CN112485691B - 一种锂离子电池的soh估算方法 - Google Patents

一种锂离子电池的soh估算方法 Download PDF

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    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池的SOH估算方法，将锂离子电池根据SOC分成若干个SOC区间，并进行电池稳态检测，对已经进入稳态的电池进行SOH测试，根据各个SOC区间内的电压变化分别采用两种内阻测试法，分别测试新鲜电池和寿命终止电池在各个SOC区间的Rsct与RW值，并存入电池管理系统中，本发明的有益效果在于：将锂离子电池的内阻分成易测试的两部分，分别对应锂离子电池活性材料以及SEI膜导致的内阻变化和电解液变化导致的内阻变化两部分，采用两者的加权平均更能反映电池的当前SOH，更全面且准确，并且测试方法简单，同时将SOH引入电池的控制策略中，避免了在电池健康状态不佳时过度使用电池而引发的寿命加速衰减和安全风险。

Description

一种锂离子电池的SOH估算方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，具体为一种锂离子电池的SOH估算方法。
背景技术
目前在锂离子电池领域，锂离子电池因其绿色环保、循环寿命长、能量密度高等优异特性被广泛应用于新能源汽车、电动工具、能量储存等领域，为了更好的使用锂离子电池，避免因滥用而造成安全事故，需要对锂离子电池的状态参数进行实时监测，以达到预测电池使用状况的目的，锂离子电池的状态参数主要有荷电状态SOC和健康状态SOH，SOC的估算方法有开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法和神经网络法等，已经能够比较精确的估算锂离子电池的SOC状态，而SOH的估算方法，目前还比较缺乏，主要有两种方法，一种为通过测量锂离子电池的内部变化，如SEI内阻的增加来预测SOH，另外一种为通过模仿SOC的估算方法，计算容量损失来预估SOH的变化。
然而现有方法仍存在一定的弊端，通过测量SEI内阻增加来估算SOH时，由于SEI是动态的过程，在锂离子电池充放电过程中会破裂、修复如此循环往复，因此SEI内阻需要一段时间后方能初步稳定，所以以此来估算SOH时，滞后与偏差均较大，而无论是通过模仿SOC的估算方法，还是直接通过SOC估算SOH，计算方法复杂，且SOH的准确度取决于SOC的准确度，同时SOH只显示了容量的衰减，并不能对锂离子电池的使用起到安全预防作用。
基于上述问题，亟待提出一种锂离子电池的SOH估算方法，本方法将锂离子电池的内阻分成易测试的两部分，分别对应锂离子电池活性材料以及SEI膜导致的内阻变化和电解液变化导致的内阻变化的两部分，采用两者的加权平均更能反映电池的当前SOH，更全面且准确，并且测试方法简单，同时将SOH引入电池的控制策略中，避免了在电池健康状态不佳时过度使用电池而引发的寿命加速衰减和安全风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池的SOH估算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种锂离子电池的SOH估算方法，包括以下步骤：
S1：将锂离子电池根据SOC分成0％～10％，10％～20％，20％～30％，30％～40％，40％～50％， 50％～60％，60％～70％，70％～80％，80％～90％，90％～100％的10个SOC区间；
S2：当需要估算电池的SOH时，首先检测电池是否进入稳态，如果电池未进入稳态，则电池管理系统不予启动SOH估算的内阻测试程序，如果电池已进入稳态，则电池管理系统启动SOH估算的内阻测试程序，进入SOH测试状态；
S3：当进入SOH测试状态后，从电池管理系统中读取当前锂离子电池的SOC和温度T，同时将电压测量周期tp调整至所设阈值以内，并开始电压测量；
S4：当锂离子电池的SOC在0％～10％与90％～100％这两个区间时采用内阻测试法一进行测试，当锂离子电池的SOC在10％～20％至80％～90％这八个区间时采用内阻测试法二进行测试，将锂离子电池的内阻分成易测试的两部分，而且根据各SOC区间所对应的电压变化，对应引起电压变化大的SOC区间采取小电流测试，并且测试方法简单，同时避免了过放或过压的风险；
S5：分别测试新鲜电池和寿命终止电池在10个SOC区间的Rsct(new)、Rw(new)、 Rsct(EOL)以及RW(EOL)，并存入电池管理系统中；
S6：在电池使用过程中，通过电池管理系统获取到此时电池的SOC，并根据电池管理系统中已存入的对应SOC区间的Rsct值和RW值，估算当前时刻电池的SOH。
进一步的，所述步骤S2中检测电池是否进入稳态的判断标准为当前电池是否为工作状态且在一定时间内电压的变化是否超过阈值，若电池当前为非工作状态且在一定时间内电压变化不超过阈值，则判断当前电池已进入稳态。
进一步的，所述步骤S4中内阻测试法一包括以下步骤：
S11：给电池施加一恒定电流I，持续时间为t，其中t≥tp，施加电流I改变的SOC不大于第一阈值，其中电流I的大小区间为指定范围，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S12：初始电压为U1，在电池放电过程中瞬间下降至电压U2，计算电压U2与初始电压之间的变化量ΔU，根据ΔU、I以及温度补偿系数KT计算Rsct，并通过Rsct预估SOH。
进一步的，所述步骤S4中内阻测试法二包括以下步骤：
S21：给电池施加一恒定电流I，持续时间为t，其中t≥tp，施加电流I改变的SOC不大于第二阈值，其中电流I的大小区间为指定范围或电池规定的电流上限，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S22：分别计算欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和Rsct以及扩散内阻Rw。
进一步的，所述步骤S12、S6中的Rsct以及SOH的计算公式如下：
ΔU＝U2-U1
Figure BDA0002750967710000031
Figure BDA0002750967710000032
其中，I为测试电流，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，KT为温度补偿系数，SOH 为电池健康状态，Rsct(new)为新鲜电池的Rsct值，Rsct(EOL)为寿命终止电池的Rsct值。
进一步的，所述步骤S22中的计算公式如下：
Figure BDA0002750967710000033
Figure BDA0002750967710000034
其中，U1为初始电压，在放电过程中瞬间下降至电压U2，U3为放电终止时的电压，在放电终止时瞬间回升至电压U4，I为测试电流，Rw为扩散内阻。
进一步的，所述步骤S6中通过当前时刻电池的Rsct和Rw对当前时刻电池的SOH进行估算的计算公式如下：
Figure BDA0002750967710000035
其中，a1与α2为SOH的权重系数，并且两者之和为1，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，Rw(new)为新鲜电池的Rw值，RW(EOL)为寿命终止电池的RW值，采用两者的加权平均更能反映电池的当前SOH，更全面且准确。
进一步的，电池管理系统中的采集模块，电压测量周期可调，在正常使用时，采用第一测量周期，用于估算SOH的内阻测试时，采用第二测量周期，并将估算得到的SOH进行记录存储，通过正常使用时测量所得的电压可以判断电池所处的状态，并为充放电控制和电池管理提供依据，由于正常使用时的充放时间长，电压变化平缓，故第一测量周期大于第二测量周期。
进一步的，根据当前电池温度、SOC、SOH三个维度，制定电池允许的最大充放电电流，即在温度、SOC态下以SOH作修正的允许最大充放电电流，保障当电池健康状态低时，不会因为使用过度，而引发安全风险。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明将锂离子电池的内阻分成易测试的两部分，分别对应锂离子电池活性材料以及SEI膜导致的内阻变化和电解液变化导致的内阻变化的两部分，采用两者的加权平均更能反映电池的当前SOH，更全面且准确，并且测试方法简单，同时将SOH引入电池的控制策略中，避免了在电池健康状态不佳时过度使用电池而引发的寿命加速衰减和安全风险。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种锂离子电池的SOH估算方法的流程框图；
图2是本发明一种锂离子电池的SOH估算方法的步骤示意图；
图3是本发明一种锂离子电池的SOH估算方法的内阻测试法一步骤示意图；
图4是本发明一种锂离子电池的SOH估算方法的内阻测试法二步骤示意图；
图5是本发明一种锂离子电池的SOH估算方法的充放电过程中的电压变化示意图。
具体实施方式
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。
请参阅图1-5，本发明提供技术方案：
一种锂离子电池的SOH估算方法，包括以下步骤：
S1：本实施例选用50Ah的三元锂电池，将电池根据SOC，分成0％～10％，10％～20％，20％～30％，30％～40％，40％～50％，50％～60％，60％～70％，70％～80％，80％～90％，90％～100％的10 个SOC区间；
S2：当需要估算电池的SOH时，首先检测电池是否进入稳态，若当前电池为非工作状态且在30min内电压的变化不超过10mv，则电池管理系统启动SOH估算的内阻测试程序，进入 SOH测试状态，反之电池管理系统不予启动SOH估算的内阻测试程序；
S3：当进入SOH测试状态后，从电池管理系统中读取当前三元锂电池的SOC和温度T，同时将电压测量周期tp调整至1ms以内，并开始电压测量；
S4：当三元锂电池的SOC在0％～10％与90％～100％这两个区间时采用内阻测试法一进行测试，当三元锂电池的SOC在10％～20％至80％～90％这八个区间时采用内阻测试法二进行测试；
S5：分别测试新鲜电池和寿命终止电池在10个SOC区间的Rsct(new)、Rw(new)、 Rsct(EOL)以及RW(EOL)，并存入电池管理系统中；
S6：在电池使用过程中，通过电池管理系统获取到此时电池的SOC，并根据电池管理系统中已存入的对应SOC区间的Rsct值和RW值，估算当前时刻电池的SOH，若当前三元锂电池的SOC处于0％～10％与90％～100％这两个区间，则SOH的计算公式如下：
Figure BDA0002750967710000051
其中，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，SOH为电池健康状态，Rsct(new)为新鲜电池的Rsct值，Rsct(EOL)为寿命终止电池的Rsct值，
若当前三元锂电池的SOC处于10％～20％至80％～90％这八个区间，则SOH的计算公式如下：
Figure BDA0002750967710000052
其中，α1与α2为SOH的权重系数，并且两者之和为1，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，Rw(new)为新鲜电池的Rw值，RW(EOL)为寿命终止电池的RW值。
步骤S4中内阻测试法一包括以下步骤：
S11：给电池施加一恒定电流I，持续时间为t，其中t≥tp，施加电流I改变的SOC不大于第一阈值，其中电流I的大小区间为指定范围，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S12：如图5所示，初始电压为U1，在电池放电过程中瞬间下降至电压U2，计算电压U2与初始电压之间的变化量ΔU，根据ΔU、I以及温度补偿系数KT计算Rsct，并通过Rsct预估SOH，计算公式如下：
ΔU＝U2-U1
Figure BDA0002750967710000061
其中，I为测试电流，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，Kr为温度补偿系数。
步骤S4中内阻测试法二包括以下步骤：
S21：施加一恒定电流I，施加电流I改变的SOC不大于第二阈值5％，其中电流I的大小区间为指定范围3I1≤I≤10I1或电池规定的电流上限，这里施加的电流大小为200A，持续时间为20s，测试图5中的U1、U2、U3、U4的电压值，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S22：分别计算欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和Rsct以及扩散内阻Rw，计算公式如下：
Figure BDA0002750967710000062
Figure BDA0002750967710000063
表1
Figure BDA0002750967710000064
如表1所示，K为所在SOC区间的SOH修正系数，根据当前电池状态温度、SOC、SOH三个维度，制定电池允许的最大充放电电流，即在温度、SOC态下的允许最大充放电电流以SOH作修正，本实施例中测得当前的SOH为50％，则修正的允许最大充放电电流如表2所示。
表2
Figure BDA0002750967710000071
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将锂离子电池根据SOC分成0％～10％，10％～20％，20％～30％，30％～40％，40％～50％，50％～60％，60％～70％，70％～80％，80％～90％，90％～100％的10个SOC区间；
S2：当需要估算电池的SOH时，首先检测电池是否进入稳态，如果电池未进入稳态，则电池管理系统不予启动SOH估算的内阻测试程序，如果电池已进入稳态，则电池管理系统启动SOH估算的内阻测试程序，进入SOH测试状态；
S3：当进入SOH测试状态后，从电池管理系统中读取当前锂离子电池的SOC和温度T，同时将电压测量周期tp调整至所设阈值以内，并开始电压测量；
S4：当锂离子电池的SOC在0％～10％与90％～100％这两个区间时采用内阻测试法一进行测试，当锂离子电池的SOC在10％～20％至80％～90％这八个区间时采用内阻测试法二进行测试；
S5：分别测试新鲜电池和寿命终止电池在10个SOC区间的Rsct(new)、Rw(new)、Rsct(EOL)以及RW(EOL)，并存入电池管理系统中，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，Rsct(new)为新鲜电池的Rsct值，Rsct(EOL)为寿命终止电池的Rsct值，Rw为扩散内阻，Rw(new)为新鲜电池的Rw值，RW(EOL)为寿命终止电池的RW值；
S6：在电池使用过程中，通过电池管理系统获取到此时电池的SOC，并根据电池管理系统中已存入的对应SOC区间的Rsct值和RW值，估算当前时刻电池的SOH；
所述步骤S4中内阻测试法一包括以下步骤：
S11：给电池施加一恒定电流I，持续时间为t，其中t≥tp，施加电流I改变的SOC不大于第一阈值，其中电流I的大小区间为指定范围，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S12：初始电压为U1，在电池放电过程中瞬间下降至电压U2，计算电压U2与初始电压之间的变化量ΔU，根据ΔU、I以及温度补偿系数KT计算Rsct，并通过Rsct预估SOH；
所述步骤S4中内阻测试法二包括以下步骤：
S21：给电池施加一恒定电流I，持续时间为t，其中t≥tp，施加电流I改变的SOC不大于第二阈值，其中电流I的大小区间为指定范围或电池规定的电流上限，并且在施加电流期间，若电压达到放电截止电压或充电截止电压，则终止SOH估算；
S22：分别计算欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和Rsct以及扩散内阻Rw。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：所述步骤S2中检测电池是否进入稳态的判断标准为当前电池是否为工作状态且在一定时间内电压的变化是否超过阈值，若电池当前为非工作状态且在一定时间内电压变化不超过阈值，则判断当前电池已进入稳态。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：所述步骤S12、S6中的Rsct以及SOH的计算公式如下：
ΔU＝U2-U1
Figure FDA0003737676400000021
Figure FDA0003737676400000022
其中，I为测试电流，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，KT为温度补偿系数，SOH为电池健康状态，Rsct(new)为新鲜电池的Rsct值，Rsct(EOL)为寿命终止电池的Rsct值。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：所述步骤S22中的计算公式如下：
Figure FDA0003737676400000023
Figure FDA0003737676400000031
其中，U1为初始电压，在放电过程中瞬间下降至电压U2，U3为放电终止时的电压，在放电终止时瞬间回升至电压U4，I为测试电流，Rw为扩散内阻。
5.根据权利要求1或4所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：所述步骤S6中通过当前时刻电池的Rsct和Rw对当前时刻电池的SOH进行估算的计算公式如下：
Figure FDA0003737676400000032
其中，a1与a2为SOH的权重系数，并且两者之和为1，Rsct为欧姆内阻Rs与电化学内阻Rct之和，Rw(new)为新鲜电池的Rw值，RW(EOL)为寿命终止电池的RW值。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：电池管理系统中的采集模块，电压测量周期可调，在正常使用时，采用第一测量周期，用于估算SOH的内阻测试时，采用第二测量周期，并将估算得到的SOH进行记录存储。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池的SOH估算方法，其特征在于：根据当前电池温度、SOC、SOH三个维度，制定电池允许的最大充放电电流，即在温度、SOC态下以SOH作修正的允许最大充放电电流。
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