CN112147528A - 一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，包括以下步骤：以一定的工作制度分别将衰减前后的锂离子蓄电池充电至相同截止电压，终止充电，获取蓄电池的静置电压‑时间数据，并将所述的数据代入锂离子蓄电池的健康状态表达式中，计算后得到用于表征锂离子蓄电池健康状态的健康状态值；其中，表达式如公式(9)所示。本发明从锂离子蓄电池使用过程中的静置电压及静置时间数据出发，以锂离子蓄电池充电至某一相同截止电压后静置时刻m及静置时刻k时的电压值和开路电压值作为输入数据，具有采样状态极易控制、数据易获取、通用性良好的优点，解决了现有容量法或阻抗法需要全充电‑全放电或特定的测试制度的不足，工程应用价值高。
Description
技术领域
本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法。
背景技术
锂离子蓄电池健康状态(State of Health，SOH)经常被用于表征电池的衰减程度，而电池的衰减程度直接影响使用设备的功能特性和安全性。
目前，锂离子蓄电池健康状态常以两种方法进行定义，一：容量法，定义为电池当前最大可用容量与额定容量的百分比；二：阻抗法，以当前阻抗值和初始阻抗值作为输入数据(有多种表达方式)计算电池的健康状态，此方法多用于动力电池领域。容量法通过对电池进行全充电-全放电循环，从而测得电池在不同使用阶段的容量值或充放电微分曲线，用于表征电池的健康状态。阻抗法通过对电池加载特定的测试制度(如脉冲)，用于获取电池的阻抗值。但上述方法在实际使用时具有一定的局限性。首先，实际使用过程中难以开展全充电-全放电测试；其次，在实际使用过程中难以保证测试所需的环境条件或电池状态保持相同，不利于锂离子蓄电池健康状态的有效诊断及其优化管理。有鉴于此，有必要开发行之有效的锂离子蓄电池健康状态诊断方法。
发明内容
为实现上述目的，本发明提出的一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，包括以下步骤：
以相同的工作制度分别将衰减前后的锂离子蓄电池充电至相同截止电压，终止充电，获取数据，并将所述的数据代入锂离子蓄电池的健康状态表达式中，计算后得到用于表征锂离子蓄电池健康状态的健康状态值；其中，
所述的锂离子蓄电池的健康状态表达式为：
所述HV(Health Value)为锂离子蓄电池的健康状态值，m、k分别代表静置时刻m和静置时刻k，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值。
较佳地，所述的相同的工作制度是指充电制度相同。
较佳地，所述的工作制度包括：充电电流和温度。
较佳地，所述的锂离子蓄电池为锂离子电池单体。
较佳地，所述的锂离子蓄电池为电池组。
较佳地，所述的锂离子蓄电池为镍钴铝酸锂体系、镍锰酸锂体系、锰酸锂体系、钴酸锂体系或三元体系。
上述方法应用于充电过程易受控制的场景，应用领域包括：电动车领域、智能手机领域、智能机器人领域。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明从锂离子蓄电池使用过程中的静置电压及静置时间数据出发，提出的锂离子蓄电池健康状态诊断方法以锂离子蓄电池充电至某一相同截止电压后静置时刻m及静置时刻k时的电压值和开路电压值作为输入数据，具有采样状态极易控制、数据易获取、通用性良好的优点，解决了现有容量法或阻抗法需要全充电-全放电或特定的测试制度的不足，工程应用价值高。
附图说明
图1为锂离子蓄电池一阶RC等效电路模型示意图。
图2为不同衰减程度的锂离子蓄电池充电后静置电压-静置时间曲线图。
图3为锂离子蓄电池健康状态值HV与其容量保持率的对应关系图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明提供的是一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，所述状态诊断方法包括以下步骤：
步骤一：以一定的工作制度将衰减前后的锂离子蓄电池充电至某一相同的截止电压，终止充电，获取锂离子蓄电池的静置电压、静置时间数据；所述的工作制度包括充电电流和温度；
步骤二：提出锂离子蓄电池的健康状态表达式：
其中，所述HV(Health Value)为锂离子蓄电池的健康状态值，m、k分别代表静置时刻m和静置时刻k，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处、静置达到稳态时的电压值(在锂离子电池领域定义此时的电压值为电池的开路电压值，下文均采用开路电压值表达)，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值。静置时刻m和静置时刻k的电压值均取自衰减前后的锂离子蓄电池静置达到稳态前。
步骤三：提取步骤一中获取的锂离子蓄电池衰减前后静置时刻为m和静置时刻为k时的电压值
及锂离子蓄电池的开路电压值
步骤四：根据公式(9)计算得到HV值，从而得到锂离子蓄电池的健康状态。
步骤一可参阅如图2所示的实施例，锂离子蓄电池以1C电流恒流充电至4.2V，然后终止充电，测量得到的锂离子蓄电池静置电压-静置时间示例图。图2中曲线所采用的充电制度在锂离子蓄电池衰减前后保持相同。
步骤二中提出锂离子蓄电池健康状态表达式的具体依据为：
随着长期循环使用或静置，锂离子蓄电池活性材料、可用的锂离子、电解液会逐渐损失，负极固态电解质界面膜会逐渐增厚，电池容量衰减、阻抗增大。由于锂离子蓄电池内部界面状态发生变化，且极化电压增大，当锂离子蓄电池以相同工作制度充电至某一相同截止电压时，锂离子蓄电池的静置电压-静置时间曲线会发生变化，如图2所示，具体表现为：在相同的充电截止电压处，锂离子蓄电池静置电压-静置时间曲线的形状发生变化，且纵向上随着衰减程度的增大而逐渐下移。这种变化反映了锂离子蓄电池的衰减程度。
等效电路模型能够体现锂离子蓄电池的阻容特性，常被用于锂离子蓄电池充放电行为仿真。基于等效电路模型，推导锂离子蓄电池终止充电后静置电压曲线的数学表达式。图1为锂离子蓄电池一阶RC等效电路模型示意图(R代表电阻，C代表电容)，所示的锂离子蓄电池等效电路模型充电过程的状态方程可用公式(1)表达：
公式(1)中Uoc为锂离子蓄电池的开路电压源，Ro为锂离子蓄电池的欧姆内阻，Rp为锂离子蓄电池的法拉第阻抗，Cd为锂离子蓄电池内部界面的双电层电容，I为锂离子蓄电池的充电电流，U为锂离子蓄电池的电压值，Ud为Rp和Cd两端的电压值，
为Ud的导数。
公式(1)的离散形式可用公式(2)表达：
公式(2)中用整数i代表离散时间，Ts为取样时间间隔，
是与锂离子蓄电池内部状态(包括衰减程度)相关的变量，各数据上标i或i-1均代表第i时刻或第i-1时刻的数据值。
当锂离子蓄电池终止充电后，电流I等于0。在静置过程中，
不再变化，为了便于书写，以Uoc表示。将I＝0代入公式(2)，得到公式(3)：
整理公式(3)得到公式(4)：
在电池电压值Ui≠Uoc、Ui-1≠Uoc的前提条件下，将公式(4)进行迭代，得到公式(5)：
公式(5)中上标1，2,…,i-1,i代表相应时刻。整理公式(5)，并两边取自然对数，可得公式(6)：
令
α为与电池衰减程度相关的参数，并将锂离子蓄电池衰减前的α记为αaged，将锂离子蓄电池衰减后的α记为αfresh，用于表征锂离子蓄电池的健康状态，如公式(8)所示：
整理公式(6)至(8)，得到锂离子蓄电池的健康状态表达式：
其中，所述HV(Health Value)为锂离子蓄电池的健康状态值，m、k分别代表静置时刻m和静置时刻k，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减后其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前其在步骤一中相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值。
步骤三的具体过程为：
设定静置时刻m和静置时刻k的值，提取衰减前后锂离子蓄电池在静置m时刻和静置k时刻的电压值
及锂离子蓄电池的开路电压值
作为诊断锂离子蓄电池健康状态方法的输入数据。
本发明的方法适用于所有材料体系(如镍酸锂体系、锰酸锂体系、钴酸锂体系、三元体系等)的锂离子电池单体及电池组。
实施例1
一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，具体步骤如下：
步骤一：以一定的工作制度将衰减前后的锂离子蓄电池充电至某一相同的截止电压，终止充电，获取锂离子蓄电池的静置电压、静置时间数据；所述的工作制度包括充电电流和温度；
以额定容量为2.15Ah的NCM523/石墨电池作为研究对象，在开展循环衰减试验前，首先采用标准性能测试(Reference Performance Test，RPT)对锂离子蓄电池的初始容量值进行标定，具体测试制度为：恒流1C充电至4.2V，转恒压4.2V充电至充电电流不大于0.01C，静置2min，再以恒流1C放电至2.75V，循环3次，以三次放电容量的平均值作为锂离子蓄电池的初始容量值。然后对锂离子蓄电池开展循环衰减试验，循环制度为：恒流1C充电至4.2V，转恒压4.2V充电至充电电流不大于0.01C，静置2min，然后以恒流1C放电至2.75V。分别在锂离子蓄电池健容量保持率为100％、87.4％和80％时，在25℃条件下，将电池以恒流1C充电至4.2V，然后静置180min，获取锂离子蓄电池的静置电压-静置时间数据，如图2所示。
步骤二：提出锂离子蓄电池的健康状态表达式：
步骤三：提取步骤一中获取的锂离子蓄电池衰减前后静置时刻为m和静置时刻为k时的电压值
及锂离子蓄电池开路电压值
针对NCM523/石墨电池，设定静置时刻m为第12s，静置时刻k为第300s，获取锂离子蓄电池的
和
步骤四：根据步骤一、步骤二和步骤三得到公式(9)中的HV值，从而得到锂离子蓄电池的健康状态；
如图3所示，为基于本发明提出的一种诊断锂离子蓄电池健康状态方法得到的锂离子蓄电池健康状态与其容量保持率的对应关系。由图可知，此方法可以实现锂离子蓄电池健康状态的诊断，而且输入数据(静止时刻m时和静置时刻k时的电压值、开路电压值)均极易获取，大大改善了现有容量法或阻抗法需要全充电-全放电或特定的测试制度的缺点，具有良好的工程应用价值。
本发明适宜应用于充电过程易受控制的场景，包括多数应用锂离子蓄电池的领域，如电动车领域、智能手机领域、智能机器人领域等。
综上所述，本发明从锂离子蓄电池使用过程中的静置电压及静置时间数据出发，提出的锂离子蓄电池健康状态诊断方法以锂离子蓄电池充电至某一相同截止电压后静置时刻m及静置时刻k时的电压值和开路电压值作为输入数据，具有采样状态极易控制、数据易获取、通用性良好的优点，解决了现有容量法或阻抗法需要全充电-全放电或特定的测试制度的不足，工程应用价值高。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (6)
1.一种诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以一定的工作制度分别将衰减前后的锂离子蓄电池充电至相同截止电压，终止充电，获取数据，并将所述的数据代入锂离子蓄电池的健康状态表达式中，计算后得到用于表征锂离子蓄电池健康状态的健康状态值；其中，
所述的锂离子蓄电池的健康状态表达式为：
所述HV为锂离子蓄电池的健康状态值，m、k分别代表静置时刻m和静置时刻k，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减后在所述的相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处的开路电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处、静置时刻为m时的电压值，
为锂离子蓄电池衰减前在所述的相同截止电压处、静置时刻为k时的电压值。
2.根据权利要求1所述的诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，所述的一定的工作制度是指充电制度相同；所述的工作制度包括：充电电流和温度。
3.根据权利要求1所述的诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，所述的锂离子蓄电池为锂离子电池单体。
4.根据权利要求1所述的诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，所述的锂离子蓄电池为电池组。
5.根据权利要求1所述的诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，所述的锂离子蓄电池包括镍钴铝酸锂体系、镍锰酸锂体系、锰酸锂体系、钴酸锂体系或三元体系。
6.根据权利要求1所述的诊断锂离子蓄电池健康状态的方法，其特征在于，所述方法应用于充电过程易控制的锂离子蓄电池应用领域，所述领域包括：电动车领域、智能手机领域、智能机器人领域。
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