CN111123136A - 一种锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法 - Google Patents

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蒋海洲
杨万振
原万宝
易蓉
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池健康状态在线测量装置及测量方法，包括MCU控制与分析模块及与其电连接的锂离子电池单体电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路；其中单体电压采集电路包括依次电连接在一起的单体电压信号滤波电路、单体电压信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路。本发明所公开的锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法，通过控制锂离子电池的充电过程，采集锂离子电池在充电过程中的电压、电流和温度数据，并结合采集的锂离子电池在工作过程中的电压、电流和温度数据和历史数据，以加权安时加实际容量修正法分析计算锂离子电池的内阻和容量的变化情况，可以实时在线的测量锂离子电池的SOH。

Description

一种锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，特别涉及该领域中的一种锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法。
背景技术
随着国内锂离子电池行业的快速发展，锂离子电池开始大规模的在新能源汽车和新能源储能等领域应用。锂离子电池的自身特性以及应用环境决定了其在使用过程中容量会不断衰减，内阻会不断的增大，锂离子电池的健康状态(state of health，SOH)会不断的降低。SOH的降低会带来锂离子电池的电气性能和安全性能也不断降低，严重的可能造成安全事故。为避免锂离子电池在应用过程中出现安全问题，同时便于锂离子电池的梯次利用，需要对锂离子电池的SOH进行测量，并根据SOH值按照相关规定进行相应的处理。
SOH的定义：在给定的条件下，锂离子电池可放出容量与锂离子电池额定容量的比值。由于锂离子电池的容量与其内阻存在一定的关联，也可以通过锂离子电池的内阻间接测量其SOH。当前SOH的测量方法主要有：放电实验法、内阻分析法和统计规律法。
放电实验法，是用设备对锂离子电池进行放电，直至电池电压达到放电截止电压，测量锂离子电池的放电容量，并计算它与锂离子电池额定容量的比值就是当前的SOH。
内阻分析法，是用内阻测量设备测量锂离子电池的内阻，利用锂离子电池内阻与其容量的关系，间接测量锂离子电池的SOH。
统计规律法，以锂离子电池在应用过程中的积累的数据为依据，通过数理统计的手段对锂离子电池的SOH进行估算。
其中，放电实验法需要大型充放电设备才能测量，不适合车载等环境下的应用，且需要对锂离子电池进行深度放电，测量本身的行为对锂离子电池的寿命就会影响，全生命周期内的测量对锂离子电池的寿命的影响更大，且成本较高。
内阻分析法，在电池循环寿命的不同阶段测量阻抗谱曲线，根据阻抗谱曲线获得电池等效电路模型形式，再分析循环次数和等效电路模型中电阻参数的影响规律，最后给出等效电路模型中各参数随电池循环次数变化的拟合公式，建立特征量取值与电池健康状态之间的对应关系用于寿命预测。阻抗谱能够给出较为精细的电池阻抗描述，可用作估计电池的寿命特征；但测量比较复杂，需要专用测量仪器，将EIS技术应用于电池状态的在线监测还需要对EIS阻抗谱的在线快速测量技术进行研究。
统计规律法，从测试数据的角度出发描述电池性能，进而分析SOH。以采集的数据为基础通，通过各种数据分析学习方法挖掘其中的隐含信息进行预测，从而避免了模型获取的复杂性，是一种较为实用的预测方法。但是，通常所获取的数据往往具有很强的不确定性和不完整性，将实际应用中所有可能的寿命影响因素全部进行实验测试也是不现实的。所以，统计规律法容易实施，但也有一定的局限性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法。
本发明采用如下技术方案：
一种锂离子电池健康状态在线测量装置，其改进之处在于：包括MCU控制与分析模块及与其电连接的锂离子电池单体电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路；其中单体电压采集电路包括依次电连接在一起的单体电压信号滤波电路、单体电压信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；电流采集电路包括依次电连接在一起的电流信号滤波处理电路、电流信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；温度采集电路包括依次电连接在一起的温度信号滤波处理电路、温度测量供电电路和温度信号采集电路。
一种在线测量方法，使用上述在线测量装置，其改进之处在于：通过控制锂离子电池的充电过程，采集锂离子电池在充电过程中的电压、电流和温度数据，并结合采集的锂离子电池在工作过程中的电压、电流和温度数据和历史数据，以加权安时加实际容量修正法分析计算锂离子电池的内阻和容量的变化情况，实时在线的测量锂离子电池的SOH，SOH指锂离子电池可放出容量与锂离子电池的额定容量的比值，
Figure BDA0002329544620000021
其中C0为锂离子电池的额定容量，Ct为锂离子电池的当前容量，因此SOH的测量可转化为锂离子电池的当前容量Ct的测量，测量方法如下：
采用以加权安时加实际容量修正法测量锂离子电池当前容量Ct，当前放电电量Ctd加权积分公式如下：
Figure BDA0002329544620000022
其中i(t)为当前放电电流，κ为温度修正系数，η为放电深度修正系数，γ为放电倍率修正系数；
根据t0和td时刻的SOC值SOC(t0)和SOC(td)，可以计算出锂离子电池当前容量Ct，公式如下：
Figure BDA0002329544620000031
综上，SOH的测量公式如下：
Figure BDA0002329544620000032
本发明的有益效果是：
本发明所公开的锂离子电池健康状态在线测量装置及在线测量方法，通过控制锂离子电池的充电过程，采集锂离子电池在充电过程中的电压、电流和温度数据，并结合采集的锂离子电池在工作过程中的电压、电流和温度数据和历史数据，以加权安时加实际容量修正法分析计算锂离子电池的内阻和容量的变化情况，可以实时在线的测量锂离子电池的SOH。可以通过参数标定的方法，适用于各种类型的锂离子电池。与充放电实验法相比，可实现车载\机载应用，大大提高应用范围。与内阻法和统计规律法等相比具有精度高的优点。实现成本较低，具有广阔的市场前景和推广价值。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开在线测量装置的电路框图。
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，以下结合附图和实施例，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。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种锂离子电池健康状态在线测量装置，包括MCU控制与分析模块及与其电连接的锂离子电池单体电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路；其中单体电压采集电路包括依次电连接在一起的单体电压信号滤波电路、单体电压信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；电流采集电路包括依次电连接在一起的电流信号滤波处理电路、电流信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；温度采集电路包括依次电连接在一起的温度信号滤波处理电路、温度测量供电电路和温度信号采集电路。
一种在线测量方法，使用上述在线测量装置，通过控制锂离子电池的充电过程，采集锂离子电池在充电过程中的电压、电流和温度数据，并结合采集的锂离子电池在工作过程中的电压、电流和温度数据和历史数据，以加权安时加实际容量修正法分析计算锂离子电池的内阻和容量的变化情况，实时在线的测量锂离子电池的SOH，SOH指锂离子电池可放出容量与锂离子电池的额定容量的比值，
Figure BDA0002329544620000041
其中C0为锂离子电池的额定容量，Ct为锂离子电池的当前容量，因此SOH的测量可转化为锂离子电池的当前容量Ct的测量，测量方法如下：
采用以加权安时加实际容量修正法测量锂离子电池当前容量Ct，当前放电电量Ctd加权积分公式如下：
Figure BDA0002329544620000042
其中i(t)为当前放电电流，κ为温度修正系数，η为放电深度修正系数，γ为放电倍率修正系数；
根据t0和td时刻的SOC值SOC(t0)和SOC(td)，可以计算出锂离子电池当前容量Ct，公式如下：
Figure BDA0002329544620000043
综上，SOH的测量公式如下：
Figure BDA0002329544620000044

Claims (2)

1.一种锂离子电池健康状态在线测量装置，其特征在于：包括MCU控制与分析模块及与其电连接的锂离子电池单体电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路；其中单体电压采集电路包括依次电连接在一起的单体电压信号滤波电路、单体电压信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；电流采集电路包括依次电连接在一起的电流信号滤波处理电路、电流信号隔离采集电路和数字信号SPI传输电路；温度采集电路包括依次电连接在一起的温度信号滤波处理电路、温度测量供电电路和温度信号采集电路。
2.一种在线测量方法，使用权利要求1所述在线测量装置，其特征在于：通过控制锂离子电池的充电过程，采集锂离子电池在充电过程中的电压、电流和温度数据，并结合采集的锂离子电池在工作过程中的电压、电流和温度数据和历史数据，以加权安时加实际容量修正法分析计算锂离子电池的内阻和容量的变化情况，实时在线的测量锂离子电池的SOH，SOH指锂离子电池可放出容量与锂离子电池的额定容量的比值，
Figure FDA0002329544610000011
其中C0为锂离子电池的额定容量，Ct为锂离子电池的当前容量，因此SOH的测量可转化为锂离子电池的当前容量Ct的测量，测量方法如下：
采用以加权安时加实际容量修正法测量锂离子电池当前容量Ct，当前放电电量Ctd加权积分公式如下：
Figure FDA0002329544610000012
其中i(t)为当前放电电流，κ为温度修正系数，η为放电深度修正系数，γ为放电倍率修正系数；
根据t0和td时刻的SOC值SOC(t0)和SOC(td)，可以计算出锂离子电池当前容量Ct，公式如下：
Figure FDA0002329544610000013
综上，SOH的测量公式如下：
Figure FDA0002329544610000014
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