用于确定电池组健康状态的系统和方法与流程

本申请是下述申请的分案申请：

发明名称：用于确定电池组健康状态的系统和方法，

申请日：2012年9月12日，

申请号：201210335843.8。

本发明涉及用于确定电池组（battery）健康状态的系统和方法。

背景技术：

本公开涉及电池组的健康状态（soh）的确定。具体地，本发明涉及用于确定可充电电池组且特别是锂电池组的soh的系统和方法。然而，本发明不限于锂电池组，而是可应用于随着时间推移而退化的任何可充电电池组，因此迫使需要确定电池组的soh。

随着时间推移，可充电电池组老化并退化，引起电池组保持电荷并将其额定电流输送到负荷的能力的下降。最后，在电池组已退化至其不再有效地保持电荷的程度之后，将需要将其替换。电池组的soh指示电池组电池（cell）通过其累积应力寿命的可返回（可使用）或净容量。电池的soh也是电池组有多严密地满足其设计规范的指示。

在许多不同的领域中都使用可充电电池组，其中，电池组在充电之后具有最小容量、从而使得电池组可以执行其预定功能是至关重要的。容量是电池组能够保持的最大电荷。崭新的电池组的容量应近似为由制造商所指示的容量。确定电池组的最小容量在诸如医疗设备、军事武器以及飞行器紧急电源应用的应用中特别重要，在那里，由于充电不足而引起的电池组故障可能导致损失惨重的后果。

在可充电电池组电池中期望电池组的充电状态（soc）的监视。soc是电池在其相对充电水平方面的可用性的量化（以百分比（%）为单位）。用于锂电池的传统soc指示一般地与稳定化的开路停止期间的电池的端电压有关。开路电压（ocv）很像燃料计一样运行以传达电池何时被充满电、完全耗尽或处于那两个端点之间的某些其它可用状态。然而，如上文所讨论的，电池将随着时间的推移而老化和退化，从而使得退化机理促使电池的阻抗增加。在充电期间，老化的电池将达到指定的充电终止电压（eocv）并正确地报告100%soc，作为电池已接收到其最大可用电荷的正确指示。然而，随着电池老化，即使电池在充电完成时指示100%soc，在已经历某个稳定时间之后，用于老化电池的后续ocv响应将下降并指示由于电池阻抗的上升而引起的小于100%的soc。因此，已经发现需要来自soc“充电状态”燃料计的单独测量，其将直接地捕捉电池通过其累积应力寿命的可返回或净容量。

存在已被提出用于确定电池组的soh的许多方法。例如，第一方法通过测量电池组的内电阻来计算soh。当电池组正在经历高内电阻时，这是电池组的soh低（即差）的指示。然而，此测量不能单独地提供电池组的soh的真实估计。具体地，此估计忽视了影响电池组的soh的各种因素（即内电阻的随时间推移的下降以及保护电路和温度的影响）。虽然此估计对于实验室使用或罕见的固定使用是良好的，但其一般地不能被直接应用到应用。

另外，要测量的电池的类型在尝试使用上述方法来确定电池组的soh时引起许多问题。不同的可充电电池组以不同的方式表现，具有不同的电池组化学作用，并且在以不同的类型从不同的制造商获得。可充电电池组的某些常见示例包括锂、锂离子、锂镍、镍金属氢化物、镍镉以及铅-酸。

确定电池组的soh的另一方法是完全/部分放电测试。在这种方法中，通过使电池组经受恒定负荷来将电池组完全地或部分地放电。在放电时间期间，监视电池组电压，从而使得将电池组下降至某个电压所花费的时间与健康电池组的时间相比较。该比较考虑电池组的soh计算。然而，存在与这种方法相关联的许多缺陷。这种方法是昂贵、消耗的，并且要求电池组在测试期间离线。

确定电池组的soh的又另一方法涉及独立电池组监视系统的使用。在电池组的老化期间，这些系统测量电池组的一个或多个电化学参数的（一个或多个）值。然后基于（一个或多个）参数随时间推移而变化的方式来确定电池组的soh。然而，由于该（一个或多个）参数测量的历史必须在能够确定这些（一个或多个）参数的退化之前积累，所以独立电池监视系统不能在没有首先获取随时间推移的这些测量结果的情况下确定电池组的soh。

期望的是提供一种用于测量电池组的soh的系统，其改善上文所讨论的缺点。如上文所讨论的，需要在不需要执行soh的连续计算的情况下确定在电池组已在各种应用中被充电之后执行电池组的预定功能所需的绝对最小容量。

技术实现要素：

提供一种在不需要复杂数学公式的情况下确定电池组的soh的方法将是有利的。具体地，提供一种可以在独立于预定应用的使用中的同时容易地量化并报告用于电池组电池（例如锂电池组电池）的永久容量损失的简单方法将是有利的。

依照本发明的一个方面，一种方法计算包括单独或并行分组的电池的化学电池组的健康状态（soh）。该方法包括将电池组充电至电池组的最大充电电位。在充电完成后等待预定时间段之后，确定电池组的开路电压（ocv）。基于所确定的电池组的ocv，确定电池组的soh。

在某些实施例中，预定时间段是约30分钟。

在某些实施例中，该方法包括在充电和确定步骤期间将电池组保持在至少约20℃的温度。在某些实施例中，将该温度保持在约25℃。

在某些实施例中，通过使用所确定的ocv来查阅查找表而确定电池组的soh。

在某些实施例中，通过在所述预定时间段之后使用二阶多项式等式来计算电池组的充电状态（soc）而确定电池组的soh。用于一个特定应用的此类等式的一个示例是以下公式：soc=-0.026×ocv²+1.584×ocv-23.102。所确定的soc表示电池组的soh。

在某些实施例中，该方法包括使用以下公式来计算电池组能量水平（bel）：bel=soh×soc×电池堆栈电压×111.6(kj)。

在某些实施例中，该方法包括确定期间电池组正在充电的充电时间、将充电时间乘以用于电池组的第一电池完成充电的所测量电池电流响应以确定库仑计数，以及通过将库仑计数与电池组充电期间的充电状态（soc）计算相加来调整bel。针对一个特定应用，soc计算可以基于以下公式：soc=-0.026×ocv²+1.584×ocv-23.102。

在某些实施例中，该方法包括以规则的间隔递增地对负荷电流进行采样，对采样求和以提供所使用的放电容量，并通过从电池组放电期间的soc计算中减去所使用的放电容量来调整bel。

在某些实施例中，该方法包括在每个正常终止的充满电事件完成之后将bel计算重置。

本发明的另一方面涉及估计电池组的健康状态（soh）的化学电池组管理系统。电池组管理系统的控制器被配置成（i）在电池组已被充满电之后等待预定时间段，（ii）在所述预定时间段之后，确定电池组的开路电压（ocv），以及（iii）根据所确定的ocv来确定电池组的soh。

在一个特定应用之后，所述控制器被配置成通过使用以下公式在所述预定时间段之后计算电池组的充电状态（soc）来确定电池组的soh：soc=-0.026×ocv²+1.584×ocv-23.102，其中，所确定的soc表示电池组的soh。

在某些实施例中，所述控制器被配置成控制电池组温度控制系统以将在充电和确定期间将电池组保持在最低约20℃的温度。

在某些实施例中，所述控制器被配置成使用以下公式来计算电池组能量水平（bel）：bel=soh×soc×电池堆栈电压×111.6(kj)。

在某些实施例中，所述控制器被配置成（v）确定期间电池组正在充电的充电时间；（vi）将该充电时间乘以用于电池组的第一电池完成充电的所测量电池电流响应以确定库仑计数；以及（vii）通过将该库仑计数与电池组充电期间的充电状态（soc）计算相加来调整bel。

在某些实施例中，所述控制器被配置成（viii）在每个正常终止充满电事件完成之后将bel计算重置。

在某些实施例中，所述控制器被配置成（v）以规则的间隔递增地对负荷电流进行采样；（vi）对采样求和以提供所使用的放电容量；以及（vii）通过从电池组放电期间的soc计算中减去所使用的放电容量来调整bel。

在某些实施例中，所述控制器被配置成（viii）在每个正常终止充满电事件完成之后将bel计算重置。

本发明的另一方面涉及计算化学电池组的健康状态（soh）的方法，其包括监视电池组的充电时间并将其存储在存储器中。该充电时间是电池组使用固定的功率输入从预定放电深度变成充满电所需的时间。该方法还包括缩放所存储的充电时间以形成soh指示。充电时间在电池组的寿命期间减少。

附图说明

将参考以下附图来详细地描述应用本发明的方面的电池组soh确定方法和系统的各种示例性实施例，在所述附图中：

图1是图示出健康状态确定方法的本发明的示例性实施例的流程图；

图2是图示出用于各种锂化学作用的典型ocv曲线的本发明的示例性实施例的图表；

图3是图示出ocv凹陷对比停留时间的本发明的示例性实施例的图表；

图4是图示出放电深度对比开路电压的本发明的示例性实施例的图表；

图5是图示出平均开路电压对比充电状态的本发明的示例性实施例的图表；

图6是电池组管理系统的透视图；

图7是图示出健康状态确定方法的本发明的另一示例性实施例的流程图；以及

图8是图示出3,000个累积周期计数之后的充电/放电周期变化的本发明的示例性实施例的图表。

具体实施方式

下面在诸如医疗设备、军事武器或飞行器紧急电源应用的应用中的电池组且特别是锂电池组的背景下参考附图来描述应用本发明的方面的用于确定电池组的soh的方法和系统的示例性实施例。然而，本发明可应用于其中电池组的soh将要求/迫使需要/受益于测量的任何电池组或应用。

以下定义描述遍及本申请的主体所提出的术语。可返回（可使用）容量是在正常终止的充满电事件之后储存在电池中的放电容量。不可返回容量（永久容量损失）是由于施加于电池的老化机理或应力寿命而引起的电池的容量损失。不可返回容量通常被定义为寿命起始（bol）（或额定）容量与电池的可用寿命期间的任何时间处的实际电池容量之间的差（假设充电序列和极限与用来测量bol容量的那些相同）。应力寿命是通过源自于周期（用于每个的使用周期的数目及其各自的放电深度（dod））、高温暴露和持续以及在电池内发生的（正常）日历寿命损失的在其端阻抗中的已证明增加产生的电池可用容量的正常退化。充电状态（soc）是用来在其相对充电水平方面将电池的可用性量化（以%为单位）的表达式。健康状态（soh）是可返回/（可返回+不可返回）容量的比（以%为单位）。soh表示电池组电池能够提供的最大容量。放电深度（dod）是与用于电池的初始bol（或额定）容量相比较的放电期间的相对容量的指示（以%为单位）。dod是soc的逆，即1-dod＝soc（以%为单位）。电池组能量水平（bel）表示电池组的有效能量水平（例如，以kj为单位）。bel是用以支持当前（或即将到来的）放电周期中的预定功能的电池组组件的当前可用性。

参考图6，诸如锂电池组的电池组3包括充当电源的（一个或多个）电池（单独或并行分组的电池）和电池组管理系统（bms）1，其结合了诸如用于电池的电池监视、保护和充电功能的东西。特别地，bms包括微控制器2和进行用于soc、soh等的必要测量的应用特定软件。控制器2能够在处于使用中的同时监视和记录被认为要充分地表征电池所需的电池和电池组参数（即电压、电流、温度、时间等）。

图1是图示出由bms1的控制器2执行的健康状态（soh）确定方法的示例性实施例的流程图。本实施例被称为充电之后开路电压（ocv）方法（即ocv方法）。使用ocv方法，能够确定电池组的soc并随后确定电池组的soh。基于以下内容，bms软件能够提供关于电池组的soc、soh和bel的状态报告。

在ocv方法中，bms首先计算电池组已被充满电之后的电池组的soc。soc提供用于电池组的充电水平的指示并因此很像燃料计一样运行。可以基于以下三个方案来计算soc。通过对电池组电池充电从而在正常终止的充满电事件完成（即，将soc报告为100%）之后达到目标充电终止电压（eocv）来计算soc1（soc方案1）。然而，在任何其它时间，除紧接着在充电事件完成之后外，电池将基于其内阻抗而显示出减小的ocv，其是操作温度和累积应力寿命暴露的函数。如果在对电池组充满电之后电池组被保持空闲且未被连接到负荷（即在电池组通过包含在电池组组件内的固态或机械接触器的使用而保持在应用中（上）以从电池组的输出端子连接或隔离电池堆栈的同时）达到充电周期完成之后的至少预定时段，则老化电池因此将通常具有小于其eocv的ocv。当电池堆栈被保持在恒定温度或附近时，获得更准确的sco计算。如下文所讨论的，任何应力寿命影响将反映在soh计算中。

当电池组不活动且未被连接到负荷时（例如当被安装到空闲或停泊的诸如飞行器的交通工具上时），计算soc2（soc方案2）。soc2因此是基于以下公式的以%为单位的来自电池的ocv的额定响应：

soc=a×ocv²+b×ocv-c.

a和b表示响应的斜率（或特性偏转），并且c表示在0%soc处预期的ocv（或x轴截距）。该响应通常是从在充满电之后的放电响应生成的，其中，随后相对于电池组（电池）额定容量以10%的增量去除容量（安培-小时）以生成响应特性。然后将二阶多项式曲线拟合应用于所生成的soc对比ocv响应。然后调整该二阶多项式曲线拟合以使较低soc水平下的误差最小化（考虑到紧急电源，或储备能量计算）并保守地报告（即低估）较高的soc值，其在根据soc1（之上）充满电时被重置。

以上公式可应用于不具有平面放电（或ocv对比soc）响应特性的锂及其它化学作用。图2图示出用于各种“锂”化学作用的ocv曲线的示例。例如，针对ncm（镍、钴、锰锂离子）化学作用的7s1p（7串联1并联）电池组阵列，soc2是基于以下公式以%为单位的来自电池组的ocv的额定响应：

soc=-0.026×ocv²+1.584×ocv-23.102，其中0.0≤soc≤1.0

另外，例如，当soc是0%（即0.0）时，电池堆栈为≤24.15v。当soc是100%（即1.0）时，电池堆栈是29.40v。

当电池组被连接到负荷（例如公交车辆）时，或者当主动地充电/放电时，计算soc3（soc方案3）。bms然后将确定“库伦计数”以捕捉将在适用时在放电期间被减去或在充电中被与从eocv（soc1）或ocv（soc2）获得的基线soc测量结果相加的安培-小时（秒），以报告正常电池组操作期间的主动soc变化。

基于以上soc计算中的至少某些，bms控制器然后能够确定电池组的soh。如前文所讨论的，soh指示一旦被充满电的电池组的可返回容量。soh提供由于周期计数及其dod、温度暴露和日历寿命应力而引起的电池的永久容量损失的指示。soh在bol处从100%开始退化，但是并不会迅速地这样做，除非电池组被施加应力超过其指定操作条件达到延长的持续时间。ocv能够用正常终止充满电事件完成之后的端电压减小来提供永久容量损失的测量，从而使得ocv将衰退，或在延长的预定时间段（即“停留时间”或“衰退时间”）之后从其eocv开始减小。因此，在预定时间段之后的soc计算提供电池组的soh响应。

因此，当电池组在正常终止充满电事件完成之后和在后续停留时段之后（诸如在该应用完成其操作周期时）未被连接到负荷时，soh等价于空闲状态soc2（上文所讨论的）。如上文所讨论的，用基于机械或电且被包含在电池组组件内的“开关”来促进此条件。电池组保持在应用内，但当该应用静止（即不在使用中）时有效地“离线”。在正常终止充满电事件之后的停留时间可以是，例如30分钟开路停留时段。然而，停留时间不限于此时间段。替代地，基于经受上述计算的特定的电池和电池化学作用，基于关于该特定电池组类型和化学作用的存储数据，bms将在soc计算之前使用适当的停留时间。具体地，适当的停留时间是在bms软件内定义的变量，其取决于电池化学作用和/或特定电池应用，并且由实验预先确定。停留时间可以是任何持续时间。具体地，停留时间越长，ocv响应必须稳定的时间越多；然而，如果应用要求较短的停留时间（即小于30分钟），则应确立相关和相应的“修正”因数。例如，图3图示出针对各种停留（空闲）时段之后的ocv的上文所讨论的用于示例性电池组的特性响应。首先，必须找到实现用于预定电池/电池组的稳定ocv响应所需的时间。然后，根据来自此特性的特定应用的限制和要求来选择必要的停留时间。所选停留时间处的ocv响应对比“稳定”时间处的ocv响应之间的差是能够应用于实现所需ocv以因此计算实际soc的相关因数。

使用所捕捉的ocv来计算soc2，如上所述，其表示电池容量的永久损失，并被报告为电池组的soh数字，在正常充满电之后。例如，如果soc2被确定为0.9，则soh是原始容量的90%。

替换地，可以对所捕捉的ocv进行缩放以表示电池容量的永久损耗，其中缩放结果被报告为soh。为了确立缩放因数，预先对正在讨论中的特定电池设计执行单独的实验室表征测试。所述测试捕捉作为施加应力的函数的ocv中的减小。在实验室测试期间，实施周期性放电容量测试以确立特定电池组（例如锂电池组）的ocv与可返回容量之间的相关（缩放比例）。

图4图示出作为操作温度的函数的锂电池组电池的表征以传达电池组的ocv对比其递增容量（或soc，当是新的时）。电池组电池在其整个寿命中将继续遵循此soc/dod响应，无论施加的应力寿命退化如何，但是在正常终止充满电事件的完成之后将从约100%标记开始退回。

从图4提供的数据图示出最一致的电池响应是在约20℃和以上的温度。因此，bms包括操作电池加热器或电池冷却器以在电池组的充电和soh的确定期间将电池组保持在额定25℃温度的电池组温度控制系统。维持的温度跨越变化的周围条件在电池组的整个生命周期中保证更一致的性质。例如，对于飞行器使用而言，只需要电池加热器，因为高空处的环境将为电池组提供充分的冷却“负荷”。另外，例如，在外空间应用中，利用外部环境控制和电池加热；然而，在某些国防应用中，仅利用电池冷却。

另外，由于电池组由电池堆栈（即由单独或并行分组电池布置的一系列电池）组成，并且电池组的输出是电池系列“串”的和，所以从图4获得的数据被用来解决电池组的操作性质。特别地，图5图示出通过对图4的数据进行求平均和转换（反演）获得的平均ocv对比soc（即一般soc对比ocv响应）。根据此响应，能够在bms软件中表示作为其soc的函数的电池组的ocv的多项式表征。上文相对于soc2的计算提供了多项式特性的一个示例。

在放电/充电事件终止之后，电池组的ocv将要求预定时间段以便稳定并恢复至在由bms在该事件期间报告的电池组的工作端电压以上（对于放电事件）或以下（对于充电事件）的水平。如上文所讨论的，对不同的电池组电池而言需要表征以便确定获得可用ocv之前的适当的预定时间段（即“停留时间”、“衰退时间”或“等待时间”）。因此，确立提供根据早期ocv读数提供对soc的“偏移”调整的相关以解决关于soh计算的准确度问题。这些相关被作为允许使用所确定的ocv来确定soh的信息的查找表存储在bms软件中。

一旦soh计算已经完成，则bms将把soc和soh计算的结果存储在非易失性存储器（例如eeprom）中，从而使得用户可以在稍后的时间在期望时访问该信息。具体地，bms包括soh请求机制，例如按钮，其允许用户按下以促使bms控制器提供包括先前存储在存储器中的soc和soh计算的按下测试（ptt）状态报告。可以用bms的打印机将ptt状态报告打印在片材上或者在bms的显示器上显示。此特征允许用户以规则的间隔访问该报告，直至能够将计算更新成包括在正常终止充满电事件之后的新计算的时间。替换地，ptt状态报告使用串行数据接口经由rs232、rs485、arinc429、can或其它通信协议来传送各种电池组和电池操作参数，包括soc、soh和bel。

虽然电池组的应力寿命是累积的，但是在各事件之间或者甚至在用于商业应用最多的锂化学作用的合理的不活动时段期间对电池组的可返回容量的影响并不被认为是显著的。因此，不要求soh的连续计算。在正常终止的充满电事件之后的设定预定时间段之后的soh的周期性更新是足够的。

图1图示出用于确定上述计算的逐步过程。使用ocv方法来计算电池组的soh的方法通过首先将电池组充电至电池组s1的最大充电电位开始。在等待预定时间段s2（即“停留时间”或“衰退时间”）之后，bms控制器确定电池组s3的ocv。使用在s3中确定的ocv，bms控制器通过查阅查找表或基于诸如例如以下公式的适当多项式公式来计算电池组的socs4：

soc=-0.026×ocv²+1.584×ocv-23.102，其中0.0≤soc≤1.0.

例如，当soc是0%（即0.0）时，电池堆栈为≤24.15v。当soc是100%（即1.0）时，电池堆栈是29.40v。然后将由bms控制器将soh确定为是在s4中计算的soc。

给定soh，bms控制器还可以基于以下公式来计算电池组的电池组能量水平（bel）s5：

bel=[soh(%)×soc×额定容量]×工作电池组电压×(3600/1000)

或

bel=soh×soc×电池堆栈电压×111.6。

该铭牌容量是例如25℃（即31ah）的温度下的电池组的规定值，而“3600/1000”因数将小时转换成秒，将焦耳转换成千焦。

当电池组是活动的时（即在充电或放电期间在使用中），可以经由库仑计数来调整bel。库仑计数捕捉在累计事件时间（即其充电或放电所花费的时间）期间在充电或放电期间所经历的电流水平。为了在充电事件期间调整bel，bms控制器首先确定充电时间s6，从而使得充电时间是对电池组完全充电所需的时间长度。为了确定库仑计数s7，bms控制器然后将充电时间乘以用于电池组的第一电池的所测量电池电流响应以完成充满电。然后用库仑计数来调整bel以估计充电期间的已调整的bels8。另一方面，在其中由于热管理考虑（即电荷分布在事件的整个持续时间不是一致的）而在充电事件期间调整充电电流的应用中，可以利用“递增”充电电流对比时间方法（诸如用于充电库仑计数）。使用这种方法，作为电池组温度的函数降低充电电流水平以（1）对电池组内的电子装置进行热保护或（2）作为当锂电池处于提高的周围温度时减小锂电池上面的应力的手段。这种方法“累积”在较小时间间隔期间的安培数以适应在充电事件期间开始的任何充电水平变化。用于这种方法的库仑计数的基于时间的分辨率（即分、秒、毫秒）取决于应用的特定需要和对充电电流控制的需要。这种方法类似于放电期间的库仑计数，如下文所讨论的，不同的是其被应用于充电事件。

替换地，为了在放电事件期间调整bel，bms控制器以规则间隔递增地对负荷电流进行采样s10。通过对采样求和来计算所使用的放电容量s11。然后通过从在电池组的放电期间确定的soc计算中减去所使用的放电容量来调整bels12。最后，在正常终止充满电事件之后，将bel计算重置，因为此类计算是基于soh确定s9和s13。

图7是图示出健康状态确定方法的另一实施例的示例性实施例的流程图。本实施例被称为充满电时间方法（即ttc方法）。随着电池老化或被使用，其用固定功率输入从指定dod开始将电池充满电所花费的时间将持续减少。因此，对于通常经历一致的放电和充电周期的应用而言，结果得到的充电时间直接与电池的永久容量损失有关。这种方法例如在具有一致的充电/放电分布的外空间应用中是最佳的，例如leo、geo或相关轨道。

因此，如图7中所图示出的，ttc方法包括由bms来监视电池组的充电时间并将其存储在非易失性存储器（例如eeprom）中。充电时间是使用固定功率输入从预定dod开始使电池组变成充满电所需的时间。然后对存储的充电时间进行缩放s15以形成soh指示s16。缩放比例是基于具体问题具体分析而确定的。也就是说，针对给定应用，执行具有预定使用分布的寿命周期测试以便捕捉与最接近的容量周期有关的在充电或放电时间上的变化。充电时间将在电池组的寿命期间减少。

如图8中所图示出的，充电电压响应作为增加的周期计数的函数朝着充电电位更快速地上升。因此由bms来监视充电时间并将其存储在非易失性存储器中。然后对所捕捉的充电时间进行缩放以形成soh指示。如上文相对于ocv方法所讨论的，执行用于预定电池设计的独立实验室测试体系以定义充电响应时间与根据周期性容量测试确定的电池容量损失之间的相关（缩放比例）。

上文所阐述的健康状态确定方法和系统的所图示出的示例性实施例意图是说明性而非限制性的。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。