CN110133533A - 估算电池健康状态的方法和电池管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线估算电池健康状态的方法和可估算电池健康状态的电池管理装置，能够根据能量交换次数计算电池剩余寿命，再以内阻与电池SOH关系曲线为辅助对电池SOH进行简单、有效的估算，可以充分满足电池SOH估算精确度的要求，同时不必对电池进行长时间静置即可测得，耗时短、实时性好、且易于实现，可以拓展到电池包甚至储能系统寿命的估算。

Description

估算电池健康状态的方法和电池管理装置

技术领域

本发明涉及电池管理领域，特别是涉及一种估算电池健康状态的方法和电池管理装置。

背景技术

随着动力电池在电动汽车、电站储能等方面应用越来越广泛，对电池的管理也越来越重视；其中，对电池健康状态(State of Health，SOH)的预估是电池管理中不可忽视的一环，电池的SOH参数以新电池为比较标准，衡量电池储存和输送电能的能力，描述电池最大可放出电量的衰减程度，对于电动汽车控制性能提高和行驶里程的预测或储能电站响应电网调度都具有重要意义。

目前动力电池在线估算SOH的方法有直接放电法和等效电路模型法。其中直接放电法需要对电池进行长时间静置后才能测得，耗时过长、无法用于实时估计且不易实施；等效电路模型法需要适当的电池模型和精确测定的参数，还需要大规模计算能力和精确的初始化才能保证估值的精确度，其针对性强，对于不同的电池，模型具有不确定性，不易扩展到其他电池从而不适合实际应用场景。

因此，亟需一种简单、有效、应用范围更广的可在线估算电池健康状态的方法和电池管理装置。

发明内容

本发明提供了一种估算电池健康状态的方法，包括以下步骤：

S1，建立电池内阻与电池SOH的关系曲线库；S2，读取数据库中存储的电池参数；S3，计算电池的历史充放电循环次数，然后根据所述历史充放电循环次数计算出此刻电池的SOH值作为第一SOH数据；S4，实时测量电池内阻，查询曲线库获取此时内阻值对应的电池SOH值作为第二SOH数据；S5，根据所述第一SOH数据和所述第二SOH数据，计算获取电池的SOH估值。

优选的，所述步骤S1建立电池内阻与电池SOH关系曲线库，包括将被测电池的内阻与电池SOH的拟合曲线存储在所述数据库中。

优选的，从数据库中读取的电池参数包括：电池输出功率P及以该功率工作的时长T、电池内阻r、电池额定容量C_rated、电池额定电压U_rated；其中，所述电池内阻r由电池管理系统测得后存储在所述数据库中。

优选的，所述步骤S3中，计算所述历史充放电循环次数具体包括以下步骤：

利用以下表达式计算所述电池历史充放电循环次数：

其中，N_history(t)为累计到t时刻电池充放电循环次数；N_history(t-1)为累计到t-1时刻电池充放电循环次数；T为t-1时刻到t时刻的时长；P为t-1时刻到t时刻电池输出功率。

优选的，所述步骤S3中，计算所述第一SOH数据包括以下步骤：

利用以下表达式计算所述第一SOH数据：

其中，SOH_N(t)为t时刻的电池的第一SOH数据；N_total为电池出厂预设的到寿命结束时的总充放电循环次数。

优选的，所述步骤S4包括以下步骤：将t时刻测量内阻值r与所述关系曲线库中内阻与SOH曲线数据匹配，，检索得出测量内阻值r对应的第二SOH数据SOH_r(t)。

优选的，所述步骤S5包括以下步骤：通过以下表达式计算获取电池SOH的估值；

SOH(t)＝α×SOH_N(t)+β×SOH_r(t)

上式中：SOH(t)为t时刻的电池SOH估值；α为电池循环次数法的权重系数；β为内阻匹配法的权重系数。

优选的，所述电池循环次数法的权重系数α和所述内阻匹配法的权重系数β的计算方法包括：令D_r为内阻匹配法可靠性评估系数；D_N为电池循环次数法可靠性评估系数，则权重系数α和β可通过以下算式计算得出：

其中：

上式中：i＝1,2,3,……,n为电池到从初始到t-1时刻累计计算SOH的次数；SOH_i为第i次估算对应的所述电池SOH估值；SOH_r,i为第i次经所述步骤S4获取的第二SOH数据；SOH_N,i为第i次经所述步骤S3获取的第一SOH数据。

本发明还提供了一种可估算电池健康状态的方法的电池管理装置，所述电池管理装置包括数据库、第一SOH数据获取单元、第二SOH数据获取单元和SOH估值运算单元；所述数据库用于存储所述电池内阻与电池SOH关系曲线库和电池基本参数；所述第一SOH数据获取单元用于读取所述数据库中的电池参数，利用所述电池参数计算电池历史充放电循环次数，并根据所述历史充放电循环次数计算出第一SOH数据；第二SOH数据获取单元用于采集当前电池包的内阻值，对比所述数据库中存储的电池包内阻与SOH关系曲线获取第二SOH数据；所述SOH估值运算单元用于根据所述第一SOH数据和所述第二SOH数据计算出所述的SOH估值。

优选的，所述SOH估值运算单元通过以下表达式计算获取电池SOH的估值；

SOH＝α×第一SOH数据+β×第二SOH数据

上式中：SOH为此刻的电池SOH估值；α为电池循环次数法的权重系数β为内阻匹配法的权重系数其中，

内阻匹配法可靠性评估系数：

电池循环次数法可靠性评估系数：

其中，i＝1,2,3,……,n为电池到从初始到上一时刻累计计算SOH的次数；SOH_i为所述SOH估值运算单元第i次估算对应的所述电池SOH估值；SOH_r,i为所述第二SOH数据获取单元第i次经内阻匹配法得到的第二SOH数据；SOH_N,i为所述第一SOH数据获取单元第i次经所述步骤S3获取的第一SOH数据。

本发明提供的在线估算电池健康状态的方法和可估算电池健康状态的电池管理装置，能够根据能量交换次数计算电池剩余寿命，再以内阻与电池SOH关系曲线为辅助对电池SOH进行简单、有效的估算，可以充分满足电池SOH估算精确度的要求，同时不必对电池进行长时间静置即可测得，耗时短、实时性好、且易于实现，可以拓展到电池包甚至储能系统寿命的估算。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的估算电池健康状态(SOH)的方法流程示意图；

图2是本发明一实施例提供的电池内阻与电池SOH关系曲线图；

图3是本发明一实施例提供的磷酸铁锂储能系统的功率调度曲线；

图4是本发明一实施例提供的电池管理装置结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的电池SOH估算方法的仿真验证结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和具体的方法实施步骤对本发明的内容进行详细的说明。

实施例一

本实施例提出了一种估算电池健康状态(SOH)的方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S01，建立电池内阻与电池SOH的关系曲线库。

由于电池的内阻不是常数，在充放电过程中会随时间不断变化，尤其是电池老化和失效后突出的表现为内阻增大，因此通过电池内阻就可以快速判断出电池的老化程度。图2给出了一实施例中电池内阻与电池SOH关系曲线图，如图2所示，不同SOH下对应电池的内阻是不同的。本步骤中将电池内阻与SOH的拟合曲线存入数据库中，从而建立电池内阻与电池SOH关系曲线库。

步骤S02，读取数据库中电池参数。

具体的，从数据库中读取的电池参数可以包括以下数据的一种或几种：电池输出功率P及以该功率工作时长T、电池内阻r、电池额定容量C_rated、电池额定电压U_rated。其中，由于电池额定容量C_rated和电池额定电压U_rated电池基本属性，不会随时间变动而变动，因此作为常数存入数据库。电池内阻r为测量属性，通过电池管理系统(BATTERY MANAGEMENTSYSTEM，简称BMS)等工具测得，再存入数据库；也可以不存入数据库，在需要调用该内阻参数时直接测量获取。电池输出功率P及以该功率工作时长T，由调度层决定，调度层包含储能系统功率分配算法模块、储能系统实时调度模块，读取相应的值存入数据库。

步骤S03，计算电池历史充放电循环次数。

具体可通过下式(1)计算电池历史充放电循环次数：

式(1)中：N_history(t)为累计到t时刻电池充放电循环次数；N_history(t-1)为累计到t-1时刻电池充放电循环次数；T为t-1时刻到t时刻的时长；P为t-1时刻到t时刻电池输出功率。在实际应用场景中，在电池出厂时t-1时刻的电池充放电循环次数的初始值为0，随着电池的使用，t-1时刻的电池充放电循环次数存储在电池管理系统的存储器中。如果要计算当前时刻电池历史充放电循环次数，那么t时刻表示当前时刻，t-1时刻为上一时刻。

步骤S04，根据历史充放电循环次数计算出此刻电池SOH的值作为电池第一SOH数据，即SOH_N；

在本步骤中建立电池寿命估算模型，具体可由电池剩余充放电循环次数N_left和电池总充放电循环次数N_total表示为下式(2)：

SOH＝N_left/N_total……(2)

式(2)中：SOH为电池寿命估算模型在当前时刻的电池SOH；N_total为电池到寿命结束时总充放电循环次数，该数据由电池厂商经过实验、测试得到，可作为电池出厂时的预设参数；N_left为电池在当前时刻的剩余充放电循环次数。

其中，电池剩余充放电循环次数等于总循环充放电次数减去历史循环充放电次数；因此，用SOH_N(t)表示t时刻由电池循环次数计算得出的电池剩余寿命，即t时刻的电池第一SOH数据，则根据表达式(2)，电池寿命估算模型又可以表示为式(3)：

步骤S05，根据实时测量内阻值查询曲线库获取此时内阻值对应的电池SOH值作为第二SOH数据，即SOH_r；

具体的，将t时刻测量到的电池内阻值r与步骤S01建立的电池内阻与SOH的关系曲线库中内阻与SOH曲线数据匹配，检索得出内阻值r对应的SOH数据即为SOH_r。记t时刻经内阻匹配法得到的第二SOH数据为SOH_r(t)。

步骤S06，根据电池第一SOH数据SOH_N和电池第二SOH数据SOH_r通过表达式(4)计算获取电池SOH的估值；

SOH(t)＝α×SOH_N(t)+β×SOH_r(t)……(4)

上式中：SOH(t)为t时刻的电池SOH；α为电池循环次数法的权重系数；β为内阻匹配法的权重系数。令D_r为内阻匹配法可靠性评估系数；D_N为电池循环次数法可靠性评估系数，则权重系数α和可通过以下算式计算得出：

其中：

式中：i＝1,2,3,……,n为电池到从初始到t-1时刻累计计算SOH的次数；_i为第i次对应的SOH计算值；SOH_r,i为第i次经内阻匹配法得出的SOH值(即第二SOH数据)；SOH_N,i为第i次经电池循环次数法得出的SOH值(即第一SOH数据)。

在本实施例中按照步骤S01、步骤S02、步骤S03、步骤S04、步骤S05、步骤S06的顺序依次执行，在其他实施例中，也可以按照步骤S01、步骤S05、步骤S02、步骤S03、步骤S04、步骤S06的顺序依次执行，本发明提供的在线估算电池健康状态(SOH)的方法不限于以上步骤执行顺序，也可以进行适应性的调整或选择采用其他合理的顺序执行，此处不做赘述。该方法可嵌入电池管理系统中的SOH算法模块中，方便用户实现对电池SOH的在线实时监测。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，以估算磷酸铁锂储能系统中电池包为例，提供一个该估算电池健康状态的方法的具体应用场景。本实施例提供了一种电池管理装置，所述电池管理装置监控的磷酸铁锂储能系统已运行半年，其中磷酸铁锂储能系统的电池包规格为48V-50Ah，电池包内阻r与SOH关系曲线图如图2所示；该磷酸铁锂储能系统的功率调度曲线如图3所示。

如图4所示，电池管理装置1包括数据库10、第一SOH数据获取单元11、第二SOH数据获取单元12和SOH估值运算单元13。

其中，数据库10中存储着电池内阻与电池SOH关系曲线库和电池包基本参数，如：电池输出功率P及以该功率工作时长T、电池内阻r、电池额定容量C_rated、电池额定电压U_rated。

第一SOH数据获取单元11，用于读取数据库中电池参数，利用该参数计算电池历史充放电循环次数，并根据历史充放电循环次数计算出第一SOH数据SOH_N。具体的，第一SOH数据获取单元11通过软件在上位机中执行本实施例一中的步骤S02、S03和S04，详细方法本发明实施例一已做详细描述，如此处不做赘述。

第二SOH数据获取单元12，用于采集当前电池包的内阻值，对比数据库10中存储的电池包内阻与SOH关系曲线图(图2)，第二SOH数据SOH_r。具体的，第二SOH数据获取单元12通过软件在上位机中执行本实施例一中的步骤S05，详细方法本发明实施例一已做详细描述，如此处不做赘述。

SOH估值运算单元13，用于根据第一SOH数据SOH_N和第二SOH数据SOH_r计算出当前电池包的SOH估值。具体的，SOH估值运算单元13通过软件在上位机中执行本实施例一中的步骤S06。作为示例，本实施例以调度时长T＝5min进行计算；由于SOH计算次数越多数据越庞大，优选的，取n＝100次参数，即计算某一时刻SOH之前的100次参数，来计算可靠性评估系数D_r和D_N，详细算法此处不做赘述。将上述数据带入本方法，经仿真软件仿真后的结果如图5所示。

在本实施例中，数据库10、第一SOH数据获取单元11、第二SOH数据获取单元12和SOH估值运算单元13可以是软件功能模块，由上位机中集成的运算器、控制器、存储器、计数器等数据处理模块相互配合执行。在其他实施例中，也可以使用分设的处理器、存储器和控制器替代集成化的上位机通过运行软件程序以及模块，实现本发明的估算方法。电池管理装置1可以是智能电表、电池监控设备，连接在机房电池网络中监控各电池的电池健康状态也可以集成在行车电脑、计算机或服务器等智能设备中。当电池荷电状态估算装置集成在智能设备(即上位机)中，以软件或固件(firmware)的形式存储于所述智能设备中的软件功能模块中，由用户向所述智能设备发出对应的程序指令，智能设备通过运行软件程序以及模块，执行相应的功能。

本发明提供的在线估算电池健康状态的方法，能够根据能量交换次数计算电池剩余寿命，再以内阻与电池SOH关系曲线为辅助对电池SOH进行估算，既能保证估值的精确度、简单、有效，又能扩展到拓展到电池包甚至储能系统寿命的估算，应用场景更为广泛。用户通过上位机建立与电池的通讯连接，即可使用本方法实现对电池SOH的在线实时监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种估算电池健康状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立电池内阻与电池SOH的关系曲线库和电池参数数据库；

S2，读取所述数据库中存储的电池参数；

S3，计算电池的历史充放电循环次数，然后根据所述历史充放电循环次数计算出此刻电池的SOH值作为第一SOH数据；

S4，实时测量电池内阻，查询曲线库获取此刻内阻值对应的电池SOH值作为第二SOH数据；

S5，根据所述第一SOH数据和所述第二SOH数据，计算获取电池的SOH估值。

2.根据权利要求1所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述建立电池内阻与电池SOH关系曲线库，包括将被测电池的内阻与电池SOH的拟合曲线存储在所述数据库中。

3.根据权利要求2所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，从数据库中读取的电池参数包括：电池输出功率P及以该功率工作的时长T、电池内阻r、电池额定容量C_rated、电池额定电压U_rated；其中，所述电池内阻r由电池管理系统测得后存储在所述数据库中。

4.根据权利要求3所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算所述历史充放电循环次数可以包括以下步骤：

利用以下表达式计算所述电池历史充放电循环次数：

其中，N_history(t)为累计到t时刻电池充放电循环次数；N_history(t-1)为累计到t-1时刻电池充放电循环次数；T为t-1时刻到t时刻的时长；P为t-1时刻到t时刻电池输出功率。

5.根据权利要求4所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算所述第一SOH数据具体包括以下步骤：

利用以下表达式计算所述第一SOH数据：

其中，SOH_N(t)为t时刻的电池的第一SOH数据；N_total为电池出厂预设的到寿命结束时的总充放电循环次数。

6.根据权利要求5所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

将t时刻测量内阻值r与所述关系曲线库中内阻与SOH曲线数据匹配，检索得出所述t时刻测量内阻值对应的第二SOH数据SOH_r(t)。

7.根据权利要求6所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

通过以下表达式计算获取所述电池SOH估值：

SOH(t)＝α×SOH_N(t)+β×SOH_r(t)

上式中：SOH(t)为t时刻的电池SOH估值；α为电池循环次数法的权重系数；β为内阻匹配法的权重系数。

8.根据权利要求7所述的估算电池健康状态的方法，其特征在于，所述电池循环次数法的权重系数α和所述内阻匹配法的权重系数β的计算方法包括：

令D_r为内阻匹配法可靠性评估系数；D_N为电池循环次数法可靠性评估系数，则权重系数α和β可通过以下算式计算得出：

其中：

上式中：i＝1,2,3,……,n为电池到从初始到t-1时刻累计计算SOH的次数；SOH_i为第i次估算对应的所述电池SOH估值；SOH_r,i为第i次经所述步骤S4获取的第二SOH数据；SOH_N,i为第i次经所述步骤S3获取的第一SOH数据。

9.一种可执行如权利要求1所述估算电池健康状态的方法的电池管理装置，其特征在于，所述电池管理装置包括数据库、第一SOH数据获取单元、第二SOH数据获取单元和SOH估值运算单元；其中，

所述数据库用于存储所述电池内阻与电池SOH关系曲线库和电池参数；

所述第一SOH数据获取单元用于读取所述数据库中的电池参数，利用所述电池参数计算电池历史充放电循环次数，并根据所述历史充放电循环次数计算出第一SOH数据；

第二SOH数据获取单元用于采集当前电池的内阻值，对比所述数据库中存储的电池包内阻与SOH关系曲线获取第二SOH数据；

所述SOH估值运算单元用于根据所述第一SOH数据和所述第二SOH数据计算所述的SOH估值。

10.根据权利要求9所述的电池管理装置，其特征在于，所述SOH估值运算单元通过以下表达式计算获取电池SOH的估值；

SOH＝α×第一SOH数据+β×第二SOH数据

上式中：SOH为此刻的电池SOH估值；α为电池循环次数法的权重系数β为内阻匹配法的权重系数其中，

内阻匹配法可靠性评估系数：

电池循环次数法可靠性评估系数：

其中，i＝1,2,3,……,n为电池到从初始到上一时刻累计计算SOH的次数；SOH_i为所述SOH估值运算单元第i次估算对应的所述电池SOH估值；SOH_r,i为所述第二SOH数据获取单元第i次经内阻匹配法得到的第二SOH数据；SOH_N,i为所述第一SOH数据获取单元第i次经所述步骤S3获取的第一SOH数据。