CN107015156B - 一种电池健康状态检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池检测，属于电池检测与维护领域。一种电池健康状态检测方法，其特征在于包括以下步骤：确定电池当前状态的步骤；选取合适的电流倍率与充放电区间的步骤，依据电池的基本参数，选取充放电电流大小和充放电截止条件；按照选取的充放电区间对电池进行充放电实验，电压测量模块记录充放电过程中的电压值，电流测量模块记录电流值，以及进行充放电实验的时间；控制充放电电流相等，计算出充放电过程中充入的能量和放出的能量的能量损耗的表征内阻，得到电池健康状态阶段。本发明的检测方法和装置建立了直接以微循环表征内阻表征锂离子电池SOH的方法与体系，使得检测时间缩短，检测方式简化，能够极大的推动电池的检测和维护的效率。
Description
技术领域
本发明涉及电池状态检测，尤其涉及一种电池健康状态检测方法及装置。
背景技术
随着电动汽车的快速发展，以锂离子二次电池为代表的非水电解质二次电池具有高能量密度，高循环寿命，高充放电倍率，高工作电压等优势，成为电动汽车动力源的首要选择。
电动汽车工作电压高达300-500v，甚至更高。而锂离子二次电池单体电压只有三点几伏，这就需要成百上千颗的电池串联使用才能满足要求，如此多的电池必然由于性能之间的差异影响动力电动汽车的性能，严重的还会导致各种不良后果。
随着电动汽车的大量普及，电动汽车的运营维护检测必然会成为需求，作为电动汽车的核心部件之一的动力电池会是维护检测的重中之重，另外电动汽车的二手车市场必然会兴起，动力电池占据着电动汽车成本的40％-50％，对电池当前性能与寿命分析成为必要的环节，而健康状态(state of health，SOH)是对电池健康寿命状态的表征，能反映电池的电量，能量，充放电功率等状态，对健康状态准确的预测可使用户充分了解电池当前的状态，根据底层条件作出维护决策，调整各项性能指标，降低危险系数，或者对其中性能不能满足要求的单体电池进行更换，降低使用成本。
现在电池SOH的测试方法主要有①放电实验法；②内阻法；③电化学阻抗分析法；④各种模型分析法等。但是这些检测方法实际使用时均有缺点：
直接放电法：需要离线测试，对车用动力电池来说实现困难，测试负载笨重，操作不方便，正常情况下，测试时间需要5～6个小时，测试时间过长。
内阻法：经研究发现，电池容量下降了原来的25％—30％时，电池内阻才有明显的变化，而此时，电池容量衰减一超过20％，按照标准，电池已经不能再作为动力电池使用，因此不适用于动力电池的检测要求。
电化学阻抗分析法：需要大量的数据采集与分析，还需要扎实的关于阻抗与阻抗谱的理论知识，另外检测设备造价昂贵。
模型分析法：目前研究的模型不能很好的来表征SOH，模型参数获取复杂，运算量太大，一般的车载微处理器ECU难以满足要求。
电池健康状态(SOH)描述的是一个长期的变化，多数情况下不需要连续测量，只需要定期检测就可以。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电池健康状态检测方法及装置，解决现在的检测方法要么不适用，要么设备昂贵或者测试时间长，实现困难的缺陷。
技术方案
一种电池健康状态检测方法，其特征在于包括以下步骤：
I)确定电池当前状态的步骤；
II)选取合适的电流倍率与充放电区间的步骤，依据电池的基本参数，选取充放电电流大小和充放电截止条件；
III)按照选取的充放电区间对电池进行充放电实验，电压测量模块记录充放电过程中的电压值，电流测量模块记录电流值，以及进行充放电实验的时间；
IV)控制充放电电流相等，按照计算式R表征＝(Qc-Qdis)/I2/(t3-t1)计算出充放电过程中充入的能量和放出的能量的能量损耗的表征内阻，得到电池健康状态阶段，
其中：Qc:充电过程中向电池充入的能量，Qdis:放电过程中电池对外放出的有效容量，t3为充放电结束时间，t1为充放电开始时间。
进一步，根据得到的表征内阻，结合温度传感器读取的电池充放电过程中的温度信息T，从根据温度参数、电池状态参数和表征内阻参数建立的电池健康状态的参数数据库表格中，查取得到当前时刻电池的健康状态。
进一步，所述当前状态包括电池的荷电状态或电池的开路电压或端电压，或者电池的功率、内阻和电压降。
进一步，所述充放电截止条件为在开始充放电至结束充放电的一段时间内，参数前后能进行对比。
所述充放电截止条件采用根据电池的电压降参数和电池当前状态电压，选取充电截止电压和放电截止电压作为充放电截止条件。
进一步，所述充放电实验采取先放电再充电的步骤或者先充电再放电的步骤。
一种应用上述的电池健康状态检测方法的检测装置，其特征在于：包括控制器，控制器连接通信模块，用于和待测电池的电池管理系统进行通信连接，所述控制器还连接电流电压表，用于测量待测电池在充放电实验中的充放电电流和电压，控制器还连接有存储器和温度传感器，所述温度传感器用于检测待测电池的温度，存储器用于记录待测电池充放电实验中的各种数据，包括电流、电压、通信模块传送的待测电池的荷电状态或开路电压数据，温度传感器的温度数据，所述控制器根据通信模块从待测电池的电池管理系统得到的电池当前状态，显示出当前状态值或者控制充放电装置对待测电池进行充放电实验，电流电压表将实验中检测的数据传送至控制器，控制器将数据记录在存储器内，并传送至上位机或计算出表征内阻值。
进一步，所述电流电压表包括电压测量模块和电流测量模块。
有益效果
本发明的电池健康状态检测方法及装置通过计算电池各个SOH阶段的表征内阻以及电池容量，能够建立微循环表征内阻与电池各个寿命阶段容量及电池循环次数的关系，由此就建立了直接以微循环表征内阻表征锂离子电池SOH的方法与体系，使得检测时间缩短，检测方式简化，能够极大的推动电池的检测和维护的效率。
附图说明
图1为本发明的以表征内阻表示的电池充电模型示意图；
图2为本发明的以表征内阻表示的电池放电模型示意图；
图3为本发明的测试装置示意图；
图4为本发明的测试流程示意图；
图5为本发明的对待测电池进行充放电实验的电流电压随时间变化的测试曲线示意图；
图6为本发明的待测电池的SOH阶段和循环次数与表征内阻值的关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
现在对于电池的健康状态检测基本没有很方便的检测手段，即使是直接放电法，也通常都是需要对电池进行满充满放电，耗时过长，实用性差，长时间的充放电，温度变化大，导致结果误差大，而且不太适用于正在使用中的车用电池。
本发明提出一种电池健康状态检测方法及装置，是从汽车电池使用中不用拆下，便于售后市场服务商进行检测维护的角度发明一种针对二次电池健康状态检测的方法，力求方法简单易操作，检测时间短，能快速得出电池的健康状态(SOH)值。
本方法是从电池的能量损耗角度建立了模型，然后把能量损耗的原因称为表征内阻，即以表征内阻表示电池内部能量消耗的电阻，而电池内部消耗的能量是能从充放电过程中充入的能量和放出的能量得到。具体模型如附图1和附图2所示，附图1为以表征内阻表示的电池充电模型示意图，可以得到附图2为以表征内阻表示的电池放电模型示意图，可以得到
充放电分别选取合适的区间，可以是电压区间，可以是SOC区间，也可以是其他合理的控制参数。图中，表征内阻为r(Ω)；最大存储容量为Qmaxin(Wh)，是外部充电装置在对电池充电过程中消耗的总能量；最大放出容量为Qmaxout(Wh)，是电池在对外部电路放电过程中外部电路消耗的总能量；有效容量为Qua(Wh)，是电池在充电过程中所储存的总能量。Uc(t)是充电过程中电池两端的电压，Udis(t)是放电过程中电池两端的电压。t1、t2分别为充电开始时间和结束时间；t3、t4分别为放电开始时间和结束时间；I和Iout分别是充电电流和放电电流。
由附图1可知，最大存储容量Qmaxin为有效容量Qua与表征内阻消耗能量之和；
由附图2可知，最大放出容量Qmaxout为有效容量Qua与表征内阻消耗能量之差；
如控制充放电电流相等，即如I＝Iout，
联立方程组：
解方程组可得：QMaxin-QMaxout＝I2r((t2-t1)+(t4-t3))……(1)
在方程(1)中加入充电最大能量QMaxin，放电的最大能量QMaxout，充放电电流I，充电时间与放电时间均可通过充放电仪器测量得到。由此，方程中唯一的未知量表征内阻r就可以通过计算得到。
通过计算电池各个SOH阶段的表征内阻r以及电池容量，并建立它们与电池充放电循环次数的关系，就可以得到用充放电微循环表征内阻r建立的关联电池各个寿命阶段容量的关系，而不再需要满充满放电的满循环，由此就建立起了以表征内阻表征锂离子电池SOH的方法与体系。
具体进行电池健康状态检测的检测方法，可以采用以下步骤，依照附图4示意：
I)确定电池当前状态的步骤；当前状态包括电池的荷电状态或电池的开路电压或端电压，或者电池的功率、内阻和电压降等；当能从电池管理系统(BMS)中读取相关信息时，电池当前状态可以是电池的荷电状态(SOC)；如果没法得到SOC时，可以以电池的开路电压、端电压来表征电池当前状态，也可以是其他合理的参数来确定电池当前状态，因为SOH是与电池当前状态紧密相关的，实验之前确定电池的当前状态是必须的。
II)选取合适的电流倍率与充放电区间的步骤，依据电池的基本参数，选取充放电电流大小和充放电截止条件；充放电截止条件可以选取在开始充放电至结束充放电的一段时间内，能进行前后对比的参数的要求即可，如采用根据电池的电压降参数和电池当前状态电压，选取充电截止电压和放电截止电压作为充放电截止条件
III)按照选取的充放电区间对电池进行充放电实验，电压测量模块记录充放电过程中的电压值，电流测量模块记录电流值，以及进行充放电实验的时间；充放电实验采取先放电再充电的步骤或者先充电再放电的步骤均可。
IV)控制充放电电流相等，按照计算式R表征＝(Qc-Qdis)/I2/(t3-t1)计算出充放电过程中充入的能量和放出的能量的能量损耗的表征内阻，得到电池健康状态阶段，
其中：Qc:充电过程中向电池充入的能量，Qdis:放电过程中电池对外放出的有效容量，t3为充放电结束时间，t1为充放电开始时间。
表征内阻不止受电池当前状态的影响，温度、充放电电流倍率大小等都会有所影响，得到表征内阻值后，还要考虑电池历史SOH、温度等的影响因子，综合考虑后得到电池的SOH。
V)测试之前，从同一批次电池中选取几个电池提前在不同温度、不同电池状态测试得出表征内阻值，并建立这一批电池对应的SOH值的参数数据库，并绘制如下表格1。
表格1
表格1说明：参数温度、状态和表征内阻的梯度可以分为多份，理论上从分为一份到无穷大份都可行。不过从实际应用中来考虑，参数分的份数越小，则数据越少，测试时间越短。此时可综合考虑厂家规定的工作温度区间，电池状态工作区间，表征内阻值的变化率，选取恰当的参数梯度，既减少了表格的数据量，又能满足表格数据的完整性，制成表格1。如温度选取-20～80℃，把温度梯度分为100份，即每变化1摄氏度作为表格中温度参数；电池状态，如选取的是SOC作为从状态1到状态N的参数，则在0～100％SOC中每变化1％SOC作为状态变化梯度，或以端电压为状态参数的话，也可将工作电压区间分成100份，用来作为电池状态的表格参数；最后将电池的整个生命区间按照厂家给定的循环次数分为100份，如厂家给定的标准循环次数为1000次，则每标准循环10次，测定一次表征内阻值。表格中就有100个温度参数，100个状态参数，100个表征内阻值参数，总共有106个SOH值，数据库的大小不到5M的数据量。
得到SOH后，能对电池管理系统(BMS)的控制进行调整，如：充放电电流大小，充放电截止条件、充放电功率等。对电池组中的各个单体电池进行一致性评估，对第三方服务商提供维护保养的建议，能剔除性能不能满足要求的单体电池，提高电池组的性能。对二手车市场，得到SOH后，能够知道电池当前健康状态和性能，对二手车的评估提供有效的参考。
可以采用如附图3所示意的装置进行检测，装置包括控制器，控制器连接通信模块，用于和待测电池的电池管理系统进行通信连接，所述控制器还连接电流电压表，用于测量待测电池在充放电实验中的充放电电流和电压，控制器还连接有存储器和温度传感器，所述温度传感器用于检测待测电池的温度，存储器用于记录待测电池充放电实验中的各种数据，包括电流、电压、通信模块传送的待测电池的荷电状态或开路电压数据，温度传感器的温度数据，所述控制器根据通信模块从待测电池的电池管理系统得到的电池当前状态，显示出当前状态值或者控制充放电装置对待测电池进行充放电实验，电流电压表将实验中检测的数据传送至控制器，控制器将数据记录在存储器内，并传送至上位机或计算出表征内阻值。所述电流电压表包括电压测量模块和电流测量模块。
附图5为采用本发明的测试方法的一次测试数据，t0～t1阶段调整SOC，实际应用中不需要这步骤，可以从通信模块中读取当前待测电池的SOC，或者从电流电压表测量出开路电压。从而定位当前测试所处的阶段。图5中是选择以调整后的SOC数据作为电池的当前状态。
到t1时刻，测试开始，以电流ic对电池进行充电，电流电压表记录充电过程中电池的电压电流，控制器按照选取的充电区间进行控制；到t2时刻充电结束，立即以电流idis放电，同样，电流电压表记录放电过程中电池的电压电流，控制器按照选取的放电区间进行控制。其中，要求充放电电流大小一样，即ic与idis的大小相等。
充放电微循环结束，从存储器中读取数据，计算表征内阻。具体为
R表征＝(Qc-Qdis)/I2/(t3-t1)……(2)
其中：Qc:充电过程中向电池充入的能量，Qdis:放电过程中电池对外放出的有效容量，t3为充放电结束时间，t1为充放电开始时间，Uc(t)::充电过程中电池两端电压，具体数据为图5中t1～t2时间段的电压，Udis(t):放电过程中电池两端电压，具体数据为图5中t2～t3时间段的电压。
得到表征内阻后，再结合温度传感器读取的电池充放电过程中的温度信息T，结合电池状态和根据上述参数建立数据库表格中查取得到当前时刻电池的健康状态。
附图6中展示的是部分结果，横坐标是表示电池的表征内阻，是由式2计算出来的；左侧纵坐标为SOH，是以电池当前最大放电量与初始最大放电量的比值表示；右侧纵坐标是电池充放电的已循环次数。右坐标轴中的循环次数是加速循环老化试验得到的，相应的循环次数也是加速老化试验循环次数。随着电池的使用，电池逐渐老化，而表征内阻值逐渐变大，电量变小。随着表征内阻的变大，SOH逐渐变小，从图中可知微循环表征内阻值与SOH存在对应关系。故微循环表征内阻值法来表征电池的健康状态(SOH)是切实可行的。
总结：从图5中可知，实验过程为充电t1～t2,放电t2～t3，对应的时间为第1000秒到第2000秒，测试方法总过程为16分钟，耗时少；只需要对电池进行预选的区间对电池充放电，实验方法简单易行；电池充放电区间很小，可以小倍率充放电，电池发热量小，表征内阻值误差小，且测试过程不会对降低电池性能；从图6可知，微循环表征内阻值与SOH存在对应关系，所以用微循环表征内阻值来表征健康状态(SOH)是可行的。
本发明测试时间短，能快速得出电池的健康状态。对数据的处理简单，不需要高性能的微处理器。测试方法总过程耗时少；只需要对电池进行预选的区间对电池充放电，实验方法简单易行，后市场服务人员能快速掌握；电池充放电区间很小，可以小倍率充放电，电池发热量小，表征内阻值受温度影响误差小，且测试过程不会降低电池性能；微循环表征内阻值与SOH存在一定的对应关系，所以可以直接采用微循环表征内阻值来表征电池的健康状态(SOH)。
Claims (8)
1.一种电池健康状态检测方法，其特征在于包括以下步骤：
I)确定电池当前状态的步骤；
II)选取合适的电流倍率与充放电区间的步骤，依据电池的基本参数，选取充放电电流大小和充放电截止条件；
III)按照选取的充放电区间对电池进行充放电实验，电压测量模块记录充放电过程中的电压值，电流测量模块记录电流值，以及进行充放电实验的时间；
IV)控制充放电电流相等，按照计算式R表征＝(Qc-Qdis)/I2/(t3-t1)计算出充放电过程中充入的能量和放出的能量的能量损耗的表征内阻，得到电池健康状态阶段，
其中：Qc:充电过程中向电池充入的能量，Qdis:放电过程中电池对外放出的有效容量，t3为充放电实验结束时间，t1为充放电实验开始时间，I为充放电实验电流。
2.如权利要求1所述的电池健康状态检测方法，其特征在于：根据得到的表征内阻，结合温度传感器读取的电池充放电过程中的温度信息T，从根据温度参数、电池状态参数和表征内阻参数建立的电池健康状态的参数数据库表格中，查取得到当前时刻电池的健康状态。
3.如权利要求1所述的电池健康状态检测方法，其特征在于：所述当前状态包括电池的荷电状态或以电池的开路电压或端电压来表征电池当前状态，或者以电池的功率、内阻和电压降来确定电池当前状态。
4.如权利要求1所述的电池健康状态检测方法，其特征在于：所述充放电截止条件为在开始充放电至结束充放电的一段时间内，电池的基本参数前后能进行对比。
5.如权利要求1或4所述的电池健康状态检测方法，其特征在于：所述充放电截止条件采用根据电池的电压降参数和电池当前状态电压，选取充电截止电压和放电截止电压作为充放电截止条件。
6.如权利要求1所述的电池健康状态检测方法，其特征在于：所述充放电实验采取先放电再充电的步骤或者先充电再放电的步骤。
7.一种应用如权利要求1所述的电池健康状态检测方法的检测装置，其特征在于：包括控制器，控制器连接通信模块，用于和待测电池的电池管理系统进行通信连接，所述控制器还连接电流电压表，用于测量待测电池在充放电实验中的充放电电流和电压，控制器还连接有存储器和温度传感器，所述温度传感器用于检测待测电池的温度，存储器用于记录待测电池充放电实验中的各种数据，包括电流、电压、通信模块传送的待测电池的荷电状态或开路电压数据，温度传感器的温度数据，所述控制器根据通信模块从待测电池的电池管理系统得到的电池当前状态，显示出当前状态值或者控制充放电装置对待测电池进行充放电实验，电流电压表将实验中检测的数据传送至控制器，控制器将数据记录在存储器内，并传送至上位机或计算出表征内阻值。
8.如权利要求7所述的检测装置，其特征在于：所述电流电压表包括电压测量模块和电流测量模块。
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