CN103344921B - 锂离子动力电池健康状态评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子动力电池健康状态评估系统及方法，所述系统包括MCU中央控制模块、电压和电流检测模块、GPES和FRA检测模块、显示模块以及含有锂离子动力电池的电池模块；所述方法通过记录锂离子动力电池放电截止之后的电压值的变化，从而得出电压回升速率，利用电压回升速率获取主要因素判断值；对锂离子动力电池进行交流阻抗测试，得出交流阻抗图谱，并进行拟合，得出等效电路图，根据锂离子动力电池内部各部分阻抗值计算出锂离子动力电池的内部阻抗值，利用内部阻抗值获取次要因素判断值，将主要因素判断值和次要因素判断值相加即为锂离子动力电池的SOH（健康状态）值，使得计算结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池健康状态评估系统，尤其是一种锂离子动力电池健康状态评估系统及方法，属于电池管理技术领域。
背景技术
目前，锂离子动力电池健康状态的评估方法主要有以下几种：
1)基于电流特征、电压特征、温度特征得出电池的安全状态
通过小波包算法对采得的电流值、电压值和温度值的时间序列进行分解并计算小波分解树上各分支的能量、局部值-峰值、局部最大值、局部最小值、峰值因素、偏度；并通过人工神经网络方法、自组织映射方法以及回归算法计算电流特征、电压特征和温度特征。该方法需要对电流值、电压值和温度值进行计算，从而再对电流特征、电压特征、温度特征进行计算，采用算法较多，计算过程比较繁杂，很难计算准确。
2)基于电池容量SOH(stateofhealth，健康状态)值评估步骤和基于电池内阻SOH值评估步骤的结合、或基于电池容量与SOC(stateofcharge，荷电状态)值综合SOH值评估步骤和基于电池内阻SOH值评估步骤的结合。
这种方法存在以下问题：a、基于电池容量的SOH值评估步骤涉及到用安时积分法测量电池的SOC，而在实际应用场合，安时积分法存在累积误差，并且随着使用时间的增加，误差会逐渐增加；b、基于电池内阻的SOH值评估步骤使用了测量交流阻抗的方法，而在不同的电流频率下计算出来的交流阻抗可能存在比较大的差异，而且电池的交流阻抗只是在电池的SOC很低或很高的时候变化率比较大，在SOC处于中间段时变化率很小，如果测量不够精确，计算误差会比较大。
3)基于电动车起动期间的电池开路电压检测电池健康状态的方法
通过建立OCV-SOH之间的关系(一般通过实验测定)，在测量电池的开路电压之后，估算SOH。通过建立电池模型，可以在有电流的情况下计算电池的开路电压，开路电压法的基本原理是将电池充分静置，使电池端恢复至开路电压，静置时间一般在1小时以上，不适合电动汽车的实时在线检测。
4)基于电池参考内阻、实际动态电阻和电池的端电压的电池健康状态测试方法
根据测试标准、电池类型和环境温度修正CCA并计算被测电池参考内阻RO，再通过接通和断开放电负载(恢复)测量被测电池电压变化率DV和电流变化率DI，计算出电池实际动态电阻R＝DV/DI，最后计算出电池的SOH＝(R-R0)/R0。实际动态电阻和电池的端电压受温度、充放电状态等非线性因素的影响，很难计算精确，从而影响到SOH的估算精度。
5)建立在线辨识电池的准确模型
利用人工智能、模糊控制、神经网络等方法辨识电池的准确模型，将影响SOH的各种因素综合到电池模型中，提高SOH的估算精度。目前国内外绝大多数成果停留在计算机仿真结果阶段，离具体实际应用还有距离。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种结构简单、可以准确和快速测定锂离子动力电池开路电压变化速率和内部阻抗值，并确定锂离子动力电池实际状况的锂离子动力电池健康状态评估系统。
本发明的另一目的在于提供一种使用上述系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
锂离子动力电池健康状态评估系统，其特征在于：包括MCU中央控制模块、电压和电流检测模块、GPES和FRA检测模块、显示模块以及含有锂离子动力电池的电池模块；所述电池模块分别与电压和电流检测模块以及GPES和FRA检测模块连接，所述MCU中央控制模块分别与电压和电流检测模块、GPES和FRA检测模块以及显示模块连接。
具体的，所述MCU中央控制模块包括：
数据接收单元，分别与电压和电流检测模块以及GPES和FRA检测模块连接，用于接收电压和电流检测模块以及GPES和FRA检测模块采集的锂离子动力电池响应信号数据；
数据分析单元，与数据接收单元连接，用于分析数据接收单元接收到的响应信号数据；
数据处理单元，与数据分析单元连接，用于对数据分析单元分析后的响应信号数据进行处理；
以及数据发送单元，分别与数据处理单元以及显示模块连接，用于将数据处理单元处理的数据输出到显示模块中。
具体的，所述电压和电流检测模块通过检测电路与电池模块中的锂离子动力电池连接。
具体的，所述检测电路包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和电流传感器与锂离子动力电池并联，再与PWM串联。
具体的，所述电压和电流检测模块采用红外收发器或光纤收发器与MCU中央控制模块数据连接。
具体的，所述显示模块通过电路与MCU中央控制模块的输出端连接。
具体的，所述GPES和FRA检测模块为AutoLab仪器自带的模块。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
使用上述系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对新出厂锂离子动力电池进行活化，即进行3～5次充放电循环，接着1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置一定时间使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
2)采用GPES和FRA检测模块对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行交流阻抗测试，得到交流阻抗图谱，把采集的交流阻抗图谱反馈至数据接收单元，通过数据分析单元将交流阻抗图谱拟合得到等效电路图，从而得出锂离子动力电池内部各部分阻抗值，在数据处理单元中根据得到的各部分阻抗值计算锂离子动力电池内部阻抗值Z1，该阻抗值Z1即为锂离子动力电池完全健康状态的阻抗值，如下式所示：
Z1＝Rt+[R1+R2+j*ω*R1*R2*(C1+C2)]/[1-ω*2*R1*R2*C1*C2+j*ω(R1*C1+R2*C2)]
其中，j＝(-1)1/2，ω为角频率，Rt为欧姆电阻，R1为SEI膜电阻，R2为电荷传递电阻，C1为SEI膜电容，C2为电荷传递电容；
3)对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块采集锂离子动力电池的开路电压值V1，将数据反馈至数据接收单元，在数据处理单元中计算电压降ΔV1＝V1-3.8，记录电压回升时间t1，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v1＝ΔV1/t1；
4)对已进行多次充放电循环的锂离子动力电池进行充电，即1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置一定时间使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
5)采用步骤2)的方法计算得到步骤4)经过充电后的锂离子动力电池内部阻抗值Z2，该阻抗值Z2即为锂离子动力电池不完全健康状态的阻抗值；
6)对步骤4)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块采集锂离子动力电池的开路电压值V2，将数据反馈至数据接收单元，在数据处理单元中计算电压降ΔV2＝V2-3.8，记录电压回升时间t2，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v2＝ΔV2/t2；
7)在数据处理单元中，根据步骤3)得到的开路电压回升速率值v1和步骤6)得到的开路电压回升速率值v2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的主要因素判断值a＝0.8*v1/v2；根据步骤2)得到的内部阻抗值Z1和步骤4)得到的内部阻抗值Z2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的次要因素判断值b＝0.2*Z1/Z2，将主要因素判断值a和次要因素判断值b相加得到步骤4)所述锂离子动力电池的SOH值，若SOH值小于0.5，则该锂离子动力电池为报废状态；
上述步骤中，锂离子动力电池充放电变化的电流值与电压值、开路电压V1和V2、电压降ΔV1和ΔV2、交流阻抗图谱、内部各部分阻抗值、内部阻抗值Z1和Z2以及SOH值通过数据发送单元输出到显示模块中；其中，充放电变化的电流值与电压值通过电压和电流检测模块进行采集。
具体的，所述锂离子动力电池的每次充放电循环过程为：1C恒流充电，电压为4.2V截止；继续4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；最后1C恒流放电，2.8V停止。
具体的，步骤1)和步骤4)所述静置一定时间为静置12小时或以上。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明的锂离子动力电池健康状态评估方法，利用锂离子动力电池放电截止后电压回升速率获取主要因素判断值，计算出电池当前的SOH值，从而避开了复杂的材料性能讨论，可以使计算结果更精确。
2、本发明的锂离子动力电池健康状态评估方法，充分考虑电池的内部阻抗是电池健康状态的实质影响因素，由于内阻小的电池的放电能力强，内阻大的电池放电能力弱，说明电池健康状态差，所以增加内部阻抗这一影响因素，并获取次要因素判断值，对主要因素判断值进行修正，使计算结果更加准确。
附图说明
图1为本发明的锂离子动力电池健康状态评估系统的结构原理框图。
图2为本发明的锂离子动力电池健康状态评估系统中MCU中央控制模块结构原理框图。
图3为本发明的锂离子动力电池健康状态评估系统电压和电流检测模块中检测电路的原理框图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例的锂离子动力电池健康状态评估系统，包括MCU中央控制模块1、电压和电流检测模块2、GPES和FRA检测模块3、显示模块4以及电池模块5，所述电池模块5中含有锂离子动力电池；所述电池模块5分别与电压和电流检测模块2以及GPES和FRA检测模块3连接，所述电压和电流检测模块2采用红外收发器或光纤收发器与MCU中央控制模块1数据连接，所述显示模块4通过电路与MCU中央控制模块1的输出端连接，所述MCU中央控制模块1与GPES和FRA检测模块3连接，所述GPES和FRA检测模块3为AutoLab仪器自带的模块。
如图2所示，所述MCU中央控制模块1包括依次连接的数据接收单元1-1、数据分析单元1-2、数据处理单元1-3以及数据发送单元1-4，所述数据接收单元1-1分别与电压和电流检测模块2以及GPES和FRA检测模块3连接，所述数据发送单元1-4与显示模块4连接。
如图1和图3所示，所述电压和电流检测模块2通过检测电路与电池模块5中的锂离子动力电池连接，所述检测电路包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和电流传感器与锂离子动力电池并联，再与PWM串联，所得数据由PWM进行DC-DC转换后反馈至MCU中央控制模块1。
本实施例的锂离子动力电池健康状态评估系统，是基于上述系统实现的，包括以下步骤：
1)对新出厂锂离子动力电池进行活化，即进行3次充放电循环，接着1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置12小时使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
2)采用GPES和FRA检测模块3对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行交流阻抗测试，得到交流阻抗图谱，把采集的交流阻抗图谱反馈至数据接收单元1-1，通过数据分析单元1-2将交流阻抗图谱拟合得到等效电路图，从而得出锂离子动力电池内部各部分阻抗值，在数据处理单元1-3中根据得到的各部分阻抗值计算锂离子动力电池内部阻抗值Z1，该阻抗值Z1即为锂离子动力电池完全健康状态的阻抗值，如下式所示：
Z1＝Rt+[R1+R2+j*ω*R1*R2*(C1+C2)]/[1-ω*2*R1*R2*C1*C2+j*ω(R1*C1+R2*C2)]
其中，j＝(-1)1/2，ω为角频率，Rt为欧姆电阻，R1为SEI膜电阻，R2为电荷传递电阻，C1为SEI膜电容，C2为电荷传递电容；
3)对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块2采集锂离子动力电池的开路电压值V1，将数据反馈至数据接收单元1-1，在数据处理单元1-3中计算电压降ΔV1＝V1-3.8，记录电压回升时间t1，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v1＝ΔV1/t1；
4)对已进行50次充放电循环的锂离子动力电池进行充电，即1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置12小时使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
5)采用步骤2)的方法计算得到步骤4)经过充电后的锂离子动力电池内部阻抗值Z2，该阻抗值Z2即为锂离子动力电池不完全健康状态的阻抗值；
6)对步骤4)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块2采集锂离子动力电池的开路电压值V2，将数据反馈至数据接收单元1-1，在数据处理单元1-3中计算电压降ΔV2＝V2-3.8，记录电压回升时间t2，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v2＝ΔV2/t2；
7)在数据处理单元1-3中，根据步骤3)得到的开路电压回升速率值v1和步骤6)得到的开路电压回升速率值v2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的主要因素判断值a＝0.8*v1/v2(可见新出厂完全健康的锂离子动力电池的a＝0.8)；根据步骤2)得到的内部阻抗值Z1和步骤4)得到的内部阻抗值Z2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的次要因素判断值b＝0.2*Z1/Z2(可见新出厂完全健康的锂离子动力电池的b＝0.2)，将主要因素判断值a和次要因素判断值b相加得到步骤4)所述锂离子动力电池的SOH值，得到的SOH值约为0.95，由于0.5＜0.95＜1，该锂离子动力电池在正常状态；
上述步骤中，锂离子动力电池充放电变化的电流值与电压值、开路电压V1和V2、电压降ΔV1和ΔV2、交流阻抗图谱、内部各部分阻抗值、内部阻抗值Z1和Z2以及SOH值通过数据发送单元1-4输出到显示模块4中；其中，充放电变化的电流值与电压值通过电压和电流检测模块2进行采集；所述锂离子动力电池的每次充放电循环过程为：1C恒流充电，电压为4.2V截止；继续4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；最后1C恒流放电，2.8V停止。
实施例2：
步骤1)～步骤3)同实施例1，在步骤4)中对已进行600次充放电循环的锂离子动力电池进行充电，最终在步骤7)计算的SOH值约为0.6，由于0.5＜0.6＜1，该锂离子动力电池还处于正常状态。
实施例3：
步骤1)～步骤3)同实施例1，在步骤4)中对已进行800次充放电循环的锂离子动力电池进行充电，最终在步骤7)计算的SOH值约为0.45，由于0.45＜0.5，该锂离子动力电池为报废状态。
从上述实施例1～3中，可以发现对锂离子动力电池进行“充电-放电”的模式循环，随着循环次数的增加，SOH值单调递减，说明本发明方法估算的SOH能够得到相对准确的电池健康状态，相比现有技术的评估方法更准确，这是由于循环次数不同(充放电电流、电压参数设置一致)，之后又以相同的倍率放电，再静置，电压随即回升，并且开路电压回升速率与循环次数呈现单调关系，即循环次数越多，开路电压回升速率越快，这与电池的极化有关；锂离子动力电池的极化主要与电池内阻、充放电电流大小、极片制作工艺、涂料是否均匀、压实密度有关。在采用同一个电池的情况下，可以忽略充放电电流大小、极片制作工艺、涂布是否均匀、压实密度对电池极化的影响，所以此状态下电池的极化只受电池内阻的影响。电池的内阻包括欧姆电阻和极化电阻，电池的欧姆电阻主要由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，与电池的尺寸、结构、装配等有关，内阻小的电池的放电能力强，内阻大的电池放电能力弱，说明电池健康状态差，电池极化电阻大，说明电池产生较大极化，极化大电压回升速率快，由此说明电池的健康状态越差，电压回升速率越快。但是单独采用电压回升速率或者电池内部阻抗来判断电池的健康状态都存在少许偏差，所以将电池放电之后电压回升速率作为主要判断方法，并用电池此状态下的内部阻抗值作为加以修正。
以上所述，仅为本发明专利优选的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
Claims (8)
1.使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，所述系统包括MCU中央控制模块(1)、电压和电流检测模块(2)、GPES和FRA检测模块(3)、显示模块(4)以及含有锂离子动力电池的电池模块(5)；所述电池模块(5)分别与电压和电流检测模块(2)以及GPES和FRA检测模块(3)连接，所述MCU中央控制模块(1)分别与电压和电流检测模块(2)、GPES和FRA检测模块(3)以及显示模块(4)连接；
所述MCU中央控制模块(1)包括：数据接收单元(1-1)，分别与电压和电流检测模块(2)以及GPES和FRA检测模块(3)连接，用于接收电压和电流检测模块(2)以及GPES和FRA检测模块(3)采集的锂离子动力电池响应信号数据；数据分析单元(1-2)，与数据接收单元(1-1)连接，用于分析数据接收单元(1-1)接收到的响应信号数据；数据处理单元(1-3)，与数据分析单元(1-2)连接，用于对数据分析单元(1-2)分析后的响应信号数据进行处理；以及数据发送单元(1-4)，分别与数据处理单元(1-3)以及显示模块(4)连接，用于将数据处理单元(1-3)处理的数据输出到显示模块(4)中，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)对新出厂锂离子动力电池进行活化，即进行3～5次充放电循环，接着1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置一定时间使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
2)采用GPES和FRA检测模块(3)对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行交流阻抗测试，得到交流阻抗图谱，把采集的交流阻抗图谱反馈至数据接收单元(1-1)，通过数据分析单元(1-2)将交流阻抗图谱拟合得到等效电路图，从而得出锂离子动力电池内部各部分阻抗值，在数据处理单元(1-3)中根据得到的各部分阻抗值计算锂离子动力电池内部阻抗值Z1，该阻抗值Z1即为锂离子动力电池完全健康状态的阻抗值，如下式所示：
Z1＝Rt+[R1+R2+j*ω*R1*R2*(C1+C2)]/[1-ω*2*R1*R2*C1*C2+j*ω(R1*C1+R2*C2)]
其中，j＝(-1)1/2，ω为角频率，Rt为欧姆电阻，R1为SEI膜电阻，R2为电荷传递电阻，C1为SEI膜电容，C2为电荷传递电容；
3)对步骤1)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块(2)采集锂离子动力电池的开路电压值V1，将数据反馈至数据接收单元(1-1)，在数据处理单元(1-3)中计算电压降ΔV1＝V1-3.8，记录电压回升时间t1，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v1＝ΔV1/t1；
4)对已进行多次充放电循环的锂离子动力电池进行充电，即1C恒流充电，电压为4.2V截止，静置一定时间使开路电压稳定，再以4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；
5)采用步骤2)的方法计算得到步骤4)经过充电后的锂离子动力电池内部阻抗值Z2，该阻抗值Z2即为锂离子动力电池不完全健康状态的阻抗值；
6)对步骤4)经过充电后的锂离子动力电池进行3C恒流放电至3.8V，静置至开路电压稳定后，通过电压和电流检测模块(2)采集锂离子动力电池的开路电压值V2，将数据反馈至数据接收单元(1-1)，在数据处理单元(1-3)中计算电压降ΔV2＝V2-3.8，记录电压回升时间t2，从而得出锂离子动力电池完全健康状态的开路电压回升速率值v2＝ΔV2/t2；
7)在数据处理单元(1-3)中，根据步骤3)得到的开路电压回升速率值v1和步骤6)得到的开路电压回升速率值v2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的主要因素判断值a＝0.8*v1/v2；根据步骤2)得到的内部阻抗值Z1和步骤4)得到的内部阻抗值Z2，计算锂离子动力电池不完全健康状态的次要因素判断值b＝0.2*Z1/Z2，将主要因素判断值a和次要因素判断值b相加得到步骤4)所述锂离子动力电池的SOH值，若SOH值小于0.5，则该锂离子动力电池为报废状态；
上述步骤中，锂离子动力电池充放电变化的电流值与电压值、开路电压V1和V2、电压降ΔV1和ΔV2、交流阻抗图谱、内部各部分阻抗值、内部阻抗值Z1和Z2以及SOH值通过数据发送单元(1-4)输出到显示模块(4)中；其中，充放电变化的电流值与电压值通过电压和电流检测模块(2)进行采集。
2.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述电压和电流检测模块(2)通过检测电路与电池模块(5)中的锂离子动力电池连接。
3.根据权利要求2所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述检测电路包括电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和电流传感器与锂离子动力电池并联，再与PWM串联。
4.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述电压和电流检测模块(2)采用红外收发器或光纤收发器与MCU中央控制模块(1)数据连接。
5.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述显示模块(4)通过电路与MCU中央控制模块(1)的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述GPES和FRA检测模块(3)为AutoLab仪器自带的模块。
7.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：所述锂离子动力电池的每次充放电循环过程为：1C恒流充电，电压为4.2V截止；继续4.2V恒压充电，电流下降为0.05A截止；最后1C恒流放电，2.8V停止。
8.根据权利要求1所述的使用锂离子动力电池健康状态评估系统进行锂离子动力电池健康状态评估的方法，其特征在于：步骤1)和步骤4)所述静置一定时间为静置12小时或以上。
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