电池进行多次电池加速寿命循环测试，每次电池加速寿命循环测试包括对待测电池进行恒定电流充放电，恒压充电过程，以及对待测电池进行加速寿命实验，获得电压时间曲线；
S2，对于步骤SI中的对待测电池进行恒定电流充放电获得的数据段进行分析，绘制概率密度函数(HF)图；
S3，分析概率密度函数(PDF)图的特征，确定特征电压区间；
S4，对于不同加速寿命循环的数据结果，统计特征电压区间内电压点的数量；
S5，对于不同加速寿命循环的数据结果，确定恒定电流充放电情况下电池剩余容量，并编制剩余容量与特征电压区间内电压点的数量的列表，供查表使用。
[0016]步骤SI中，待测电池可以以是现有技术中任何电池。本实施例中，该待测电池为锂离子电池，该锂离子电池磷酸铁锂为正极，石墨为负极。实际应用中并不局限于此，还可以选用以钴酸锂、锰酸锂、三元锂离子等任何材料为正极，以石墨、钛酸锂等任何材料为负极的电池。
[0017]步骤SI中，每次电池加速寿命循环测试电池加速寿命测试包括对待测电池进行恒定电流充放电，以及对待测电池进行加速寿命实验。在本发明的一个实施例中，对于某款磷酸铁锂电池进行如表1所示的包括`恒定电流充放电在内的加速寿命循环测试。每个循环包括一个恒定电流充放电过程，一个恒压充电过程，以及一个加速寿命实现过程。表1中，1-4是恒定电流充放电过程，目的在于电池容量测试标定，数据用于步骤S2至S5中的绘图和列表工作；6是加速寿命实验过程，将电池置于极端高低温条件下(温度高于45°C或低于5°C)，通过采用0.3C充电，1.5C放电进行循环，加速电池的寿命衰减。一个过程6包括了 30次0.3C充电1.5C放电的循环，每30次循环之后，利用过程2飞中的方法获取一个电池的电压时间曲线，用于测试容量和绘制概率密度图。循环过程2-6 —直持续，直到电池的剩余容量不及初始测试容量的80%。恒电流I=C/3中，C指的是电池的初始容量，也是电池的额定容量。
[0018]表1本发明一个实施例中的电池加速寿命循环测试规程
【权利要求】
1.一种实时评估电池健康状态的方法，包括一个测试标定阶段以及一个在线估计阶段，其中，所述测试标定阶段包括以下步骤: SI，对于待测电池进行多次电池加速寿命循环测试，每次电池加速寿命循环测试包括对待测电池进行一次恒定电流充放电，一次恒压充电，以及一次加速寿命实验，获得电压时间曲线； S2，根据步骤SI中获得的电压时间曲线进行电压统计，绘制电压概率密度函数图； S3，根据电压概率密度函数图的峰值区间，确定特征电压区间； S4，根据步骤SI中获得的电压时间曲线，统计在特征电压区间内电压点的数量； S5，根据步骤SI中各次电池加速寿命循环测试的充放电时间编制各次测试的充放电时间与特征电压区间内电压点的数量的列表，充放电时间用来表示待测电池的剩余容量； 所述在线估计阶段包括以下步骤: S6，对于待测电池在线进行特征电压区间内的恒定电流的充放电实验，并获得电压时间曲线； S7，根据步骤S6中的电压时间曲线，对于待测电池电压在特征电压区间内的电压点数进行统计； S8，根据步骤S7中统计得到电压点数的统计值，使用S5中获得的表格进行查表，获得电池剩余容量的估计值，即电池健康状态。
2.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，对待测电池进行恒定电流充放电包括:对待测电池静置后，恒流放电；对待测电池放电后，恒流充电。
3.如权利要求2所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，对待测电池进行恒定电流充放电时，恒定电流为待测电池额定电流的三分之一。
4.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，步骤SI中的对待测电池进行加速寿命实验，通过在高低温条件下，以大电流充放电的方式加速电池的寿命衰减。
5.如权利要求4所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，在步骤SI中，对于待测电池进行多次电池加速寿命循环测试的终止条件是电池容量衰减至80%。
6.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，在步骤S3中:根据步骤S2中获得的概率密度函数曲随着循环次数的增加而单调降低的部分，确定充电条件下的特征电压区间；根据步骤S2中获得的概率密度函数曲随着循环次数的增加而单调升高的部分，选择放电条件下的特征电压区间。
7.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，在步骤S5中，编制了剩余容量与特征电压区间内电压点的数量的列表，供在线估计时查表使用。
8.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，在步骤S6中，电池在线充放电时使用的电流与步骤SI中使用的恒定电流大小一致。
9.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，在步骤S7中，对于特征电压区间内的电池电压点数进行了统计，统计是指计数。
10.如权利要求1所述的实时评估电池健康状态的方法，其特征在于，在步骤S8中，根据步骤S7中特征电压区间的电池电压点数以及步骤S5中获得的表格进行查表，线性插值得到待测电池剩余容量的估计值，即电池的健康状态(SOH)。
【文档编号】G01R31/36GK103675702SQ201310641442
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】冯旭宁, 卢兰光, 欧阳明高, 何向明, 李建军, 李建秋, 韩雪冰 申请人:清华大学