CN108120932A - 对充电电池的电池健康状态进行估算的方法和装置 - Google Patents

对充电电池的电池健康状态进行估算的方法和装置 Download PDF

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Abstract

根据本发明，提出了一种对充电电池的电池健康状态进行估算的方法，包括：通过执行多次充放电循环试验，确定针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并建立各放电曲线与最大可放电容量的对应关系；实时采集充电电池从充电截止电压起以参考电流放电的一个时间段的实时放电过程的电压与时间的关系；计算各放电曲线的对应于一个时间段的一段放电曲线的特征量；拟合出各放电曲线的特征量与对应的最大可放电容量的映射关系；根据实时放电过程的电压与时间的关系，确定该过程的特征量；根据针对实时放电过程的特征量，利用拟合出的映射关系，计算出当前的最大可放电容量；以及根据当前的最大可放电容量来计算电池健康状态。

Description

对充电电池的电池健康状态进行估算的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种对充电电池的电池健康状态进行估算的方法和装置，无需直接测量，就能够快速准确地确定充电电池的实际的最大可放电容量和电池健康状态。
背景技术
由于充电电池的长期使用必然发生老化，因此必须考虑充电电池的健康状态(SOH)，从而对老化的充电电池进行及时维护或更换。
充电电池(SOH)的标准定义是在一定条件(例如，指定温度)下，充电电池从满充电状态以一定放电倍率放电到放电截止电压所放出的容量与标称容量的百分比，这一比值反映了充电电池的整体性能以及在一定条件下释放电能的能力。对于一块新的未使用的充电电池，其SOH值往往大于或等于100％。因不可恢复的物理化学因素造成充电电池缓慢老化，导致SOH值逐渐下降。
目前，对SOH值的计算没有通用的计算公式。例如，在IEEE标准1188-1996中，以SOH＝Qnow/Qnew为计算公式，规定当充电电池容量下降到新充电电池容量的80％时，即SOH＜80％时，充电电池就应该被更换。该计算公式中，Qnow为充电电池的当前的最大可放电容量，Qnew为新的未使用的充电电池的最大可放电容量。
在现有技术中，存在以下几种SOH估算方法。
直接放电法：通过对充电电池进行满充电并放电，测量其可用容量的最大值。然后，将测量的可用容量的最大值除以其出厂时在相同测试条件下的可用容量，即得到SOH值。这是目前业内唯一公认的可靠方法。但这种方法的缺点在于，对充电电池进行完整的充放电循环需要离线处理，而且耗时很长。
内阻法：随着充电电池的使用，充电电池的内阻会增加，将影响充电电池容量。据此可对充电电池的SOH进行估算。但是，充电电池内阻一般是毫欧级，属于小信号，要想准确测量内阻比较困难。同时，由于充电电池的内阻和SOH之间没有明确的数据对应关系，无法进行定量分析。
电化学模型法：通过测量充电电池的电化学参数，如电压、温度、容量、阻抗等，研究充电电池衰老的机理。然后通过模型建立仿真对充电电池SOH进行估算。这种方法由于完全依赖于充电电池的电化学参数的测量，难度较大，造价也较为昂贵。
总的来说，最简单可靠准确的SOH估算方法还是以离线测试为主，但费时费力，成本较高，还会影响充电电池的正常工作和运行。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷提出了本发明。因此，本发明的目的之一是提出一种对充电电池的电池健康状态进行估算的方法和装置，无需直接测量，就能够快速准确地确定充电电池的实际的最大可放电容量和电池健康状态。
根据本发明，提出了一种对充电电池的电池健康状态进行估算的方法，包括：通过执行从充电截止电压起以参考电流对充电电池进行放电的多次充放电循环试验，确定针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并建立针对该次充放电循环试验的放电曲线与充电电池的最大可放电容量的对应关系；实时采集所述充电电池从充电截止电压起以所述参考电流放电的一个时间段的实时放电过程的电压与时间的关系；计算针对各次充放电循环试验的各放电曲线的对应于所述一个时间段的一段放电曲线的特征量；拟合出所计算出的针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系；根据实时采集的所述实时放电过程的电压与时间的关系，确定针对该实时放电过程的所述特征量；根据针对所述实时放电过程的特征量，利用拟合出的所述映射关系，计算出所述充电电池的当前的最大可放电容量；以及根据所计算出的所述充电电池的当前的最大可放电容量来计算所述充电电池的当前的电池健康状态。
优选地，针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系是采用线性回归法来拟合出的。
优选地，所述参考电流为额定放电电流。
优选地，所述电池健康状态等于所述充电电池的当前的最大可放电容量与新的未使用充电电池的最大可放电容量的比值。
另外，根据本发明，提出了一种对充电电池的电池健康状态进行估算的装置，具有：通过执行从充电截止电压起以参考电流对充电电池进行放电的多次充放电循环试验，确定针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并建立针对该次充放电循环试验的放电曲线与充电电池的最大可放电容量的对应关系的单元；实时采集所述充电电池从充电截止电压起以所述参考电流放电的一个时间段的实时放电过程的电压与时间的关系的单元；计算针对各次充放电循环试验的各放电曲线的对应于所述一个时间段的一段放电曲线的特征量的单元；拟合出所计算出的针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系的单元；根据实时采集的所述实时放电过程的电压与时间的关系，确定针对该实时放电过程的所述特征量的单元；根据针对所述实时放电过程的特征量，利用拟合出的所述映射关系，计算出所述充电电池的当前的最大可放电容量的单元；以及根据所计算出的所述充电电池的当前的最大可放电容量来计算所述充电电池的当前的电池健康状态的单元。
根据本发明，无需直接测量，就能够快速准确地确定充电电池的实际的最大可放电容量和电池健康状态。
附图说明
通过参考附图的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更清楚，其中：
图1是示出了根据本发明的实施例的建立针对各次充放电循环试验的放电曲线与最大可放电容量的对应关系的标准库的方法的流程图。
图2是示出了通过多次充放电循环试验所获得的各次充放电循环试验的放电曲线的示意图。
图3是示出了根据本发明的实施例的对充电电池的电池健康状态进行估算的方法的流程图。
图4是示意地示出了实际使用的充电电池的电压与时间的关系曲线。
图5示出了拟合出的针对各次充放电循环试验的特征值与充电电池的最大可放电容量的曲线的示意图。
图6是用于说明通过直接放电法测量出的实际SOH与根据本发明所估算的SOH的差别的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的优选实施例。在附图中，相同的元件将由相同的参考符号或数字表示。此外，在本发明的下列描述中，将省略对已知功能和配置的具体描述，以避免使本发明的主题不清楚。
图1是示出了根据本发明的实施例的建立针对各次充放电循环试验的放电曲线与最大可放电容量的对应关系的标准库的方法的流程图。
为了实现根据本发明的对电池健康状态(SOH)进行估算的方法，首先，需要建立针对各次充放电循环试验的放电曲线与最大可放电容量的对应关系的标准库。
如图1所示，在步骤101，开始进入充放电循环试验，从而由诸如厂家等对充电电池进行循环寿命性能的测试。这里，充放电循环试验的循环次数一般为300～500次。
在步骤103，在诸如环境温度20℃±5℃的条件下，以额定电流对充电电池进行充电，将充电电池电压充电到充电截止电压，即，达到满充电状态的电压。
在步骤105，在充电电池电压达到充电截止电压之后，将对充电电池的充电变更为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01CA为止。
在步骤107，停止对充电电池的充电，搁置0.5h(小时)～1h(小时)。
然后，在步骤109，从充电截止电压Vmax起，即从满充电状态下的电压起，以参考电流I0，将充电电池放电至放电截止电压Vmin。这里，参考电流I0可以设为额定放电电流，放电截止电压为由诸如厂家所设定的值。当然，这里，并不一定需要将充电电池放电至放电截止电压Vmin，而可以放电到预先设定的任何电压值。
在步骤111，确定针对本次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并确定与其相应的最大可放电容量Qn，这里，Qn表示第n次充放电循环试验的最大可放电容量。
在步骤113，判断是否达到最大的循环次数N。如果未达到所设定的循环次数N(步骤113的否)，则在将充电电池搁置0.5h～1h之后，再进行下一次充放电循环试验。
如果已达到最大的循环次数N(步骤113的是)，则在步骤115，结束测试。
最后，在步骤117，建立标准库。即，在标准库中存储每次充放电循环试验记录的充电电池的完整放电电压时间序列，包含各个时刻t(时刻1、时刻2、…、时刻Tn)的电压值其中，Tn为持续的放电时间。也就是，存储针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线(放电序列)，并且将放电曲线与本次充放电循环试验的最大可放电容量Qn对应存储。
这里，本次充放电循环试验的充电电池的最大可放电容量Qn＝I0×Tn。
最终存储的标准库的数据为：
其中n＝0，1，..N，N为充放电循环试验的最大的循环次数。
这里，当n＝0时，充电电池的数据(包括最大可放电容量)为新的未使用的充电电池的数据，即未老化充电电池的数据。
图2是示出了通过多次充放电循环试验所获得的各次充放电循环试验的放电曲线的示意图。如上所述，该放电曲线反映了从充电截止电压起以参考电流对充电电池进行放电直至放电截止电压时的充电电池的电压与时间的映射关系。
图3是示出了根据本发明的实施例的对充电电池的电池健康状态进行估算的方法的流程图。
如图3所示，在对实际使用的充电电池的电池健康状态进行估算时，首先，在步骤301，实时采集充电电池的电流I、电压V。。
在步骤303，从V＝Vmax起以放电电流I＝I0(即，参考电流)为记录的起始时刻，将放电电流I≠I0为记录的终止时刻，记录对充电电池进行放电的实时放电过程的电压时间序列Vt＝(V1，V2，...VT，)和终止时间T，具体可参见图4。通过这样的方式，可以实时采集从充电截止电压起以参考电流放电的一个时问段T的实时放电过程的电压与时间的关系。需要注意的是，在本例中，该实时放电过程并未放电至放电截止电压Vmin为止。但是，本发明并不局限于此，该实时放电过程可以是放电至放电截止电压Vmin为止的完整放电过程。
在步骤305，利用标准库中的N次充放电循环试验的完整放电电压时间序列(放电曲线)，计算各电压时间序列的对应于时间T的特征量并形成(X1，Q1)，(X2，Q2)，…(Xn，Qn)的对应序列，即，形成各放电曲线的特征量与最大可放电容量的对应序列。
在步骤307，采用诸如线性回归法(最小二乘法)等方法，拟合出特征量Xn和对应的最大可放电容量Qn的映射关系，即，得到Q＝func(X)函数，具体如图5所示。
在步骤309，根据实时采集的上述实时放电过程的即电压时间序列，计算采集的电压时间序列Vt的特征量
在步骤311，利用拟合出的上述函数Q＝func(X)，根据计算出的特征量Xnow，来计算出充电电池的当前的最大可放电容量Qnow＝func(Xnow)。
在步骤313，所计算出的所述充电电池的当前的最大可放电容量来计算所述充电电池的当前的SOH，其中
图6是用于说明通过直接放电法测量出的实际SOH与根据本发明所估算的SOH的差别的示意图。
如图6所示，根据本发明所估算的SOH与通过直接放电法测量出的实际SOH之间的差别极小。也就是，由图6所示的比较结果可知，利用根据本发明的对充电电池的电池健康状态进行估算的方法，可以较为准确地确定充电电池的实际的最大可放电容量和电池健康状态。
以上列举了若干具体实施例来详细阐明本发明，这些个例仅用于说明本发明的原理及其实施方法，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员还可以做出各种变形和改进。因此，本发明不应由上述实施例来限定，而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (5)

1.一种对充电电池的电池健康状态进行估算的方法，包括：
通过执行从充电截止电压起以参考电流对充电电池进行放电的多次充放电循环试验，确定针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并建立针对该次充放电循环试验的放电曲线与充电电池的最大可放电容量的对应关系；
实时采集所述充电电池从充电截止电压起以所述参考电流放电的一个时间段的实时放电过程的电压与时间的关系；
计算针对各次充放电循环试验的各放电曲线的对应于所述一个时间段的一段放电曲线的特征量；
拟合出所计算出的针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系；
根据实时采集的所述实时放电过程的电压与时间的关系，确定针对该实时放电过程的所述特征量；
根据针对所述实时放电过程的特征量，利用拟合出的所述映射关系，计算出所述充电电池的当前的最大可放电容量；以及
根据所计算出的所述充电电池的当前的最大可放电容量来计算所述充电电池的当前的电池健康状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系是采用线性回归法来拟合出的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述参考电流为额定放电电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
所述电池健康状态等于所述充电电池的当前的最大可放电容量与新的未使用充电电池的最大可放电容量的比值。
5.一种对充电电池的电池健康状态进行估算的装置，具有：
通过执行从充电截止电压起以参考电流对充电电池进行放电的多次充放电循环试验，确定针对各次充放电循环试验的表示电压与时间的关系的放电曲线，并建立针对该次充放电循环试验的放电曲线与充电电池的最大可放电容量的对应关系的单元；
实时采集所述充电电池从充电截止电压起以所述参考电流放电的一个时间段的实时放电过程的电压与时间的关系的单元；
计算针对各次充放电循环试验的各放电曲线的对应于所述一个时间段的一段放电曲线的特征量的单元；
拟合出所计算出的针对各放电曲线的所述特征量与对应的最大可放电容量的映射关系的单元；
根据实时采集的所述实时放电过程的电压与时间的关系，确定针对该实时放电过程的所述特征量的单元；
根据针对所述实时放电过程的特征量，利用拟合出的所述映射关系，计算出所述充电电池的当前的最大可放电容量的单元；以及
根据所计算出的所述充电电池的当前的最大可放电容量来计算所述充电电池的当前的电池健康状态的单元。
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