一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法及其應(yīng)用
【專利摘要】本申請(qǐng)公開(kāi)了一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法及其應(yīng)用。本申請(qǐng)的測(cè)量電池狀態(tài)的方法包括，(1)實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)行中的電池的電流和電壓；(2)根據(jù)測(cè)量的電流和電壓值，采用最小二乘法提取一階RC等效電路模型的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值；(3)根據(jù)提取的串聯(lián)電阻阻值所在區(qū)間初步判斷SOH，根據(jù)并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值所在區(qū)間判斷SOH。本申請(qǐng)的測(cè)量方法，能較真實(shí)、全面描述電池在使用過(guò)程中的健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)，有利于確定電池性能，延長(zhǎng)電池使用壽命，使電池得到充分利用。并且，本申請(qǐng)的方法只需對(duì)電池的電流和電壓進(jìn)行在線測(cè)試，節(jié)省測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用的同時(shí)，提高了電池使用率；適于建立各種退役鋰離子電池的壽命預(yù)測(cè)模型。
【專利說(shuō)明】
一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本申請(qǐng)涉及電池狀態(tài)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)測(cè)量技術(shù)是電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù) 之一。其動(dòng)力電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)容包括，電池健康狀態(tài)(縮寫(xiě)S0H)測(cè)量技術(shù)和電池荷電 狀態(tài)(縮寫(xiě)S0C)測(cè)量技術(shù)。
[0003] 其中，S0C是指電池當(dāng)前的剩余容量與電池充滿電狀態(tài)的容量的比值，其取值范圍 在0-1之間，當(dāng)S0C = 1時(shí)表示電池充滿電，當(dāng)soc = o時(shí)表示電池放電完全。S0H是指電池充滿 電狀態(tài)的容量與電池的額定容量的比值，同樣的，其取值范圍在0-1之間。
[0004] 根據(jù)定義，S0H低于80%，即容量衰減至低于額定容量80%的動(dòng)力電池為非健康電 池。若不及時(shí)更換非健康電池，將造成電池組整體容量損失加快，甚至導(dǎo)致安全事故。所以 為了使人們更加安全、低成本的出行，需要對(duì)汽車用動(dòng)力電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確估測(cè)。
[0005] 在汽車行駛過(guò)程中，為了保護(hù)電池免受過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)的損害，同時(shí)給車主提供 可靠的汽車可行駛里程等信息，我們需要對(duì)電池的荷電狀態(tài)作出實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的估測(cè)。電池荷 電狀態(tài)估測(cè)方法中，安時(shí)積分法和開(kāi)路電壓法簡(jiǎn)單易用，但估測(cè)誤差較大;基于模型的閉環(huán) 估測(cè)方法，如開(kāi)爾曼濾波法，估測(cè)精確度高，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，不易于工程實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本申請(qǐng)的目的是提供一種新的測(cè)量電池狀態(tài)的方法及其應(yīng)用。
[0007] 本申請(qǐng)采用了以下技術(shù)方案：
[0008] 本申請(qǐng)公開(kāi)了一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法，包括以下步驟，
[0009] (1)實(shí)時(shí)測(cè)量在運(yùn)行中的電池的電流和電壓；
[0010] (2)根據(jù)測(cè)量的電流和電壓值，采用最小二乘法提取一階RC等效電路模型中的串 聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值；
[0011] (3)根據(jù)提取的串聯(lián)電阻阻值所在區(qū)間初步判斷S0H，并根據(jù)并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián) 電容值所在區(qū)間判斷S0H。
[0012] 需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的關(guān)鍵在于，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)一階RC等效電路模 型提取的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值，這三個(gè)值與電池的健康狀態(tài)關(guān)系密 切。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電阻阻值在健康狀態(tài)電池中的提取值比在非健康狀態(tài)電池中的提 取值要小，即相同條件下，采用相同的測(cè)量方法獲得的電流和電壓，非健康狀態(tài)電池的串聯(lián) 電阻阻值有所增大。也就是說(shuō)，將串聯(lián)電阻阻值作為電池的歐姆內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻隨電池歷史 循環(huán)次數(shù)增加和電池健康狀態(tài)的惡化而緩慢增大，但是健康電池和非健康電池的串聯(lián)內(nèi)阻 阻值所在的區(qū)間會(huì)有重疊部分，因此串聯(lián)電阻阻值所在區(qū)間只能初步判斷S0H。而并聯(lián)電阻 阻值和并聯(lián)電容值這兩個(gè)值在健康狀態(tài)電池和非健康狀態(tài)電池中的分布則明顯不同，在確 定的荷電狀態(tài)下，例如以S0C = 40 %時(shí)為例，健康狀態(tài)電池的并聯(lián)內(nèi)阻阻值落在區(qū)間7.8- 9.5m Q里，而非健康電池的并聯(lián)內(nèi)阻阻值落在區(qū)間6.7-7.2m Q里，由此根據(jù)測(cè)量的并聯(lián)內(nèi) 阻阻值所在區(qū)間，就可以判斷電池的健康狀態(tài)。同樣的，以S0C = 40%時(shí)為例，健康電池的并 聯(lián)電容值所在區(qū)間為680-795F，而非健康電池的并聯(lián)電容值所在區(qū)間為970-1110F，由此根 據(jù)測(cè)量的并聯(lián)電容值所在區(qū)間，就可以判斷電池的健康狀態(tài)。本申請(qǐng)分別對(duì)并聯(lián)電容值和 并聯(lián)電阻阻值的區(qū)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和擬合，最終得到一個(gè)邊界曲線，在特定SOC下，測(cè)量的并 聯(lián)電容值，縮寫(xiě)0>值，在邊界曲線之上為非健康狀態(tài)電池，邊界曲線之下為健康狀態(tài)電池，C P 的邊界曲線如下：
[0013] CP = 475 ? 6+1125 ? 7 X S0C-149 ? 8 X S0C2-232 ? 1 X S0C3;
[0014]在特定S0C下，測(cè)量的并聯(lián)電阻阻值，縮寫(xiě)心值，在邊界曲線之上為健康狀態(tài)電池， 邊界曲線之下為非健康狀態(tài)電池，RP的邊界曲線如下：
[0015] Rp = 19 ? 5-58 ? 2 X S0C+87 ? 0 X S0C2-42 ? 9 X S0C3。
[0016]還需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)中，提取一階RC等效電路模型中的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電 阻阻值和并聯(lián)電容值，可以采用最小二乘法，也可以采用開(kāi)爾曼濾波法、傅里葉變換、Z變換 等常規(guī)的提取一階RC等效電路模型參數(shù)值的方法，只是不同的算法，所提取的值會(huì)有不同， 最終獲得的具體函數(shù)值有所差異，但通過(guò)串聯(lián)電阻阻值所在區(qū)間初步判斷S0H，并根據(jù)并聯(lián) 電阻阻值和并聯(lián)電容值所在區(qū)間判斷S0H，該基本原則不變。
[0017]優(yōu)選的，本申請(qǐng)的方法，還包括步驟(4)，根據(jù)步驟(3)的S0H判斷結(jié)果，按照并聯(lián)電 容值與S0C的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算S0C。
[0018] 需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)經(jīng)過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，在電池健康狀態(tài)，S0C在一定范圍內(nèi)， 與提取的并聯(lián)電容值呈線性關(guān)系，因此，可以根據(jù)并聯(lián)電容值計(jì)算出S0C;而電池在非健康 狀態(tài)，S0C與提取的并聯(lián)電容值呈另外一種線性關(guān)系，因此，也可以根據(jù)并聯(lián)電容值計(jì)算出 SOCo
[0019] 優(yōu)選的，本申請(qǐng)的一種實(shí)現(xiàn)方式中，根據(jù)步驟(3)的S0H判斷結(jié)果，按照并聯(lián)電容值 與S0C的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算S0C，具體包括，當(dāng)S0H判斷為健康狀態(tài)時(shí)，按照公式一計(jì)算獲得S0C， 當(dāng)S0H判斷為非健康狀態(tài)時(shí)，按照公式二計(jì)算獲得S0C;
[0020] 公式一 ：S0C = -0 ? 33+9 ? 94 X 10-4 X CP
[0021] 公式二：S0C = -0 ? 46+8 ? 24 X 10-4 X CP
[0022]其中，CP為一階RC等效電路模型中提取的并聯(lián)電容值。
[0023] 需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的公式一和公式二，如前面提到，是基于最小二乘法提取的 一階RC等效電路模型并聯(lián)電容值而言的，基于不同的算法，公式一和公式二的具體函數(shù)參 數(shù)會(huì)有所不同。
[0024] 本申請(qǐng)的另一面公開(kāi)了第二種測(cè)量電池狀態(tài)的方法，包括以下步驟，
[0025] (1)在電池進(jìn)行運(yùn)行之前，對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，并將其充滿，根據(jù)充滿電時(shí)的容 量與電池額定容量的比值得出S0H值，S0H值大于或等于80 %判斷電池為健康狀態(tài)，S0H值小 于80 %判斷電池為非健康狀態(tài)；
[0026] (2)實(shí)時(shí)測(cè)量在運(yùn)行中的電池的電流和電壓；
[0027] (3)根據(jù)測(cè)量的電流和電壓值，采用最小二乘法提取一階RC等效電路模型中的串 聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值；
[0028] (4)根據(jù)步驟（1)判斷的電池健康狀態(tài)情況，按照并聯(lián)電容值與S0C的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì) 算 soc。
[0029] 需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)所提供的第二種方法，同樣是根據(jù)最小二乘法提取一階RC 等效電路模型中的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值，并根據(jù)并聯(lián)電容值與S0C的 對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算S0C。只是本申請(qǐng)的S0H判斷是在充電的時(shí)候，就根據(jù)其定義，S0H值大于或等 于80 %判斷電池為健康狀態(tài)，S0H值小于80%判斷電池為非健康狀態(tài);在判斷電池的健康狀 態(tài)后，再根據(jù)健康狀態(tài)或非健康狀態(tài)，兩種情況下各自的并聯(lián)電容值與S0C的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì) 算 S0C。
[0030] 優(yōu)選的，本申請(qǐng)的第二種方法中，步驟(4)，根據(jù)步驟（1)判斷的電池健康狀態(tài)情況 計(jì)算S0C，具體包括，當(dāng)電池為健康狀態(tài)時(shí)，按照公式一計(jì)算S0C，當(dāng)電池為非健康狀態(tài)時(shí)，按 照公式二計(jì)算S0C;
[0031 ]公式一 ：S0C = -0 ? 33+9 ? 94 X 10-4 X CP [0032]公式二：S0C = -0 ? 46+8 ? 24 X 10-4 X CP [0033]其中，CP為一階RC等效電路模型中提取的并聯(lián)電容值。
[0034]優(yōu)選的本申請(qǐng)的第二種方法中，步驟（1)還包括，根據(jù)S0H值判斷電池的剩余循環(huán) 壽命。
[0035]優(yōu)選的，根據(jù)S0H值判斷電池的剩余循環(huán)壽命，具體包括，按照公式三計(jì)算電池的 剩余循環(huán)數(shù)，
[0036]厶式二：級(jí))!::卜投】名
[0037]其中，S0H為S0H值即容量保持率，N為剩余循環(huán)次數(shù)，e為自然常數(shù)。
[0038]本申請(qǐng)的另一面還公開(kāi)了本申請(qǐng)的兩種方法在汽車動(dòng)力電池實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)控中 的應(yīng)用。
[0039]需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)的測(cè)量電池狀態(tài)的方法，本身就是根據(jù)汽車動(dòng)力電池實(shí)時(shí) 檢測(cè)而提出的，因此，其可以運(yùn)用于汽車動(dòng)力電池的實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)控;可以理解，本申請(qǐng)的 測(cè)量方法并不只限于汽車動(dòng)力電池，其它大型的需要實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)控電池狀態(tài)的設(shè)備同樣 可以采用本申請(qǐng)的測(cè)量方法，在此不做具體限定。
[0040]本申請(qǐng)的有益效果在于：
[0041 ]本申請(qǐng)的測(cè)量電池狀態(tài)的方法，可以較真實(shí)、全面的描述動(dòng)力電池在使用過(guò)程中 的健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)變化的客觀情況，并可以獲得電池健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)信息，有利 于確定待測(cè)電池的性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命，使電池得到充分利用。并且，本申請(qǐng)的方法 只需要對(duì)動(dòng)力電池的電流和電壓進(jìn)行在線測(cè)試，即可較準(zhǔn)確的得出其健康狀態(tài)和荷電狀 態(tài)，在節(jié)省測(cè)試時(shí)間和費(fèi)用的同時(shí)，提高了電池的使用率。本申請(qǐng)的測(cè)量方法適用于建立各 種退役鋰離子動(dòng)力電池的壽命預(yù)測(cè)模型，為合理、有效的使用電池提供了科學(xué)的分析依據(jù) 和基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池狀態(tài)測(cè)量方法的流程圖；
[0043]圖2是本申請(qǐng)實(shí)施例中一階RC等效電路模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 A在工況測(cè)試中的充放電端電壓曲線圖；
[0045]圖4是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 A在工況中0.5C電流充電后，米用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的串聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0046]圖5是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 A在工況中0.5C電流充電后，采用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0047]圖6是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池A在工況中0.5C電流充電后，采用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電容值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0048]圖7是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池B在工況中0.5C電流充電后，采用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的串聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0049] 圖8是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 B在工況中0.5C電流充電后，采用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0050] 圖9是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池B在工況中0.5C電流充電后，采用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電容值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0051 ]圖10是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 C在工況中4C電流充電后，米用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的串聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0052] 圖11是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 C在工況中4C電流充電后，米用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電阻阻值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0053] 圖12是本申請(qǐng)實(shí)施例中電池 C在工況中4C電流充電后，米用最小二乘法提取的一 階RC等效電路模型的并聯(lián)電容值的統(tǒng)計(jì)圖；
[0054]圖13為工況中鋰離子動(dòng)力電池工況循環(huán)壽命與容量保持率的預(yù)測(cè)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0055]本申請(qǐng)的電池狀態(tài)測(cè)量方法，通過(guò)提取一階RC等效電路模型中的串聯(lián)電阻阻值、 并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值，并按照試驗(yàn)研究建立的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián) 電容值與S0H和S0C的關(guān)系，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池運(yùn)行條件下的電流和電壓，評(píng)估S0H，并計(jì)算 實(shí)時(shí)的S0C值，為運(yùn)行狀態(tài)下的電池提供了有效而準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，也為合理使用電池 提供了分析依據(jù)和科學(xué)基礎(chǔ)。
[0056]下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例僅對(duì)本申請(qǐng)進(jìn)行進(jìn) 一步說(shuō)明，不應(yīng)理解為對(duì)本申請(qǐng)的限制。
[0057]實(shí)施例--階RC等效電路模型參數(shù)和S0H、S0C關(guān)系的建立
[0058]本例模擬汽車動(dòng)力電池的工況，實(shí)時(shí)測(cè)量其在模擬工況中的電流和電壓，并根據(jù) 一系列的電流和電壓，提取相應(yīng)的一階RC等效電路模型的三個(gè)參數(shù)，串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電 阻阻值和并聯(lián)電容值;建立串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值與S0H的關(guān)系，并建 立了并聯(lián)電容值與S0C的關(guān)系，通過(guò)這些關(guān)聯(lián)，最終建立了本例的電池狀態(tài)測(cè)量方法。本例 中，一階RC等效電路模型如圖2所示，圖中R s為串聯(lián)電阻、RP為并聯(lián)電阻、CP為并聯(lián)電容。 [0059]模擬工況，串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值與S0H和S0C關(guān)系式建立的 整個(gè)過(guò)程如圖1所示，具體包括以下步驟：
[0060]步驟一、采用恒流恒壓充電方式對(duì)待估測(cè)電池進(jìn)行充電，充電結(jié)束后，將電池靜置 至少1小時(shí)，使電池處于充滿電的平衡狀態(tài);本例中，電池充電流為0.5C，模擬汽車充電粧的 充電；放電電流為工況放電電流，為變化的值;恒流恒壓充電為，恒流充電電流〇. 5C，恒壓充 電截至為電流0.05C。
[0061 ]步驟二、對(duì)充滿電后的電池進(jìn)行工況放電，脈沖電流倍率范圍為0.5C-4C，直至待 估測(cè)電池的電壓達(dá)到待估測(cè)電池的下限截止電壓2.0V，停止放電，通過(guò)充放電儀采集放電 過(guò)程中電池的端電壓和電流數(shù)據(jù);本例采用美國(guó)MACC0R公司的高速脈沖電池測(cè)試儀，在室 溫下，模擬工況條件進(jìn)行充放電。
[0062]步驟三、利用步驟二中階躍幅度大于等于0.5C，穩(wěn)定時(shí)間大于等于3秒，采樣時(shí)間 小于等于1秒的電流、電壓數(shù)據(jù)，使用采用最小二乘法，提取一階RC等效電路模型中串聯(lián)電 阻元件的阻值，即串聯(lián)電阻阻值，作為電池的歐姆內(nèi)阻;提取一階RC模型中并聯(lián)電阻元件的 阻值，即并聯(lián)電阻阻值，作為電池的并聯(lián)內(nèi)阻;提取一階RC模型中的并聯(lián)電容元件的并聯(lián)電 容值，作為電池的并聯(lián)電容。
[0063] 步驟四、根據(jù)電池的歐姆內(nèi)阻參數(shù)值所在區(qū)間初步判斷電池的S0H，根據(jù)電池的并 聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián)電容參數(shù)值所在區(qū)間完成電池S0H的判斷；同時(shí)根據(jù)S0H的判斷結(jié)果，利用電 池的并聯(lián)電容值與S0C的關(guān)系，完成電池S0C的計(jì)算。
[0064] 試驗(yàn) 1
[0065] 本實(shí)驗(yàn)采用待測(cè)試電池A3,型號(hào)為32650磷酸鐵鋰電池，額定容量為5Ah。在室溫環(huán) 境下對(duì)電池A進(jìn)行一次充放電特性實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。
[0066] (1)將待測(cè)的磷酸鐵鋰電池置于恒溫箱中，環(huán)境溫度保持在25°C，先靜置1小時(shí)，以 待溫度恒定；使用0.5C恒流充電將電池充電至電壓達(dá)到3.65V，轉(zhuǎn)恒壓充電至截止電流為 0.05C;充電完成后，靜置1小時(shí)；
[0067] (4)設(shè)置工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，工況數(shù)據(jù)進(jìn)行等比例的縮小10倍，以適應(yīng)單個(gè)電池的情 況，放電截止電壓均為2.0V;放電結(jié)束后，靜置1小時(shí);完成數(shù)據(jù)采集。
[0068]本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的工況條件采用HPPC工況測(cè)試條件。
[0069] 選取在工況中0.5C電流倍率處，分別計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián) 電容隨S0C變化的圖形，如圖4、圖5和圖6所示，圖4、5、6來(lái)自于測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)的整合；圖4 為串聯(lián)電阻阻值，即歐姆內(nèi)阻隨S0C變化的曲線圖；圖5為并聯(lián)電阻阻值，即并聯(lián)內(nèi)阻隨S0C 變化的曲線圖；圖6為并聯(lián)電容值隨S0C變化的曲線圖。結(jié)果顯示，圖4中，串聯(lián)電阻阻值隨 S0C的變化比較平穩(wěn)，無(wú)法用于S0C的計(jì)算；而圖6中，并聯(lián)電容值隨S0C的變化，兩者大部分 為線性關(guān)系，因此，可以通過(guò)擬合公式，對(duì)S0C進(jìn)行計(jì)算。
[0070] 試驗(yàn) 2
[0071] 本實(shí)驗(yàn)待測(cè)試電池B，型號(hào)為32650磷酸鐵鋰電池，額定容量為5Ah。在室溫環(huán)境下 對(duì)電池B進(jìn)行一次充放電特性實(shí)驗(yàn)。測(cè)試方法與試驗(yàn)1相同。
[0072] 選取在工況中0.5C電流倍率處，分別計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián) 電容隨S0C變化的圖形，如圖7、圖8和圖9所示，圖7、8、9來(lái)自于測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)的整合；圖7 為串聯(lián)電阻阻值，即歐姆內(nèi)阻隨S0C變化的曲線圖；圖8為并聯(lián)電阻阻值，即并聯(lián)內(nèi)阻隨S0C 變化的曲線圖；圖9為并聯(lián)電容值隨S0C變化的曲線圖。結(jié)果顯示，圖7中，串聯(lián)電阻阻值隨 S0C的變化比較平穩(wěn)，無(wú)法用于S0C的計(jì)算；而圖9中，并聯(lián)電容值隨S0C的變化，兩者大部分 為線性關(guān)系，因此，可以通過(guò)擬合公式，對(duì)S0C進(jìn)行計(jì)算。
[0073] 試驗(yàn) 3
[0074] 本實(shí)驗(yàn)待測(cè)試電池C，型號(hào)為32650磷酸鐵鋰電池，額定容量為5Ah。在室溫環(huán)境下 對(duì)電池C進(jìn)行一次充放電特性實(shí)驗(yàn)。測(cè)試方法與試驗(yàn)1相同。
[0075] 選取在工況中4C電流倍率處，分別計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián)電 容隨S0C變化的圖形，如圖10、圖11和圖12所示，圖10、11、12來(lái)自于測(cè)量和計(jì)算數(shù)據(jù)的整合； 圖10為串聯(lián)電阻阻值，即歐姆內(nèi)阻隨S0C變化的曲線圖；圖11為并聯(lián)電阻阻值，即并聯(lián)內(nèi)阻 隨S0C變化的曲線圖；圖12為并聯(lián)電容值隨S0C變化的曲線圖。結(jié)果顯示，圖10中，串聯(lián)電阻 阻值隨S0C的變化比較平穩(wěn)，無(wú)法用于S0C的計(jì)算;而圖12中，并聯(lián)電容值隨S0C的變化，兩者 大部分為線性關(guān)系，因此，可以通過(guò)擬合公式，對(duì)S0C進(jìn)行計(jì)算。
[0076] 根據(jù)試驗(yàn)可知，串聯(lián)電阻阻值在健康狀態(tài)電池中的提取值比在非健康狀態(tài)電池中 的提取值要小，即相同條件下，采用相同的測(cè)量方法獲得的電流和電壓，非健康狀態(tài)電池的 串聯(lián)電阻阻值有所增大。也就是說(shuō)，將串聯(lián)電阻阻值作為電池的歐姆內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻隨電池 歷史循環(huán)次數(shù)增加和電池健康狀態(tài)的惡化而緩慢增大，但是健康電池和非健康電池的串聯(lián) 內(nèi)阻阻值所在的區(qū)間會(huì)有重疊部分。而并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值這兩個(gè)值在健康狀態(tài)電 池和非健康狀態(tài)電池中的分布則明顯不同，在確定的荷電狀態(tài)下，健康狀態(tài)電池的并聯(lián)內(nèi) 阻阻值區(qū)間的最小值，大于非健康電池的并聯(lián)內(nèi)阻阻值區(qū)間的最大值;而健康狀態(tài)電池并 聯(lián)電容值區(qū)間的最大值，小于非健康電池的并聯(lián)電容值區(qū)間的最小值。以S0C = 40 %時(shí)為 例，健康電池的并聯(lián)內(nèi)阻阻值在區(qū)間7.8-9.5m Q、并聯(lián)電容值所在區(qū)間為680-795F;而非健 康電池的并聯(lián)內(nèi)阻阻值在區(qū)間6.7 - 7.2m Q、并聯(lián)電容值所在區(qū)間為970 - 111 0F。由此根據(jù)提 取的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值各自所在區(qū)間，就可以判斷電池的健康狀 〇
[0077] 本例分別對(duì)并聯(lián)電容值和并聯(lián)電阻阻值的區(qū)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和擬合，最終得到一個(gè) 邊界曲線，在特定S0C下，測(cè)量的并聯(lián)電容值，縮寫(xiě)4值，在邊界曲線之上為非健康狀態(tài)電 池，邊界曲線之下為健康狀態(tài)電池，心的邊界曲線如下：
[0078] CP = 475 ? 6+1125 ? 7 X S0C-149 ? 8 X S0C2-232 ? 1 X S0C3;
[0079]在特定S0C下，測(cè)量的并聯(lián)電阻阻值，縮寫(xiě)心值，在邊界曲線之上為健康狀態(tài)電池， 邊界曲線之下為非健康狀態(tài)電池，RP的邊界曲線如下：
[0080] Rp = 19 ? 5-58 ? 2 X S0C+87 ? 0 X S0C2-42 ? 9 X S0C3。
[0081] 根據(jù)以上邊界曲線判斷公式，試驗(yàn)1為健康狀態(tài)電池，試驗(yàn)2為非健康狀態(tài)電池，試 驗(yàn)3為非健康狀態(tài)電池;判斷結(jié)果與預(yù)期的結(jié)果相符。
[0082] 并且，根據(jù)對(duì)健康狀態(tài)電池和非健康狀態(tài)電池的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在電池健康 狀態(tài)，S0C在一定范圍內(nèi)，與提取的并聯(lián)電容值呈線性關(guān)系，因此，可以根據(jù)并聯(lián)電容值計(jì)算 出S0C;而電池在非健康狀態(tài)，S0C與提取的并聯(lián)電容值呈另外一種線性關(guān)系。具體的，在電 池健康狀態(tài)，30(：與〇 )滿足公式一;在電池非健康狀態(tài)，50(：與〇)滿足公式二。
[0083] 公式一 ：S0C = -0 ? 33+9 ? 94 X 10-4 X CP
[0084] 公式二：S0C = -0 ? 46+8 ? 24 X 10-4 X CP
[0085]其中，CP為一階RC等效電路模型中提取的并聯(lián)電容值。
[0086] 實(shí)施例二電池樣品測(cè)試
[0087]電池樣品測(cè)試，按照實(shí)施例一的測(cè)量方法，對(duì)電池樣品進(jìn)行測(cè)試。本例分別采用使 用過(guò)的未知情況的電池樣品和全新的電池樣品進(jìn)行試驗(yàn)，使用過(guò)的電池樣品和全新的電池 樣品，都是相同的電池型號(hào)，本例具體為，型號(hào)32650的磷酸鐵鋰電池，其額定容量為5Ah。
[0088] 測(cè)試時(shí)，預(yù)先對(duì)兩個(gè)電池樣品進(jìn)行充電，充電方式與實(shí)施例一相同，然后采用實(shí)施 例一相同的方法進(jìn)行放電，同樣的，通過(guò)充放電儀采集放電過(guò)程中電池的端電壓和電流數(shù) 據(jù)，選取在工況中4C電流倍率處，分別計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián)電容。根 據(jù)電池的歐姆內(nèi)阻參數(shù)值所在區(qū)間初步判斷電池的S0H，根據(jù)電池的并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián)電容 參數(shù)值所在區(qū)間完成電池S0H的判斷；同時(shí)根據(jù)S0H的判斷結(jié)果，利用電池的并聯(lián)電容值與 S0C的關(guān)系，完成電池S0C的計(jì)算。
[0089] 測(cè)試結(jié)果顯示，全新電池的歐姆內(nèi)阻，小于使用過(guò)的電池樣品的歐姆內(nèi)阻，位于健 康狀態(tài)區(qū)間內(nèi)；全新電池的并聯(lián)內(nèi)阻，即并聯(lián)電阻阻值，遠(yuǎn)大于使用過(guò)的電池樣品的并聯(lián)內(nèi) 阻，位于健康狀態(tài)區(qū)間內(nèi)；全新電池的并聯(lián)電容值，遠(yuǎn)小于使用過(guò)的電池樣品的并聯(lián)內(nèi)阻， 位于健康狀態(tài)區(qū)間內(nèi)；因此，判斷新電池樣品為健康狀態(tài)。而使用過(guò)的電池樣品，其歐姆內(nèi) 阻大于新電池樣品的歐姆內(nèi)阻，但是其歐姆內(nèi)阻值在健康狀態(tài)和非健康狀態(tài)的重疊區(qū)，無(wú) 法有效的判斷其健康狀態(tài);使用過(guò)的電池樣品，其并聯(lián)內(nèi)阻遠(yuǎn)小于新電池樣品，位于非健康 狀態(tài)區(qū)間內(nèi)；使用過(guò)的電池樣品的并聯(lián)電容值，遠(yuǎn)大于新電池樣品，位于非健康狀態(tài)區(qū)間 內(nèi)；因此，判斷使用過(guò)的電池樣品為非健康狀態(tài)。
[0090] 實(shí)施例三剩余壽命測(cè)量
[0091] 本例在對(duì)電池進(jìn)行充電后，就根據(jù)充滿電后的電池容量與電池的額定容量的比 值，計(jì)算出S0H值，S0H值大于或等于80 %，判斷電池處于健康狀態(tài)，S0H值小于80 %判斷電池 處于非健康狀態(tài)。在判斷電池處于健康或非健康狀態(tài)后，根據(jù)S0H值判斷電池的剩余循環(huán)壽 命，具體包括，按照公式三計(jì)算電池的剩余循環(huán)數(shù)，
[0092] 厶式三^ 1
[0093] 其中，SOH為SOH值即容量保持率，N為剩余循環(huán)次數(shù)，e為自然常數(shù)。
[0094]公式三是根據(jù)實(shí)施例一的電池的工況循環(huán)測(cè)試，獲得的電池容量保持率數(shù)據(jù)與循 環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)獲得容量保持率和循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制放電次數(shù)與容量曲 線，采用高斯函數(shù)進(jìn)行擬合得到公式，即公式三，繪制的曲線如圖13所示。根據(jù)當(dāng)前的容量 保持率，使用公式三即可得出剩余循環(huán)次數(shù)。
[0095] 在判斷電池處于健康或非健康狀態(tài)后，同樣的，采用實(shí)施例一相同的方法，對(duì)工況 進(jìn)行模擬，并采用相同的方法提取一階RC等效電路模型中的串聯(lián)電阻阻值、并聯(lián)電阻阻值 和并聯(lián)電容值。當(dāng)電池為健康狀態(tài)時(shí)，按照公式一計(jì)算S0C，當(dāng)電池為非健康狀態(tài)時(shí)，按照公 式二計(jì)算S0C;公式一和公式二與實(shí)施例一相同。
[0096] 利用本申請(qǐng)實(shí)施例提供的方法可以建立動(dòng)力電池在不同健康狀態(tài)和不同荷電狀 態(tài)下的歐姆內(nèi)阻、并聯(lián)內(nèi)阻和并聯(lián)電容實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在汽車行駛過(guò)程中，選取特定的輸出電 流階躍進(jìn)行參數(shù)提取，實(shí)時(shí)分析得到動(dòng)力電池的健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)信息。本申請(qǐng)的方法 所提取的參數(shù)及其與電池健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)的關(guān)系還可以與其它估測(cè)方法結(jié)合，如電流 積分法，減小估測(cè)工作的復(fù)雜度，提高估測(cè)工作的準(zhǔn)確度。
[0097] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本申請(qǐng)所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本申 請(qǐng)的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫 離本申請(qǐng)構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本申請(qǐng)的保護(hù) 范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法，其特征在于:包括以下步驟， (1) 實(shí)時(shí)測(cè)量在運(yùn)行中的電池的電流和電壓； (2) 根據(jù)測(cè)量的電流和電壓值，采用最小二乘法提取一階RC等效電路模型中的串聯(lián)電 阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值； (3) 根據(jù)提取的串聯(lián)電阻阻值所在區(qū)間初步判斷SOH，并根據(jù)并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容 值所在區(qū)間判斷SOH。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:還包括步驟(4)，根據(jù)步驟(3)的SOH判斷結(jié) 果，按照并聯(lián)電容值與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算SOC。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述根據(jù)步驟(3)的SOH判斷結(jié)果，按照并 聯(lián)電容值與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算SOC，具體包括，當(dāng)SOH判斷為健康狀態(tài)時(shí)，按照公式一計(jì)算 獲得SOC，當(dāng)SOH判斷為非健康狀態(tài)時(shí)，按照公式二計(jì)算獲得SOC; 公式一 ：S0C = -0 · 33+9 · 94 X 10-4 X CP 公式二：S0C = -0 · 46+8 · 24 X 10-4 X CP 其中，CP為一階RC等效電路模型中提取的并聯(lián)電容值。4. 一種測(cè)量電池狀態(tài)的方法，其特征在于:包括以下步驟， (1) 在電池進(jìn)行運(yùn)行之前，對(duì)電池進(jìn)行恒流恒壓充電，并將其充滿，根據(jù)充滿電時(shí)的容 量與電池額定容量的比值得出SOH值，SOH值大于或等于80 %判斷電池為健康狀態(tài)，SOH值小 于80 %判斷電池為非健康狀態(tài)； (2) 實(shí)時(shí)測(cè)量在運(yùn)行中的電池的電流和電壓； (3) 根據(jù)測(cè)量的電流和電壓值，采用最小二乘法提取一階RC等效電路模型中的串聯(lián)電 阻阻值、并聯(lián)電阻阻值和并聯(lián)電容值； (4) 根據(jù)步驟（1)判斷的電池健康狀態(tài)情況，按照并聯(lián)電容值與SOC的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算 SOCo5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于:所述步驟(4)中，根據(jù)步驟（1)判斷的電池 健康狀態(tài)情況，按照并聯(lián)電容值與S0C的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算S0C，具體包括，當(dāng)電池為健康狀態(tài) 時(shí)，按照公式一計(jì)算S0C，當(dāng)電池為非健康狀態(tài)時(shí)，按照公式二計(jì)算S0C; 公式一 ：S0C = -0 · 33+9 · 94 X 10-4 X CP 公式二：S0C = -0 · 46+8 · 24 X 10-4 X CP 其中，CP為一階RC等效電路模型中提取的并聯(lián)電容值。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于:所述步驟（1)還包括，根據(jù)S0H值判斷電 池的剩余循環(huán)壽命。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述根據(jù)S0H值判斷電池的剩余循環(huán)壽命， 具體包括，按照公式三計(jì)算電池的剩余循環(huán)數(shù)，其中，S0H為S0H值即容量保持率，N為剩余循環(huán)次數(shù)，e為自然常數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法在汽車動(dòng)力電池實(shí)時(shí)檢測(cè)或監(jiān)控中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK105929338SQ201610372849
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月30日
【發(fā)明人】喬榮學(xué), 任文舉, 林原, 潘鋒
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)深圳研究生院