CN105785278B - 电池寿命评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池寿命评估方法及装置，述方法包括：获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1；根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值；检测所述SOH值是否大于预设值；若所述SOH值小于所述预设值，则评估所述待测电池老化。本发明可极大地提高评估待测电池的准确性。

Description

电池寿命评估方法及装置
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种电池寿命评估方法及装置。
背景技术
随着社会的发展，锂离子蓄电池的应用越来越广泛，尤其是在电动车等方面的应用。
在锂离子蓄电池的使用过程中，需要实时评估锂离子蓄电池的健康状态，尤其是蓄电池的老化状态，以判断锂离子蓄电池是否需要更换。通常以SOH(State Of Health)表示锂离子蓄电池的健康状态，业内中SOH是评价锂离子蓄电池老化程度的一个非常重要的状态量。通常锂离子蓄电池的SOH包括老化程度等指标。
常规估计SOH的方法一般采用内阻法，但通常内阻的在线测试非常困难，并且难以分析。
发明内容
基于此，有必要提供一种电池寿命评估方法及装置，快速准确评估电池是否老化。
一种电池寿命评估方法，所述方法包括：
获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1；
根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值；
检测所述SOH值是否大于预设值；
若所述SOH值小于所述预设值，则评估所述待测电池老化。
以上所述电池寿命评估方法，通过时间常数获取待测电池的SOH值，并由SOH值判断待测电池是否老化。相对于常规技术采用内阻法，由于获取时间常数更加容易，因此，在评估待测电池是否老化时更加容易；且通过时间常数计算待测电池的SOH值时，由于时间常数相对于内阻值可获取的更加精确，因此，可极大地提高评估待测电池的准确性。
在其中一个实施例中，所述获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1的步骤包括：
在所述待测电池两端连接交流电流源is1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度；
获取所述待测电池两端的电压V1和所述电压V1与所述电流源is1之间的夹角θ1，其中，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
根据所述电流源is1和电压V1获取所述待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
对所述内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取所述待测电池的时间常数τ1。
在其中一个实施例中，所述根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值的步骤包括：
通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算所述待测电池的SOH值。
在其中一个实施例中，所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下的时间常数，所述同一条件包括所述待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。
一种电池寿命评估装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1；
计算模块，用于根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值；
检测模块，用于检测所述SOH值是否大于预设值；
评估模块，用于若所述SOH值小于所述预设值，则评估所述待测电池老化。
以上所述电池寿命评估方法，通过时间常数获取待测电池的SOH值，并由SOH值判断待测电池是否老化。相对于常规技术采用内阻法，由于获取时间常数更加容易，因此，在评估待测电池是否老化时更加容易；且通过时间常数计算待测电池的SOH值时，由于时间常数相对于内阻值可获取的更加精确，因此，可极大地提高评估待测电池的准确性。
在其中一个实施例中，所述获取模块包括：
第一获取单元，用于在所述待测电池两端连接交流电流源is1后，获取所述待测电池两端的电压V1和所述电压V1与所述电流源is1之间的夹角θ1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
第二获取单元，用于根据所述电流源is1和电压V1获取所述待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
滤波单元，用于对所述内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
第三获取单元，用于根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取所述待测电池的时间常数τ1。
在其中一个实施例中，所述计算模块还用于通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算所述待测电池的SOH值。
在其中一个实施例中，所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下的时间常数，所述同一条件包括所述待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。
在其中一个实施例中，所述待测电池包括锂电池。
附图说明
图1为一实施例电池寿命评估方法的流程示意图；
图2为图1中步骤S110获取时间常数的原理示意图；
图3为交流阻抗谱Nyquist图；
图4为一实施例电池寿命评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施例的电池寿命评估方法包括步骤S110至步骤S140。
步骤S110，获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1；
步骤S120，根据待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算待测电池的SOH值；
步骤S130，检测SOH值是否大于预设值；
步骤S140，若SOH值小于预设值，则评估待测电池老化。
以上电池寿命评估方法，通过时间常数获取待测电池的SOH值，并由SOH值判断待测电池是否老化。相对于常规技术采用内阻法，由于获取时间常数更加容易，因此，在评估待测电池是否老化时更加容易；且通过时间常数计算待测电池的SOH值时，由于时间常数相对于内阻值可获取的更加精确，因此，可极大地提高评估待测电池的准确性。
需要指出的时，本实施例中的待测电池包括锂电池等各种类型的充电电池，且本实施例不限于待测电池具体用途，如电动车充电电池、工业用电池等不同的应用电池均在本实施例的保护范围之内。
其中，对于步骤S110，获取待测电在放电状态下的时间常数τ1时，需要预先设置放电状态下的放电条件，如SOC(State of Charge，剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值)和外部环境温度T。在放电条件一定的情况下，通过步骤S110可以获取在该放电条件下的时间常数τ1。具体的，步骤S110包括步骤S111至步骤S115。
步骤S111，在待测电池两端连接交流电流源is1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度；
步骤S112，获取待测电池两端的电压V1和电压V1与电流源is1之间的夹角θ1，其中，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
步骤S113，根据电流源is1和电压V1获取待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
步骤S114，对内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
步骤S115，根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取待测电池的时间常数τ1。
如图2所示，本实施例中，为便于实现，交流电流源is1为恒定交流电流源。如图2中所示，在待测电池L的两端添加电流源is，连接在待测电池L两侧的电压表V可以测量对应待测电池的电压V1，根据电流源is和电压V1可以测出待测电池的内阻值R1。在由图2获取内阻值R1时，由步骤S113获取的内阻值并非固定值，因此，需要将其转化为固定值，因此，本实施例通过步骤S114对由步骤S113获取的内阻值进行滤波处理，以获取固定值的内阻值R1。
如图3所示的交流阻抗谱Nyquist图，其中：
实部
虚部
在低频区：
将以上公式代入实况与虚部，可得：
在低频区，当时，电极的Nyquist图是一条斜率为1的直线，直线在轴上的截距为RL+RP-2σ2Cd。
在高频区：
当ω→0时，可以求得：
消去ω可得：
由公式可知，高频区的阻抗曲线是一个半圆，圆心在Z′轴上半径等于
本实施例中，由步骤S114可以获取内阻值R1＝B1/A1cosθ1，将R1＝B1/A1cosθ1作为RP，令Z″＝RP，代入公式可以获取ω。由τ＝1/ω，得出时间常数τ1。
本实施例中，获取待测电池的时间常数τ1后，步骤S120可以根据待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算待测电池的SOH值。具体的，通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算待测电池的SOH值。本实施例中，待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下获取的时间常数，同一条件包括待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。其中，根据实际应用，时间常数τaged通常为待测电池的容量下降到80％时时间常数值。
为表明本实施例的具体应用，本实施例获取了在真实环境下的具体实测数据。本实施例在25℃下对某新圆柱18650三元锂离子电池进行了具体测试，需要指出的是，新电池在其剩余电量为50％SOC时，时间常数为4.5×10-3s。经过长时间0.5C充电及0.5C放电循环(循环次数远大于100次)老化后，测试的老化电池在50％SOC下的时间常数为7.1×10-2s。获取以上两个时间常数后，本实施例在不同充放电循环次数后记录时间常数的数据，当第100次充放电循环后，电池的容量有衰减，此时容量为新电池容量的99.1％，50％SOC下测试的时间常数为6.3×10-3s，则SOH＝0.973。通过以上具体实例可知，通过时间常数计算待测电池的SOH值时，由于时间常数相对于内阻值可获取的更加精确，因此，可极大地提高评估待测电池的准确性。
如图4所示，一实施例的电池寿命评估装置包括获取模块110、计算模块120、检测模块130及评估模块140。
获取模块110用于获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1；
计算模块120用于根据待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算待测电池的SOH值；
检测模块130用于检测SOH值是否大于预设值；
评估模块140用于若SOH值小于预设值，则评估待测电池老化。
以上电池寿命评估方法，通过时间常数获取待测电池的SOH值，并由SOH值判断待测电池是否老化。相对于常规技术采用内阻法，由于获取时间常数更加容易，因此，在评估待测电池是否老化时更加容易；且通过时间常数计算待测电池的SOH值时，由于时间常数相对于内阻值可获取的更加精确，因此，可极大地提高评估待测电池的准确性。
需要指出的时，本实施例中的待测电池包括锂电池等各种类型的充电电池，且本实施例不限于待测电池具体用途，如电动车充电电池、工业用电池等不同的应用电池均在本实施例的保护范围之内。
本实施例中，获取模块包括第一获取单元、第二获取单元和第三获取单元。
第一获取单元用于在待测电池两端连接交流电流源is1后，获取待测电池两端的电压V1和电压V1与电流源is1之间的夹角θ1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
第二获取单元用于根据电流源is1和电压V1获取待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
滤波单元用于对内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
第三获取单元用于根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取待测电池的时间常数τ1。
如图2所示，本实施例中，为便于实现，交流电流源is1为恒定交流电流源。如图2中所示，在待测电池L的两端添加电流源is，连接在待测电池L两侧的电压表V可以测量对应待测电池的电压V1，根据电流源is和电压V1可以测出待测电池的内阻值R1。在由图2获取内阻值R1时，由第二获取单元获取的内阻值并非固定值，因此，需要将其转化为固定值，因此，本实施例通过滤波单元对由第二获取单元获取的内阻值进行滤波处理，以获取固定值的内阻值R1。
如图3所示，为交流阻抗谱Nyquist图，通过根据以上图3所述可获取时间常数τ1。
本实施例中，获取待测电池的时间常数τ1后，可以根据待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算待测电池的SOH值。具体的，通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算待测电池的SOH值。本实施例中，待测电池在出厂时的时间常数τ0和待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下获取的时间常数，同一条件包括待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。其中，根据实际应用，时间常数τaged通常为待测电池的容量下降到80％时时间常数值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种电池寿命评估方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1，所述获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1的步骤包括：
在所述待测电池两端连接交流电流源is1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度；
获取所述待测电池两端的电压V1和所述电压V1与所述电流源is1之间的夹角θ1，其中，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
根据所述电流源is1和电压V1获取所述待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
对所述内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取所述待测电池的时间常数τ1；
根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值；
检测所述SOH值是否大于预设值；
若所述SOH值小于所述预设值，则评估所述待测电池老化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值的步骤包括：
通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算所述待测电池的SOH值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下的时间常数，所述同一条件包括所述待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测电池包括锂电池。
5.一种电池寿命评估装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取待测电池在放电状态下的时间常数τ1，所述获取模块包括：
第一获取单元，用于在所述待测电池两端连接交流电流源is1后，获取所述待测电池两端的电压V1和所述电压V1与所述电流源is1之间的夹角θ1，其中，is1(wt)＝A1cos(wt)，A1为电流幅值，t为时间，w为角度，V1(wt)＝B1cos(wt-θ1)，B1为电压幅值；
第二获取单元，用于根据所述电流源is1和电压V1获取所述待测电池的内阻值R1，其中，R1＝V1(wt)/is1(wt)＝B1/A1[cosθ1+tan(wt)sin(θ1)]；
滤波单元，用于对所述内阻值R1进行低通滤波，获取滤波后的内阻值R1＝B1/A1cosθ1；
第三获取单元，用于根据交流阻抗谱和滤波后的内阻值R1获取所述待测电池的时间常数τ1；
计算模块，用于根据所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1，计算所述待测电池的SOH值；
检测模块，用于检测所述SOH值是否大于预设值；
评估模块，用于若所述SOH值小于所述预设值，则评估所述待测电池老化。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块还用于通过公式SOH＝(τaged-τ1)/(τaged-τ0)计算所述待测电池的SOH值。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述待测电池在出厂时的时间常数τ0和所述待测电池处于老化状态时的时间常数τaged以及获取的所述待测电池在放电状态下的时间常数τ1均为在同一条件下的时间常数，所述同一条件包括所述待测电池的剩余电量及待测电池所处外部环境温度。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述待测电池包括锂电池。
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