CN105393128B - 用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法 - Google Patents

用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法 Download PDF

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CN105393128B CN201480039749.5A CN201480039749A CN105393128B CN 105393128 B CN105393128 B CN 105393128B CN 201480039749 A CN201480039749 A CN 201480039749A CN 105393128 B CN105393128 B CN 105393128B
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Abstract

本发明涉及一种用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法，该方法包括：将至少一个电流强度峰值施加给该电池的步骤，该电流峰值流经该电池；测量在该电池的端子处的电压U随着施加该电流峰值以后流逝的时间t的变化的步骤；以及计算至少一个系数α和至少一个系数U0,I的步骤，从而使得函数√t→αIχ√t+U0,I是对于√t≥C而言的电压U随着√t的变化的线性近似，其中C>o。本发明被使用在电动车辆或混合动力车辆中。

Description

用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法
技术领域
本发明涉及一种用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法。本发明可以尤其但非排他性地适用于电动机动车辆和混合动力机动车辆。
背景技术
在围绕气候变化和全球变暖的共识的当前背景下，减少二氧化碳(CO2)的排放量是汽车制造商所面临的主要挑战，就此而言的标准正变得愈加苛刻。
除了持续改进常规热力发动机的效率(这伴随着CO2排放量的减少)，电动汽车(或EV)和混合热力电动汽车(或HEV)现今被视为是减少CO2排放量的最有前途的解决方案。
近年来已经测试了用于存储电能的多种不同技术以满足EV的需求。现今的结果是，使用锂离子(Li离子)电池的电池允许了在功率密度(尤其有利于加速方面的性能)与能量密度(有利于自主性)之间获得最好的折衷。
不幸的是，功率密度和能量密度贯穿电池的整个寿命而降低，尤其在温度变化影响下是如此。因此，在使用了足够长的时间之后，EV在自主性和/或功率方面可能会呈现性能退化的特点。这种退化应该是受控的，以便维持足够的安全等级和服务水平。
为了量化这种退化，已经定义了被称为“健康状态”(或SOH)的一种指标，该指标是电池的当前容量相对于其在寿命的开始时的初始容量的比率。从专利US 6653817中尤其已知基于通过对电池的内阻(或对应“直流电阻”的DCR)的阻抗测量的估算来估算SOH。由于电池的内阻表征了跨电池的端子的电压U与流经该电池的电流强度I中的某一变化相对应的变化，这个专利的观点是对流经该电池的强度I的变化的一种精确控制以及对跨该电池的端子的电压U的变化的一种测量。这种解决方案的一个主要缺点是，具体在瞬态噪声信号的情况下，如果电压的测量不精确，则可能会影响电阻的估算并且对SOH的估算可能不准确。这是本发明所要针对其提供出解决方案的问题之一。
发明内容
本发明的目的具体是通过使得内阻的测量值线性化来解决上述缺点，尤其是避免这些测量问题。为此目的，本发明的主题是一种用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法。该方法包括用于将至少一个强度为I1的电流峰值施加给该电池的步骤，该电流峰值流经该电池。该方法还包括用于测量跨该电池的端子的电压U随着施加该电流峰值以后所经过的时间t的变化的步骤。该方法还包括用于计算至少一个系数
Figure BDA0000904876770000021
和至少一个系数
Figure BDA0000904876770000022
的步骤，从而对于
Figure BDA0000904876770000023
而言使得函数
Figure BDA0000904876770000024
是对电压U随着
Figure BDA0000904876770000025
的变化的线性近似，其中C>0。
在一个实施例中，可以在该电池的寿命的开始时已经第一次计算了这些系数
Figure BDA0000904876770000026
和
Figure BDA0000904876770000027
然后该方法可以包括用于计算
Figure BDA0000904876770000028
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，其中，该系数
Figure BDA0000904876770000029
中超过预定值的增加可以表明该电池没有能力以其最高功率范围来递送电流。然后该方法还可以包括用于计算
Figure BDA00009048767700000210
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，其中，该系数
Figure BDA00009048767700000211
中超过预定值的增加可以表明该电池没有能力以其最高功率范围来递送电流。
在另一个实施例中，可以预先填好老化表格或图表。然后该方法可以包括用于将
Figure BDA00009048767700000212
的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有
Figure BDA00009048767700000213
的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平。该方法还可以包括用于将
Figure BDA00009048767700000214
的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有
Figure BDA00009048767700000215
的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平。
在一个优选实施例中，可以将多个强度为(In)n≥2的电流峰值施加给该电池(I1、I2、I3、I4、I5)。然后该方法可以包括用于计算系数β的步骤，从而使得函数I→β×I是
Figure BDA00009048767700000216
随着I的变化的线性近似。
在另一个实施例中，可以在该电池的寿命开始时第一次计算了系数β。然后该方法可以包括用于计算β的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，其中，该系数β中超过预定值的增加可以表明该电池没有能力以其最高功率范围来递送电流。
在另一个优选实施例中，可以预先填好老化表格或图表。然后该方法可以包括用于将β的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有β的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平。
在一个优选实施例中，该方法可以包括用于计算系数γ的步骤，从而使得函数I→γ×I+OCV是U0,I随着I的变化的线性近似，其中OCV是该电池的开路电压。
在一个实施例中，可以在该电池的寿命开始时第一次计算了系数γ。然后该方法可以包括用于计算γ的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，其中，该系数γ中超过预定值的增加可以表明该电池没有能力以其最高功率范围来递送电流。
在一个优选实施例中，可以预先填好老化表格或图表。然后该方法可以包括用于将γ的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有γ的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平。
本发明的主要优点之一还在于，它只需要对用于估算电池的健康状态的当前装置进行软件更新。
附图说明
借助于以下就附图而言所呈现的说明，本发明的其他特征和优点将变得清楚，这些附图示出了：
-图1用图表示出了在施加电流峰值强度后，跨Li离子电池的端子的电压U随时间t而变化的一个实例；
-图2用图表示出了U随
Figure BDA0000904876770000031
的变化；
-图3用图表示出了针对多个不同的电流峰值的、U随
Figure BDA0000904876770000032
的变化的多种不同实例；
-图4用图表示出了
Figure BDA0000904876770000041
随着强度I的变化；
-图5用图表示出了根据本发明的系数随着I的变化；
-图6、图7、图8和图9是根据本发明的老化的图表。
具体实施方式
本发明将计算针对Li离子电池的健康状态的多种不同系数特点。
如图1的实例中所展示的，在强度的在时间t＝0时流经这个电池后，跨过具有量级为40％电量水平的Li离子电池的端子的电压U可以在电流峰值强度I1＝74A(安培)在时刻t＝0流经此电池之后遵循根据这一图中所展示图表的从t＝0到t＝60秒的变化。通过使用这一简单的曲线来表示U随时间t的变化，就可以根据本发明提取出与该电池在高功率密度下运行的能力直接相联系的多种不同系数，这种能力在本申请的以下部分中由“SOHP”来表示，与其在高能量密度下运行的能力相反能力的将由“SOHE”来表示。
在图1的实例中，跨电池的端子的电压清楚地以非线性方式从t＝0s的3.86V降低至t＝60s的3.71V。3.86V的初始电压值对应于该电池的开路跨端子电压(换言之，此时没有电流流经该电池)，这个电压通常由对应“开路电压”的首字母缩略词OCV来表示。
图2展示了同一电压U在强度为I1的电流峰值已经流经该电池后随着
Figure BDA0000904876770000042
而不是随着t的在时间上的变化。观察到的是，从
Figure BDA0000904876770000043
开始，电压线性地随着
Figure BDA0000904876770000044
降低，并且的确，线性化的一个方法示出的是，对于
Figure BDA0000904876770000045
而言，使得U随着
Figure BDA0000904876770000046
的变化可以通过具有斜率
Figure BDA0000904876770000048
的并且具有起点处的纵坐标
Figure BDA0000904876770000049
的直线方程
Figure BDA0000904876770000047
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.9984。
对于给定的电流I，斜率αI给出该电池的SOHP方面、尤其是在其在大于1秒的长时间段上以给定电流运行的能力方面的信息。
对于给定的电流I，在起点处的纵坐标U0,I也给出了在该电池的SOHP方面的信息，具体包括：
U0,I相对于OCV越高，该电池以100至1000瓦特量级的高功率运行的能力就越小；
在起点处相对于OCV的高的纵坐标U0,I还可以表明该电池对于短时(换言之在高频率下)是有问题的，例如硬件连接或焊接接合的问题。
可任选地，有可能实施一种根据本发明的、用于以若干电流诊断健康状态的策略，如接下来的图3、图4和图5中所展示的，这种策略允许了更精细的诊断。
的确，图3不仅展示了在电流峰值强度I1＝74A已经流过具有40％量级电量水平的同一电池之后该电池的端子的电压U随着
Figure BDA0000904876770000051
在时间上的变化，而且展示了在具有对应的强度为I2＝37A、I3＝18.5A、I4＝7.4A和I5＝3.7A的4个其他峰值已经流经这同一电池以后的变化。同样在此，无论所讨论的峰值如何，都观察到的是，从
Figure BDA0000904876770000052
开始，电压随着
Figure BDA0000904876770000053
而线性降低。同一线性化方法示出的是，使得这些电压随着
Figure BDA0000904876770000054
的变化可以针对
Figure BDA0000904876770000055
而言加以近似：
在峰值强度I2后，通过具有斜率
Figure BDA00009048767700000514
的并且具有在起点处的纵坐标
Figure BDA00009048767700000515
的直线方程
Figure BDA0000904876770000056
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.9981；
在峰值强度I3后，通过具有斜率
Figure BDA00009048767700000516
的并且具有在起点处的纵坐标
Figure BDA00009048767700000517
的直线方程
Figure BDA0000904876770000057
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.9989；
在峰值强度I4后，通过具有斜率
Figure BDA00009048767700000518
的并且具有在起点处的纵坐标
Figure BDA00009048767700000519
的直线方程
Figure BDA0000904876770000058
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.9938；
在峰值强度I5后，通过具有斜率
Figure BDA00009048767700000520
的并且具有在起点处的纵坐标
Figure BDA00009048767700000521
的直线方程
Figure BDA0000904876770000059
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.9652。
一方面，图4展示了
Figure BDA00009048767700000510
随着针对图3中的值I1＝74A、I2＝37A、I3＝18.5A、I4＝7.4A和I5＝3.7A的强度I而在时间上的变化。观察到的是，
Figure BDA00009048767700000511
随着I而线性降低，并且的确，线性化的一个方法示出的是，使得
Figure BDA00009048767700000512
随着I的这种变化可以通过具有斜率β＝-0.000151并且在起点处具有为零的纵坐标的直线方程
Figure BDA00009048767700000513
来近似，这些给出了相关系数R2＝0.998。
斜率β揭示了该电池对长时间常数的电流的敏感度(换言之，扩散现象)。斜率β表明了该电池以高电流运行的能力：斜率β的绝对值越高，该电池对高电流的使用越敏感。
另一方面，图5展示了图3所展示这些曲线的起点U0,I纵坐标随着针对图3中的这些值I1＝74A、I2＝37A、I3＝18.5A、I4＝7.4A和I5＝3.7A的强度I而在时间上的变化。观察到的是，U0,I随着I而线性降低，并且的确，线性化的一个方法示出的是，使得U0,I随着I的这种变化可以通过具有斜率U0,I＝γ×I+OCV并且在起点处具有纵坐标γ＝-0.000868的直线方程OCV＝3.86来近似，这些给出了相关系数R2＝1。就斜率γ而言，这对应于该电池的内阻，其因此在这种40％电量水平下等于0.868毫欧(mΩ)并且对应于以3.5赫兹(Hz)测量出的阻抗。
由于它对应于该电池的内阻，因此斜率γ还提供该电池的SOHP方面的信息：斜率γ越陡，该电池的SOHP越退化。以比随着强度I而变化的起点处的纵坐标U0,I更加精确的方式，使用这些U0,I值估算的斜率γ提供了在该电池短时(换言之在高频处)运行的能力方面的信息。该斜率提供了在该电池的高频电阻方面的信息，如果该斜率高，则可以由该电池的硬件连接或显著老化的问题来解释。
在后者的情况下，系数αI和β应该表明老化。因此，如果系数αI和β是可接受的并且如果系数γ是不可接受，则可以推导出高频的问题是由于硬件连接的问题。
一旦已经根据本发明计算出系数αI、β、U0,I和γ，就可以用不同的方式来使用它们。
如之前所描述的，第一种方式是出于诊断该电池以便尤其估算该电池在高功率下运行的能力(换言之估算其SOHP)、或甚至诊断硬件连接方面的故障的目的来使用它们。例如，对于αI、β和γ，可以计算出在当前时间计算的值与初始计算的值(即对应地为αI,BOL、βBOL和γBOL)之间的比率，其中缩写“BOL”表示“寿命的开始”。因此可以观察比率α1/αI,BOL、β/βBOL和γ/γBOL在时间上的相对变化：如果一个系数在给定时刻相对于其初始值增加得太多，而其他系数在时间上示出了预期的变化，则该电池很可能具有硬件连接故障。还可以观察γ/β或γ/αI类型的比率。在这些图所展示的实例中，在该电池的寿命期间，比率γ/β在4.59与5.78之间变化。然而，0.2mΩ的硬件连接故障使这种变化处于5.78与6.814之间，而1mΩ的故障使这种变化处于10.56与11.17之间。通过对这些变化值进行预先估算，就可以在该电池的寿命开始时和寿命期间检测硬件连接问题。
使用这些系数的另一种方式是使用老化表格或图表来估算该电池的SOHE，例如在图6、图7、图8和图9中对应地对于斜率αI、斜率β、在起点处的纵坐标U0,I和斜率γ所展示的图表。这些图表通过所述系数的值与以任意单位(a.u.)的值相关联，这些以任意单位的值表征了电池的老化。例如，横坐标上的值0表征该电池的寿命的开始，值9表征该电池的寿命的终止。在用于研究这些电池在其整个寿命的老化过程的活动过程中，这些图表是在使用该电池之前预先填好的。因此，根据图6，斜率αI从该电池的寿命开始处的基本上的0.0062增加直至在该电池的寿命终止处的基本上的0.0076。根据图7，斜率β从该电池的寿命开始处的基本上的0.000163增加直至在该电池的寿命终止处的基本上的0.000194。根据图8，在起点处的纵坐标U0,I从该电池的寿命开始处的基本上的3.829增加直至在该电池的寿命终止处的基本上的3.848。最后，根据图9，斜率γ在增加直至在该电池的寿命终止处的基本上的0.00112之前，首先从该电池的寿命开始处的基本上的0.00082降低至基本上的0.00077。
使用根据本发明计算出的系数αI、β、U0,I和γ的另一种方式是，对包括若干电池单元的模块或组中的一个电池单元与另一个电池单元加以比较，或者其方式为基于不同化学成分的或并非来自同一的供货方的电池的情况下对不同类型的电池随时间的变化加以比较。
上文中描述的本发明所具有的进一步的主要优点是，由于它仅需要对用于估算健康状态的当前装置进行软件更新，其实施成本非常低。

Claims (8)

1.一种用于估算存储电能的电化学电池的健康状态的方法，该方法包括：
用于将至少一个强度为I1的电流峰值施加给该电池的步骤，该电流峰值流经该电池；
用于测量跨该电池的端子的电压U随着施加该电流峰值以后所经过的时间t的变化的步骤；
该方法的特征在于，该方法包括用于计算至少一个系数
Figure FDA0003470995920000011
和至少一个系数
Figure FDA0003470995920000012
的步骤，从而对于
Figure FDA0003470995920000013
而言使得函数
Figure FDA0003470995920000014
是对电压U随着
Figure FDA0003470995920000015
的变化的线性近似，其中C＞0，C为实数，
将多个强度为(In)n≥2的电流峰值施加给该电池，该方法进一步包括用于计算系数β的步骤，从而使得函数
Figure FDA0003470995920000016
是对
Figure FDA0003470995920000017
随着I的变化的线性近似。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该电池的寿命的开始时已经第一次计算了这些系数
Figure FDA0003470995920000018
和
Figure FDA0003470995920000019
该方法包括：
用于计算
Figure FDA00034709959200000110
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，
Figure FDA00034709959200000111
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的所述比率超过预定值表明该电池没有能力以其最高功率范围来递送电流，和/或；
用于计算
Figure FDA00034709959200000112
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，
Figure FDA00034709959200000113
的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的所述比率超过预定值表明该电池没有能力以其最高的功率范围来递送电流。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，已经预先填好了老化表格或图表，该方法包括：
用于将
Figure FDA0003470995920000021
的当前计算出的值与包含在老化的表格或图表中的与具有
Figure FDA0003470995920000022
的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平，和/或；
用于将
Figure FDA0003470995920000023
的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有
Figure FDA0003470995920000024
的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导出该电池的老化水平。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该电池的寿命的开始时已经第一次计算出该系数β，该方法包括用于计算β的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，β的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的所述比率超过预定值表明该电池没有能力以其最高的功率范围来递送电流。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，已经预先填好了老化表格或图表，该方法包括用于将β的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有β的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导该电池的老化水平。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括用于计算系数γ的步骤，从而使得函数U0,I＝γ×I+OCV是U0,I随着I的变化的线性近似，其中OCV是该电池的开路电压，其中，U0,I是对于给定的I，原点处的电压。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在该电池的寿命的开始时已经第一次计算出该系数γ，该方法包括用于计算γ的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的比率的步骤，γ的当前计算出的值相对于其在寿命的开始时计算出的值的所述比率超过预定值表明该电池没有能力以其最高的功率范围来递送电流。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，已经预先填好了老化表格或图表，该方法包括用于将γ的当前计算出的值与包含在老化表格或图表中的与具有γ的值的老化水平相关联的值进行对比的步骤，其方式为推导该电池的老化水平。
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