CN104620122B - 用于估计电池老化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于估计对电力系统供电的电池的老化的方法，其特征在于，包括以下步骤：100‑响应于在电池的正常工作期间由电力系统的消耗率改变所引起的电流扰动，存储关于跨电池端子的电压和电流的一组数据；200‑在预定频率间隔内、根据电压和电流数据确定电池阻抗；300‑根据在前述步骤中确定的阻抗，通过将所述阻抗与先前存储的、该阻抗随老化演变的模型进行比较，来估计电池的年龄。

Description

用于估计电池老化的方法
本发明涉及测试装置和方法的领域。
具体地，本发明涉及一种用于诊断电池老化的方法。
背景技术
确定电池老化的问题具有许多应用，特别是在安装在卫星上的电池的情况下。在这样的情况下，当提到确定卫星寿命结束时，知道电池状态是至关紧要的。在缺乏关于电池老化状态的准确知识的情况下，卫星被过早地停用，从而产生显著的运营损失。
图1示出了根据电池老化的电池行为，在横坐标上显示电池的放电深度(电池的最大充电和最小充电之间的间隔)，以及在纵坐标上显示跨电池端子的电压。正如可以在图1中看到，对于寿命开始时的电池而言(曲线1)，可用的放电深度是最大的，并且当存在电压的快速下降时，由电池提供的电压曲线基本是平的，直到几乎达到最大放电深度为止。对于寿命结束时的电池而言(曲线2)，情形是一样的，即正常操作中稍微更低的电池电压处的稳定时期(plateau)和在放电深度附近的电压快速下降。
在该曲线图上的两个前述曲线之间找到与任何老化的电池相对应的曲线3(图1中用虚线表示)。对于在电池使用开始时的稳定时期上观测的电压的简单测量(曲线的左手部分)不足以准确地表征电池老化。这因而导致关于电池电压快速下降时间的大量不确定性。
用于确定电池老化的常规方法包括电池内部电阻的测量和电池容量损失的测量(放电深度的下降)。容量测量是基于恒定电流时的电池的完全放电的。
因此，这些容量参数和内部电阻不易受例如卫星上安装的嵌入式设备的影响。此外，卫星上的电池的完全放电将导致卫星的损耗，并且因此该解决方案不是可考虑的。
此外，用于适合嵌入式设备的电池老化诊断方法是已知的。
专利申请US 2012/0019253 A1“Method for determining an aging conditionof a battery cell by means of impedance spectroscopy”描述了基于实际电池的低频阻抗和作为电池寿命结束时电池特征的阈值阻抗之间的比较的诊断方法。
在此，当电池经历包括可变频率的正弦变化的电流注入时，通过测量电池的电压来执行电池的低频阻抗测量(阻抗谱方法)。
该方法适用于各种类型的电池：锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池等。
类似地，公开“Impedance Noise Identification for State-of-HealthPrognostic”(INL/CON-08-14101，43rd Power Sources Conference,2008年7月)描述了一种使用电池阻抗测量的老化诊断方法，其基于注入到电池中的随机电流(白噪声和粉红噪声)。随后该方法使用FET(快速傅里叶变换)处理来确定电池的阻抗。再次，所测量的阻抗与参考值相比较。
在该领域中，已知文件EP 1 892 536 A1，其涉及例如尤其在机动交通工具中使用的铅蓄类型的电池的老化分析。该文件描述了一种用于利用测量来计算阻抗谱的系统，其中，该测量是在点火脉冲(可靠的且需要再现的高频脉冲)期间执行的，并且如有必要是利用致力于该效果的可控充电、通过测试脉冲来完成的。该文件提及了仅利用一个点火脉冲作为数据源的模型的限制，并且介绍了旨在利用测试脉冲进行测量的可控充电。这些测试充电可以是交通工具的标准电设备的一部分，但是它们在老化测量时被驱动以产生脉冲。因此，测量发生在点火脉冲时或测试脉冲期间。
还已知专利文件US 4,678,998，其也涉及对机动交通工具的铅酸电池的老化的准确测量。该文件提及连接到电池的各种负载将产生在电池上具有不同电压和电流的频率分量。该文件描述了一种装置，其中，跨机动交通工具电池的端子的电压和电压被持续测量，并且在与连接到电池的负载相关联的各种频率处计算阻抗测量。最后，该系统针对与负载工作相关联的每个频率而将其测量结果与预先存储的曲线进行比较。
已知另一文件EP 2 375 487，其涉及一种利用注入到电池中的序列(M-序列)来识别表示电池老化的模型。这在文中是显而易见的，特别是§10.D3描述了选择阻抗演变模型的步骤并且提及了ARX模型作为示例。
发明内容
首先，本发明涉及一种用于估计对电力系统进行供电的电池的老化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
100-响应于电池的正常工作期间由电力系统的消耗率改变所引起的电流扰动，存储关于跨电池端子的电压和电流的一组数据；
200-在预定频率间隔内、根据电压和电流数据来确定电池的阻抗；
300-根据在前述步骤中确定的阻抗，通过将所述阻抗与先前存储的该阻抗随老化而演变的模型进行比较，来估计电池的年龄。
电池的老化主要转化为电池内部电阻的增加和容量损失。
在此，电流扰动是系统操作运行期间由系统的消耗率改变所引起的，其中要测试的电池是该系统的一部分。通常，在现有技术中，通过在电流上注入各种频率(wobulation)的正弦类型的扰动以及测量产生的电压来确定阻抗。
在本发明中，不再需要跨电池端子而注入预定形式的电流以测试电池的老化。这种布置避免需要携带用于该测试的电流生成设备。
仅利用用于获取电池电流和电压的遥测的系统来进行阻抗测量。因此，能够在电池整个寿命中执行电池诊断，而无需修改系统、无需注入扰动，并且能够在其中安装有电池的系统正常工作时执行电池诊断。
由于使用在电池正常工作期间跨电池端子而测量的电流和电压数据遥测，因此对于针对其而持续存储这些数据的设备而言，有可能在电池整个寿命中确定电池的老化状态。然后还有可能确定电池正常工作期间的老化轮廓(profile)。
在此通过其幅度和/或其相位来确定阻抗。
在一些系统中，能够通过电池和另一电源同时提供电力供应。例如，在卫星上，这个其他电源是太阳能发电机。这使得能够在太阳能发电机的功率不足时增加可用功率。优选的是，在太阳能发电机不提供任何电流时进行测量，蚀期间就是这样的情形。在该实施方式中，当仅通过电池对电力系统供电时执行步骤100。
根据特定实施方式，当电池是锂离子类型时，预定频率间隔在0.01-3Hz频带中。在电池老化期间，对于锂离子类型的电池而言，作为电池复阻抗的幅度或相位的最大偏移的突出显示，已经由申请人确定了该频率间隔。因此，对该间隔内的阻抗谱的观测使得能够最佳地确定电池的年龄。
为了根据电压和电流数据确定电池的低频阻抗，用于估计电池老化的方法有利地包括以下子步骤：
210-根据测量的电压和电流数据来识别预定模型结构的参数；
220-将识别的模型转换到频率域；
230-最后计算电池的低频阻抗。
在特定实施方式中，从以下模型之中选择模型结构：ARMAX、ARX、Box Jenkins、Output Error。
这些已知的模型允许根据本发明的方法的简单实现。
在方法的特定实现中，方法包括校正所计算的阻抗的步骤，以考虑电池的环境温度。
其次，本发明涉及一种适于实现所公开的方法的、用于估计电池老化的装置。
在另一方面，本发明涉及一种包括如上所述装置的卫星。
在又一方面，本发明涉及一种实现所公开的方法的计算机程序产品。
附图说明
由于下面的描述，将更好地认识本发明的特征和优点，该描述是作为非限制性示例应用而对公开本发明特征的描述。
该描述基于附图，其中：
图1：(已经提及)：针对各种电池年龄的一系列曲线，其说明了根据达到的放电深度的电池电压下降；
图2：针对各种数量的电池使用周期的一系列曲线，其说明了取决于频率的阻抗幅度的变化；
图3：针对各种数量的电池使用周期的一系列曲线，其说明了取决于频率的阻抗相位的变化；
图4：用于估计电池老化的方法的示例性实现的步骤的流程图；
图5：电池老化参考测试的步骤的细节的流程图；
图6：识别和确认阻抗模型的步骤的更详细的流程图；
图7：一系列曲线，其说明了测试电池上的地面测量的低频阻抗的图和针对该电池而识别的模型结构的LF阻抗的图之间的比较；
图8：用于在实际使用条件下对关于跨电池端子的电流和电压的原始测量数据进行后处理的方法的流程图；
图9：估计研究中的实际电池的年龄的步骤的流程图。
具体实施方式
在此，将考虑经历一系列充电/放电周期的锂离子类型的电池。这例如是安装在卫星上的电池的情形，并且无论何时卫星移动到地球的阴影中，电池都必须供电。
申请人已经确定低频电池(典型地在0.01Hz和10Hz之间)的阻抗变化与所述电池的使用周期数量的曲线(见图2和3)。图2示出了阻抗幅度随频率的变化，以及该曲线根据电池的工作周期数量的演变。类似地，图3示出了阻抗相位随频率的变化，以及该曲线根据电池的工作周期数量的演变。
注意到在针对“老化”电池(例如在600个使用周期以上)和新电池而测量的值之间的这些系列的曲线的显著偏移。通常，阻抗的幅度和相位随电池的老化而增加。
这些系列的曲线允许制成如下图表：其表示在给定频率处，例如0.3至1Hz(给出老化电池和新电池之间的最大相移的值)或0.02Hz(在本示例中，给出老化电池和新电池之间的阻抗幅度的最大偏移的值)，取决于周期数目的阻抗幅度值或阻抗相位值。
基于这样的图表，在实际条件下使用的锂离子电池的低频阻抗测量使得能够确定其老化水平，所述实际电池是与用于生成图表的电池相似类型的电池。
然后，图4在示例性实现中更加准确地示出了应用于估计安装在卫星上的电池的老化的方法的各步骤。然而，方法适用于任何类型的电池，例如电话或便携式计算机电池。
正如可以在该图4中看到，方法包括以下步骤：
100-响应于在电池的正常工作期间、由电力系统的消耗率改变所引起的电流扰动，存储关于跨电池端子的电压和电流的一组数据；
200-在预定频率间隔内、根据电压和电流数据来确定电池阻抗；
300-根据测量的低频阻抗，通过将所述阻抗与先前存储的模型进行比较来估计电池年龄，其中先前存储的模型例如是以该阻抗随老化而演变的图表的形式的。
在方法的非限制性示例性实现中，在其他步骤之前进行的参考老化测试步骤400中获得该演变模型。图5示出了参考老化测试步骤400的流程图。
“参考老化测试”在于将阻抗测量步骤410b增加到现有电池老化测试中(容量和电阻的变化的测量，步骤410a)。
基于跨电池端子注入正弦电流扰动而执行的对低频阻抗的一系列测量(A，步骤410b)，使得能够确定LF阻抗随老化的演变。
在识别测试电池的初步模型的步骤中(步骤430)，第二系列的测量(B，步骤431)使得能够在实际电池使用条件下再现原始遥测数据。这使得能够在步骤432中校准将电池的原始遥测数据转变成LF阻抗的初步结构模型。
对于经历参考老化测试的电池类型而言，所识别的初步模型随后能够被应用到使用期间的实际电池遥测，以评估在电池正常使用条件下的电池低频阻抗。
更确切地，在电池寿命测试期间(电池周期)，有规律地测量电池的内部电阻和容量(或者如果电池包括一组相同元件则是电池元件之一的内部电阻和容量)。
在该寿命测试期间，在低频中(0.05Hz-1Hz)执行有规律的阻抗测量。
优选地在放电期间执行低频阻抗测量，以避免在电池充电调节器存在时由其引起的扰动。
正如已经所述的，低频阻抗测量包括两个分别的测量：
步骤410b：获得测量A(正弦扰动)。
基于许多正弦扰动，在0.05Hz和1Hz之间确定电池的低频阻抗的幅度和相位。电池的电压和电流的获取必须优选地发生在放电阶段(例如：放电开始之后的10分钟)。
步骤431：获得测量B(表示实际使用条件的电流的模拟)。
实际使用条件的典型的电池电流被注入到用于“老化参考测试”的电池中，以模拟实际电池使用轮廓。电池的电压和电流的存储必须出现在放电阶段中(例如：放电开始之后的10分钟)。几分钟的获取是必要的(例如：10分钟的获取)。假定已知电池阻抗必须优选地从0.05Hz至1Hz(针对锂离子类型的电池的情形)，能够在10Hz的最佳频率处对电池的电压和电流进行采样。基于现有模型的识别，电压和电流遥测被后处理，并且测试电池的低频阻抗被推导。
在参考测试400期间，在步骤420中，测量A使得能够获得低频阻抗随老化而演变的图(例如取决于老化的一组Nyquist曲线)。内部电阻和容量的测量允许在老化方面的每个测量A的校准。
一系列测量B(表示实际使用条件的电流的模拟)使得能够在步骤430中识别初步模型结构(若干个模型结构之间的折衷)。如图6所示，其示出了步骤430的细节的流程图，在模型识别过程中使用测量数据B，并且来自测量A的数据被用于确认和估计模型的质量。
所使用的模型结构的目的是将时间离散系统建模为过去输入、输出和扰动数据的线性组合。在此将作为非限制性示例而考虑用于对电池建模的模型结构。还可以使用其他模型结构，而无需修改方法的实现。
ARX模型结构(具有外部输入的自动回归模型)
在对电池建模的情况下，u(输入)表示电池的动态电流，y(输出)是电池的动态电压，且e(白噪声)表示测量扰动。
值得注意的是，动态电压和动态电流分别对应于无直流部分的电池的电压和电流。
该模型因而写为：A(q)y(t)＝B(q)u(t)+e(t)(等式1)
其中
A(q)＝1+a1q-1+......+aNaq-Na
B(q)＝b1q-Nk+......+bNbq-Nk-Nb+1
(1+a1q-1+......+aNaq-Na)y(t)＝(b1q-Nk+......+bNbq-Nk-Nb+1)u(t)+e(t)
因此：
y(t)＝-a1y(t-1)-......-aNay(t-Na)+b1u(t-Nk)+.....
+bNbu(t-Nk-Nb-1)+e(t)
对于ARX模型结构(Na；Nb；Nk)，要识别的系数是：a1,….aNa,b1,….,bNb。
Nk表示延迟。
模型的识别步骤本身是已知的，并且因此在这里将不被进一步详细描述。
模型的最适当结构，即针对寿命测试中的所有测量呈现出最佳相关(例如具有电池老化的模型结构的稳定性)，因而能够被用于实际使用条件下的原始遥测的后处理(根据实际遥测的地面处理的步骤200)。
基于步骤410中获取的测量(测量“A”)进行初步模型的确认。
图7示出了低频阻抗的图和所识别的初步模型结构的LF阻抗之间的比较。
值得注意的是，每个虚线表示在0.05Hz和1Hz之间的频率、利用正弦扰动注入而确定的电池的低频阻抗(测量A)。
连续线表示从原始电流和电压数据中确定的电池的低频阻抗(测量B)。
根据测量B，以高准确度对测试电池的低频行为进行建模。如图8所示，就老化而言，2和3周之间的分辨率是可能的(对应于约0.5％的容量损耗)。
步骤100：实际使用条件下的电流和电压数据的获取
在电池的正常使用期间、在任何时间获取这些测量。它们优选地覆盖电池的至少一个放电周期。
电池遥测(电池的电流和电压)必须以10Hz的最小速率而被采样。
优选地还测量电池的温度，以能够考虑阻抗随电池工作温度变化的偏移。
温度的采样速率能够大大慢于10Hz(1/16Hz是容易足够的)。
遥测的获取必须优选地覆盖放电阶段(例如：放电开始之后的10分钟)。
为了执行电池模型的识别(步骤200)，需要创建包括识别数据和确认数据的一组数据。用于识别的数据和用于检查的数据必须是不同的(例如电流和电压，以类似于图6的方式)。
实际数据的收集有利地被选择以使方差误差(用于长测量序列)和偏移误差(若干工作点)最小。因此，每组能够包括若干获取。每个获取的持续时间必须足够(例如若干分钟)。采样间隔必须足以观测0.05Hz至1Hz之间的动态响应。最佳采样速率已被确定在10Hz。
数据的收集能够在短时期内执行(例如：在低地球轨道中，其能够包括在1天中、在每个轨道上的1个获取(几分钟)组成)，以避免在该时间范围期间的电池老化的大变化(实际上，在这种情况下，在一天中没有可观测的老化)。
步骤200：根据基于时间的电压和电流数据来确定电池的低频阻抗
在步骤200中，为了确定实际电池的低频阻抗，在时间域中利用原始遥测(电流和电压)来识别模型结构。
在第一子步骤(210)中，根据预定距离函数或基于在步骤430中识别的初步模型结构，来识别最接近所测量数据的模型结构。利用数据组来识别要被应用于(在步骤430中确定的)初步模型结构中的特定系数。
在第二子步骤(220)中，所识别的模型被转变到频域。最后，在第三子步骤(230)中，计算实际使用条件下的所使用电池的低频阻抗。
图8示出了用于后处理地面遥测数据的方法。
步骤300：评估电池老化
根据所计算的低频阻抗，通过将所述阻抗与先前存储的、该阻抗随老化演变的模型(例如以图表形式)进行比较，来执行该估计。
根据电池的老化，能够通过任何方法获得要研究的实际电池类型的电池的低频阻抗的演变模型。
在本示例中，将(在地面遥测数据的后处理中所评估的)实际条件下的电池低频阻抗与(从参考老化测试中获得的)根据老化的低频阻抗演变的图进行比较。
利用低频阻抗的比较，老化(容量损耗/内部电阻的增加)被推导(图9)。
如果飞行中的电池的配置(构成电池的串联和并联的蓄电池的数量)不同于在参考测试中使用的配置，则针对标准化配置(例如针对蓄电池、针对测试下的电池的配置或针对飞行中的电池的配置等)来推导飞行中的电池的阻抗和示出随老化变化的阻抗演变的图表，以能够进行直接比较。
如果飞行中的温度与参考测试中的温度不同，则实际条件下的低频阻抗的估计将被校正以考虑关于低频阻抗的温度效应。这需要具有通过任何方法事先确定的、随温度变化的低频阻抗演变法则。
在方法的实施方式的特定情形下，该校正通过如下来执行：
1/在参考测试期间确定低频阻抗演变随温度变化的法则(在给定温度处执行参考测试。在给定的老化量处，针对飞行中的电池使用范围的各种温度而测量电池的低频阻抗。在参考测试期间，针对若干老化水平来测量随温度变化的低频阻抗演变。因此，确立了随温度变化的LF阻抗的演变法则)。
2/根据随温度变化的演变法则来校正飞行中的所估计阻抗，以确定在参考测试温度处的飞行中的电池的标准化阻抗。
优点
在现有技术中，在(上面提到过的)专利申请“Method for determining an agingcondition of a battery cell by means of impedance spectroscopy”的上下文中描述的测量是侵入式的，这是因为其需要能够产生可变频率的正弦激励电流的专用设备。由于该事实，当其中安装有电池的系统(卫星、交通工具等)处于工作中时，低频阻抗的测量是不可能的，因为在这种情况下，电池的电流被各种消耗率所干扰。这样的测量只能通过停止系统才有可能，这在卫星的情况下是不可行的。
相反，基于用于确定低频阻抗的非侵入式方法的本文描述的方法，使得能够在其中安装有电池的系统处于正常工作时执行“直接的”测量。没有扰动被注入到电池中。
所描述的方法能够实现阻抗谱方法的准确性，而无需用于跨电池端子注入信号的设备，并且无需以任何方式干扰电池是其一部分的系统的进程。

Claims (14)

1.一种用于估计对电力系统供电的电池的老化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
100-响应于在所述电池的正常工作期间、由所述电力系统的消耗率改变所引起的电流扰动，存储关于跨电池端子的电压和电流的一组数据；
200-在预定频率间隔内、根据所述电压和电流数据来确定所述电池的阻抗，该步骤包括以下子步骤
210-根据所测量的电压和电流数据来识别预定模型结构的参数，所述模型结构使得能够将时间离散电池建模为过去输入、输出和扰动数据的线性组合，
220-将所识别的模型转换到频域中，
230-最后计算所述电池的低频阻抗；
300-根据在前述步骤中确定的阻抗，通过将所述阻抗与先前存储的、该阻抗随老化而演变的模型进行比较，来估计所述电池的年龄，
所述预定频率间隔在0.01-3Hz的频带中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤100在所述电力系统仅由所述电池供电时才被执行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，从以下模型之中选择所述模型结构：ARMAX、ARX、Box Jenkins、Output error。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括校正所计算的阻抗的步骤，以考虑所述电池的环境温度。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括在其他步骤之前进行的参考老化测试步骤400，以使得能够确定所述电池的阻抗随老化而演变的模型。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括：
-基于跨所述电池端子的正弦电流扰动注入而实现对低频阻抗的幅度和相位的测量以使得能够确定随老化而变化的低频阻抗的演变的步骤410b，该步骤在对所述电池的寿命的测试期间被执行；
-识别所述测试电池的初步模型的步骤430；
-跨所述电池端子的电压和电流的第二系列测量，以使得能够在所述电池的实际使用条件下再现原始遥测数据的步骤431；
-校准将所述电池的原始遥测数据转变成LF阻抗的初步结构模型的步骤432。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述低频阻抗的频率是0.05Hz-1Hz。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电池的寿命为所述电池的周期。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述电池的放电阶段期间执行所述低频阻抗测量。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在10Hz附近的频率处对所述电池的电压和电流进行采样。
11.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤100中，在所述电池的正常使用期间、在任何时间获取所述测量，这些测量覆盖所述电池的至少一个放电周期。
12.一种用于诊断电池老化的装置，其特征在于，所述装置实现如权利要求1至11中的任一项所述的方法。
13.一种卫星，其特征在于，包括如权利要求12所述的装置。
14.一种用于估计对电力系统供电的电池的老化的设备，其特征在于，包括：
-用于响应于在所述电池的正常工作期间、由所述电力系统的消耗率改变所引起的电流扰动而存储关于跨电池端子的电压和电流的一组数据的装置；
-用于在预定频率间隔内、根据所述电压和电流数据来确定所述电池的阻抗的装置，该装置包括
-用于根据所测量的电压和电流数据来识别预定模型结构的参数的子装置，所述模型结构使得能够将时间离散电池建模为过去输入、输出和扰动数据的线性组合，
-用于将所识别的模型转换到频域中的子装置，
-用于计算所述电池的低频阻抗的子装置；
-用于根据所述低频阻抗、通过将所述低频阻抗与先前存储的、所述低频阻抗随老化而演变的模型进行比较来估计所述电池的年龄的装置，
所述预定频率间隔在0.01-3Hz的频带中。
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