CN104635166A - 一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法，首先根据电池管理系统获得电池基本信息，主要包括电池总工作电压、每块电池单体电压、电池容量、电池荷电状态、最高/最低电池温度等；其次定义一系列与电池健康状态相关的参数并规定各项性能指标权重；然后采用数值计算公式得到电池健康状态值，并与评估对应表确定电池当前健康状态。本发明提出的电池健康状态评估方法，简单有效，尤其适用于配置了电池管理系统的锂电池组的健康状态评估，可为电池的运行维护提供技术支撑。

Description

一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法

技术领域

本发明涉及电池评估方法领域，具体是一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、循环性能好以及无记忆等优良特点，是新一代高效可充放电电池，在航空、电子、电力等领域均有广泛的应用。尤其是在智能电网中，以锂电池组为重要单元的储能电池系统在平抑分布式电源功率波动等方面也意义重大。

随着锂离子电池应用的日益广泛，使用过程中开始暴露一系列问题，尤其是其健康状态问题。如果对使用中的电池健康状态理解不够，那么造成的意外电池寿命终结往往导致系统整体功能失效，严重影响系统的正常运行。因此，对电池健康状态(State of Health,SOH)进行科学地估计，实时预知电池健康状况十分必要。SOH评估对进一步指导电池的运行与维护，实现电池长时间可靠工作的重要方面以及防止灾难性事故的发生具有重要意义。

SOH是反映电池健康状态、预期使用寿命的一种指标。根据SOH的大小，可判断出电池处于生命周期的哪个阶段，以预测何时需要更换新的电池。传统SOH基本定义是：电池所能充入或放出电量与电池标称容量的百分比。SOH以百分比的形式表现了当前电池的容量能力，对一块新的电池来说，其SOH值一般是接近100％的，随着电池的使用，电池在不断老化，SOH逐渐降低，在IEEE标准1188-1996中有明确规定，当电池的容量能力下降到80％时，即SOH小于80％时，应更换电池。国内外已有一些评估SOH的方法，包括直接放电法、电化学阻抗分析法、模型法以及电压曲线拟合法等。其中，直接放电法需要离线测试电池的SOH，实现困难；测试负载较笨重，操作不方便，且放电时间长；电化学阻抗法需要做大量的数据采集与分析，以获取此款电池的特性，而且还需要较多的关于阻抗及阻抗谱的理论知识，除此之外，此方法的造价也较为昂贵；模型法需要认真分析电池内部化学反应，并知道电池一些固有参数，如活化焓，活化熵等，而且运用之前也需要做大量关于电池寿命的试验，试验量大；电压曲线拟合法通用性较差，根据电压曲线拟合法所建立的估算SOH的模型仅适用于这一型号的锂离子动力电池，换而言之，针对一批新型号的电池，就要重新建立估算模型。前述方法都涉及具体的物理测量，需要独立的实验或者数据，可行性较差。然而，现有锂电池组系统中，一般都配置了电池管理系统(Battery Management System，BMS)，可以很容易得到电池总工作电压、每块电池单体电压、电池容量、电池荷电状态(State of Charge,SOC)、最高/最低电池温度等。因此，可基于BMS进行电池SOH评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种具体是一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法，以实时预知电池健康状态，对维护电池运行以及系统整体运行水平具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、通过电池管理系统获取电池部分信息，包括电池总工作电压、每块电池单体电压、电池容量、电池荷电状态SOC、最高/最低电池温度；

(2)、定义主要参数及表达式：

(2-1)、定义电池循环次数为充电或放电过程中，SOC的单向变化范围需大于20个百分点时，电池累积循环次数加1，设电池额定循环次数值为C_r，当前电池累积循环次数为C_f，为保证电池正常使用，则C_f≤C_r，并规定电池额定循环次数值C_r＝20000；

(2-2)、定义电池使用时长为电池处于正常工作状态即与外界存在能量交互的总时间，设电池使用时长额定值为T_r，当前电池累积使用时长为T_f，并规定电池使用时长额定值T_r＝3year；

(2-3)、定义电池容量为电池存储电量的大小，根据BMS监控系统读取，设电池额定容量为D_r，当前电池标称容量为D_f，并规定电池额定容量D_r＝100；

(2-4)、定义短时能量交换次数为电池向外发出功率大于3kW且持续时间大于1min，至电池向内吸收功率大于3kW且持续时间大于1min，如此循环n次，短时能量交换次数加n，通过PCS输出功率获知，设电池短时能量交换次数额定值为E_r，当前电池累积的短时能量交换次数为E_f，并规定短时能量交换次数额定值E_r＝150000；

(3)、归一化处理：

(3-1)、电池循环次数标么：

(3-2)、电池使用时长标么：

(3-3)、电池容量标么：

(3-4)、电池短时能量交换次数标么：

(4)、权重系数确定：

根据影响电池使用寿命的指标的重要性以及电池出厂标准，人为权衡规定权重系数的值，设电池循环次数权重为λ₁，＝0.电25池使用时长权重为λ₂，电池容量权重为λ₃，电池短时能量交换权重为λ₄，满足λ₁+λ₂+λ₃+λ₄＝1；

(5)、SOH计算：

根据上述定义与参数设置，采用公式(1)计算电池SOH值：

SOH＝λ₁·c+λ₂·t+λ₃·d+λ₄·e  (1)，

此外，当单体电池电压超出[2.5，3.6]范围时，SOH＝0；

(6)、建立SOH值与电池健康状态映射关系：

计算出SOH值后，可根据不同SOH值范围下的电池健康状态，建立不同SOH值范围与电池健康状态的对应映射关系表格，根据对应映射关系表格可进行其他电池的健康状态评估，并对不同健康状态的电池做相应的处理。

本发明提出的电池健康状态评估方法，简单有效，尤其适用于配置了电池管理系统的锂电池组的健康状态评估，可为电池的运行维护提供技术支撑。

具体实施方式

本发明提出的基于电池管理系统的电池健康状态评估方法，具体包括以下步骤：

(1)通过电池管理系统获取电池部分信息。主要包括电池总工作电压、每块电池单体电压、电池容量、电池荷电状态(SOC)、最高/最低电池温度。

(2)定义主要参数及表达式。

(2-1)电池循环次数额定值C_r，当前电池累积循环次数C_f。电池循环次数定义：充电或放电过程中，SOC的单向变化范围需大于20个百分点。例如，当前SOC为40，给电池充电，当SOC大于60后，电池循环次数加1；若SOC为70，放电至SOC小于50后，可将电池循环次数加1。规定：电池循环次数额定值C_r＝20000。

(2-2)电池使用时长额定值T_r，当前电池累积使用时长T_f。电池使用时长定义：电池处于正常工作状态(与外界存在能量交互)的总时间。规定：电池使用时长额定值T_r＝3 year。

(2-3)电池额定容量D_r，当前电池标称容量D_f。电池容量定义：电池存储电量的大小。实际测量困难，可根据BMS监控系统读取。规定：电池额定容量D_r＝100。

(2-4)电池短时能量交换次数额定值E_r，当前电池累积的短时能量交换次数E_f。短时能量交换次数定义：电池向外发出功率大于3kW(持续时间大于1min)至电池向内吸收功率大于3kW(持续时间大于1min)(可通过PCS输出功率获知)，如此循环n次，短时能量交换次数加n。规定：短时能量交换次数额定值E_r＝150000(短时能量交换会造成电池疲劳)。

(3)归一化处理：

(3-1)电池循环次数标么：

(3-2)电池使用时长标么：

(3-3)电池容量标么：

(3-4)电池短时能量交换次数标么：

(4)权重系数确定：

理论上，应建立各指标对应的隶属度函数，利用模糊数学理论等分配权重系数。但为简化处理与工程实用，此处仅根据影响电池使用寿命的指标的重要性以及电池出厂标准等，人为权衡规定。例如，规定如下一组参数。

(1)电池循环次数，权重λ₁＝0.25；

(2)电池使用时长，权重λ₂＝0.15；

(3)电池容量，权重λ₃＝0.55；

(4)电池短时能量交换，权重λ₄＝0.05；

满足：λ₁+λ₂+λ₃+λ₄＝1。

(5)SOH计算：

根据上述定义与参数设置，可采用公式(1)计算电池SOH值。

SOH＝λ₁·c+λ₂·t+λ₃·d+λ₄·e  (1)；

例如，当前电池累积循环次数为1000次，累积使用时长半年，电池容量为96，累积电池短时能量交换次数为12000次。

可计算如下：

$c=\frac{C_r-C_f}{C_r}=\frac{20000-1000}{20000}=0.95,$

$t=\frac{T_r-T_f}{T_r}=\frac{3-0.5}{3}=0.8333,$

$d=\frac{D_f}{D_r}=\frac{96}{100}=0.96,$

$e=\frac{E_r-E_f}{E_r}=\frac{150000-12000}{150000}=0.92,$

SOH＝λ₁·c+λ₂·t+λ₃·d+λ₄·e＝0.25*0.95+0.15*0.8333+0.55*0.96+0.05*0.92

＝0.2375+0.125+0.528+0.046＝0.9365

此外，当单体电池电压超出[2.5，3.6]范围时，SOH＝0。要特别注意更换电池。

(6)SOH值与电池健康状态映射关系：

计算出SOH值后，可根据下表1，进行电池健康状态评估，并对不同健康状态的电池做相应的处理。

表1SOH值与电池健康状态对应映射关系表

SOH值范围	[0.8,1.0]	[0.6,0.8)	[0.35,0.6)	[0,0.35)
					电池健康状态	良好	较正常	注意(警告)	异常(急需处理)

通过上表，即可确定当前电池的健康状态。

Claims (1)

1.一种基于电池管理系统的锂电池健康状态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、通过电池管理系统获取电池部分信息，包括电池总工作电压、每块电池单体电压、电池容量、电池荷电状态SOC、最高/最低电池温度；

(2)、定义主要参数及表达式：

(2-1)、定义电池循环次数为充电或放电过程中，SOC的单向变化范围需大于20个百分点时，电池累积循环次数加1，设电池额定循环次数值为C_r，当前电池累积循环次数为C_f，为保证电池正常使用，则C_f≤C_r，并规定电池额定循环次数值C_r＝20000；

(2-2)、定义电池使用时长为电池处于正常工作状态即与外界存在能量交互的总时间，设电池使用时长额定值为T_r，当前电池累积使用时长为T_f，并规定电池使用时长额定值T_r＝3year；

(2-3)、定义电池容量为电池存储电量的大小，根据BMS监控系统读取，设电池额定容量为D_r，当前电池标称容量为D_f，并规定电池额定容量D_r＝100；

(2-4)、定义短时能量交换次数为电池向外发出功率大于3kW且持续时间大于1min，至电池向内吸收功率大于3kW且持续时间大于1min，如此循环n次，短时能量交换次数加n，通过PCS输出功率获知，设电池短时能量交换次数额定值为E_r，当前电池累积的短时能量交换次数为E_f，并规定短时能量交换次数额定值E_r＝150000；

(3)、归一化处理：

(3-1)、电池循环次数标么：

(3-2)、电池使用时长标么：

(3-3)、电池容量标么：

(3-4)、电池短时能量交换次数标么：

(4)、权重系数确定：

根据影响电池使用寿命的指标的重要性以及电池出厂标准，人为权衡规定权重系数的值，设电池循环次数权重为λ₁，＝0.电25池使用时长权重为λ₂，电池容量权重为λ₃，电池短时能量交换权重为λ₄，满足λ₁+λ₂+λ₃+λ₄＝1；

(5)、SOH计算：

根据上述定义与参数设置，采用公式(1)计算电池SOH值：

SOH＝λ₁·c+λ₂·t+λ₃·d+λ₄·e     (1)，

此外，当单体电池电压超出[2.5，3.6]范围时，SOH＝0；

(6)、建立SOH值与电池健康状态映射关系：

计算出SOH值后，可根据不同SOH值范围下的电池健康状态，建立不同SOH值范围与电池健康状态的对应映射关系表格，根据对应映射关系表格可进行其他电池的健康状态评估，并对不同健康状态的电池做相应的处理。