CN113253140A - 电池健康状态在线估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池健康状态在线估算方法,步骤包括:建立离线状态下被测电池组中的单体电池不同充放电倍率的电池电压‑荷电状态关系曲线;根据充放电过程中实时采集的电池充放电数据,计算得到在线状态下的单体电压‑容量关系曲线,并结合单体电池的电压‑荷电状态关系曲线,计算各单体电池的充电容量和放电容量;根据所计算的充电容量和放电容量计算得到各单体电池的最大可用容量;计算各单体电池的最大可用容量与额定容量的比值作为单体电池的健康状态估算结果。本发明所作出的电池健康状态估算结果具有较高地准确度,且整个估算过程可在电池在线状态下进行,测试过程简单、计算量较小,能够满足市场对电池健康状态评估的实时性要求。
Description
技术领域
本发明涉及电池健康管理技术领域,具体涉及一种电池健康状态在线估算方法。
背景技术
电池作为储能电源在通讯、电力系统、交通运输等领域得到了广泛应用。电池可用容量的大小直接决定了用电系统的持续工作能力。但由于存在电极副反应,电池组中的单体电池的可用容量会随着时间的累积而逐渐降低,而且串并联成组使用的单体电池相比较单独使用的单体电池,可用容量利用率更低,因此评估单体电池的健康状态成为电池管理系统的核心任务之一。
电池健康状态(State of health,简称SOH),是评估电池储能能力的一项重要指标,其定义为:电池在当前状态的最大可用容量与额定容量的比值。电池的SOH无法直接测量得到,只能通过测量其他物理量,并采用合适的数学模型或算法来估算得到。目前常用的电池SOH估计方法主要有放电试验法、内阻法、模型估算法等。放电试验法,要求电池必须离线测试。内阻法可以在线测试,但如果缺少新投运时电池的内阻数据就无法计算出SOH,而且内阻法需要增加额外的内阻测试系统,测试成本较高。模型估算法是基于电池的充放电特性建立的电池等效模型估算电池SOH的一种方法,然而对于不同类型的电池,通常需要重新建立模型,非常繁琐,而且模型估计SOH的计算量大,无法确保SOH估算的实时性,且估算精度也难以得到保证,而且计算量一般也比较大。上述现有的SOH估算方法都无法满足实时在线估算和确保高估算精度的要求。
发明内容
本发明以在线估算单体电池SOH状态,提高单体电池SOH状态估算精度为目的,提供了一种电池健康状态在线估算方法。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
提供一种电池健康状态在线估算方法,步骤包括:
2)根据充放电过程中实时测量的所述电池组以及所述电池组内的各所述单体电池的充放电数据,计算得到在线状态下的单体电池的电压-电池容量关系曲线,并结合所述电压-荷电状态关系曲线,计算各所述单体电池的充电容量和放电容量;
3)根据所计算的所述充电容量和所述放电容量计算得到各所述单体电池的最大可用容量;
4)计算各所述单体电池的所述最大可用容量与其对应的额定容量的比值作为所述单体电池的健康状态估算结果。
作为本发明的一种优选方案,其特征在于,步骤2)中的所述充放电数据包括在充放电过程中实时采集的各所述单体电池的单体电压、SOC值、充电累计时间、放电累计时间以及所述电池组的电池组电压、电流。
作为本发明的一种优选方案,步骤2)中,计算各所述单体电池的所述充电容量的方法包括:
步骤S2,在所述电池组充电到单体电压达到充电电压阈值V1时,记录当前时刻所述电池组内的各所述单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成为电压数据集U1和SOC数据集SOCc,并记录各所述单体电池从充电初始到所述当前时刻的累积充电容量,记为;
步骤S3,获取所述数据集U1中记录的最大单体电压和最小单体电压,分别记为U1a和U1b,所述最大单体电压U1a和所述最小单体电压U1b分别为对应的电池a和电池b的单体电压,并获取记录在所述数据集Uc0中的所述电池a的初始单体电压Uc0a;
步骤S4,判断所述最小单体电压U1b是否大于等于所述初始单体电压Uc0a,
若是,则转入步骤S5;
若否,则判定需要对所述电池组内的各所述单体电池进行电压均衡;
步骤S5,判断所述电池组是否为恒流充电,
若否,则根据所述电池a对应的所述电压-荷电状态关系曲线,查表计算每节所述单体电池从当前单体电压继续单独充电到所述充电电压阈值V1时的SOC值变化量,并根据所述SOC值变化量,计算得到每节所述单体电池从当前单体电压继续单独充电到所述充电阈值电压V1时的所述继续充电容量;
作为本发明的一种优选方案,步骤2)中,计算各所述单体电池在放电过程中的所述放电容量的方法包括:
步骤L2,在所述电池组放电到单体电压达到放电电压阈值V2时,记录当前时刻所述电池组内的各所述单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成电压数据集U2和SOC数据集SOCd,并记录各所述单体电池从放电初始到所述当前时刻的累积放电容量,记为;
步骤L3,获取所述数据集U2中记录的最小和最大单体电压,分别记为U2k和U2j,所述最小单体电压U2k和所述最大单体电压U2j分别为单体电池k和单体电池j的单体电压,并获取记录在所述数据集Ud0中的所述电池k的初始单体电压Ud0k;
步骤L4,判断所述最大单体电压U2j是否小于等于所述初始单体电压Ud0k;
若是,则转入步骤L5;
若否,则判定需要对所述电池组内的各所述单体电池进行电压均衡;
步骤L5,判断所述电池组是否为恒流放电,
若否,则根据所述电池k对应的所述电压-电荷状态关系曲线,查表计算每节所述单体电池从当前单体电压继续单独放电到所述放电电压阈值V2时的SOC值变化量,并根据所述SOC值变化量计算得到每节所述单体电池继续单独放电到所述放电阈值电压V2时的所述继续放电容量;
作为本发明的一种优选方案,所述步骤3)中,计算每节所述单体电池的所述最大可用容量的方法为:
若首先对所述电池组进行放电再进行充电,则所述电池组中的每节所述单体电池的所述最大可用容量通过以下公式(5)计算而得:
本发明通过不同倍率的充放电实验数据,事先构建离线状态下被测电池组中单体电池的电压-荷电状态关系曲线,然后在电池组充放电时构建在线状态下单体电池的电压-电池容量关系曲线,并在电池组达到充电电压阈值V1或放电电压阈值V2时,同时考虑电池组充电或放电电流恒定或不恒定两种情况,通过结合单体电池的电压-电池容量关系曲线和/或电压-荷点状态关系曲线计算单体电池的充电容量和放电容量,最终根据单体电池的充电容量和放电容量计算得到单体电池的最大可用容量并输出单体电池的SOH健康状态。实验结果表明,本发明所作出的电池健康状态估算结果具有较高地准确度,且整个估算过程可在电池在线状态下进行,测试过程简单、计算量较小,能够满足市场对电池健康状态评估的实时性要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的电池健康状态在线估算方法的实现步骤图;
图2是计算单体电池的充电容量的方法步骤图;
图3是计算单体电池的放电容量的方法步骤图;
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件;在本发明的描述中,需要理解的是,若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在本发明的描述中,除非另有明确的规定和限定,若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系,该术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供的电池健康状态在线估算方法,如图1所示,该在线估算方法包括:
步骤1)在离线状态下,建立被测电池组中的单体电池不同充放电倍率下的荷电状态-电压关系曲线;电压-荷电状态关系曲线包括不同充电倍率下的电压-荷电状态关系曲线和不同放电倍率下的电压-荷电状态关系曲线;荷电状态(State ofcharge,简称SOC),用来反映电池的剩余容量。
对处于离线状态的被测电池组中的单体电池或与其规格型号相同的单体电池,进行不同倍率的充放电实验,实时记录每次充放电实验时单体电压、电流、充电累计时间、放电累计时间、电池温度等实验数据,然后根据这些实验数据建立不同充放电倍率下的单体电池的电压-荷电状态关系曲线。比如当充电倍率为0.1C时,电池组中的某单体电池的充电电流恒定为I,充电累计时间为t,那么可根据公式:充电容量计算得到该单体电池从充电初始到当前充电t时刻的充电容量,然后再检测当前t时刻该单体电池的单体电压为V,即可获得单体单体电压与充电容量的关系;记电池从放空电充电到完全充满电得到的充电电量Qmax,则,计通过获得充电时间轴上的多个实验数据,即可建立该单体电池在0.1C充电倍率下的SOC-充电电压关系曲线(单体电池的SOC-充电电压关系曲线如图4所示,图4中的4条曲线分别为0.1C、0.3C、0.5C、0.67C充电倍率下的单体电池的SOC-充电电压关系曲线)。单体电池在不同放电倍率下的SOC-放电电压关系曲线(单体电池的SOC-放电电压关系曲线如图5所示,图5中的4条曲线分别为0.1C、0.3C、0.5C、0.67C放电倍率下的单体电池的SOC-放电电压关系曲线)的建立过程与在充电状态下的SOC-充电电压关系曲线的建立过程类似,在此不再赘述。
步骤2)根据充放电过程中实时测量的电池组以及电池组内的各单体电池的充放电数据(包括但不限于在充放电过程中实时采集的各单体电池的单体电压、电流、SOC值、充电累计时、放电累计时间、单体电压以及电池组的电池组电压、电流等),按照步骤1)的方法计算出电池组内单体电池的在线状态容量-电压曲线,见图6和图7(图6和图7中的系列1、系列2、…、系列12,分别对应电池组中按照从总负极到总正极串联顺序依次排序的单体电池),并结合单体电池对应的电压-电荷状态关系曲线,计算各单体电池的充电容量和放电容量;
本实施例中,具体地,计算各单体电池的充电容量的方法如图2所示,包括:
步骤S2,在电池组充电到单体电压充电达到充电电压阈值V1时,记录当前时刻(电池组充电到充电电压阈值V1的当时)电池组内的各单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成为电压数据集U1和SOC数据集SOCc,并记录各单体电池从充电初始到当前时刻的累积充电容量,记为;
步骤S3,获取数据集U1中记录的最大单体电压和最小单体电压,分别记为U1a和U1b,最大单体电压U1a为对应的电池a的单体电压,最小单体电压U1b为对应的电池b的单体电压,并获取记录在数据集Uc0中的电池a的初始单体电压Uc0a;
步骤S4,判断最小单体电压U1b是否大于等于初始单体电压Uc0a,
若是,则转入步骤S5;
若否,则判定需要对电池组内的各单体电池进行电压均衡;优选地,将电池组内的各单体单体电压均衡至单体电池间的电压差不高于阈值dV=3mV;
步骤S5,判断电池组是否为恒流充电,
若否,则根据电池a对应的电压-荷电状态关系曲线(此处使用的电压-荷电状态关系曲线为在充电状态下,步骤1)建立的电池a对应的电压-荷电状态关系曲线),计算每节单体电池从当前单体电压(电池组充电到充电电压阈值V1时的单体单体电压)继续单独充电到充电电压阈值V1时的SOC值变化量,并根据SOC值变化量,计算得到每节单体电池从当前单体电压继续充电到充电阈值电压V1时的继续充电容量;
公式(1)中,表示容量补偿系数。电池单体充满电一般经历恒流充电和恒压充电两个阶段;电池组由多个单体电池串并联组成,电池组充满电时一般只经历恒流充电阶段,此时单体电池并未经历恒压阶段而没充满;ck就是单体电池恒压充电阶段与恒流阶段的容量比值,用于修正单体电池充放电到实际容量,与电池类型特性有关,是个经验常数。本实施例中,容量补偿系数的取值范围优选为0.075-0.090。更优选地,容量补偿系数。单体电池的累积充电容量根据单体电池的充电电流与充电时间的乘积计算而得。
举例而言,电池组从充电初始充电到充电电压阈值V1=3.8V的累积充电容量,记录此时(电池组电压达到V1阈值电压时)电池组内各单体电池的单体电压,组成电压数据集U1,记U1内记录的最大单体电压U1a对应的是1号电池,U1a=3.803V,最低单体电压U1b对应的是9号电池,U1b=3.418V;电压数据集Uc0中记录的1号电池的单体电压为Uc0a=3.121V,由于U1b≥Uc0a且充电过程中电流恒定=40A,则通过查表1号电池的电压-充电容量关系曲线,得到每节单体电池从当前单体电压(电池组达到充电电压阈值V1时单体电池的电压)继续单独充电到充电阈值电压V1时所需的继续充电容量。
本实施例中,计算各单体电池的放电容量的方法如图3所示,包括:
步骤L2,在电池组放电到单体电压达到放电电压阈值V2时,记录当前时刻(电池组放电到放电电压阈值V2时)电池组内的各单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成电压数据集U2和SOC数据集SOCd,并记录各单体电池从放电初始到当前时刻(电池组放电到放电电压阈值V2时)的累积放电容量,记为(为单体电池放电电流与放电时间的乘积);
步骤L3,获取数据集U2中记录的最小单体电压和最大单体电压,分别记为U2k和U2j,最小单体电压U2k和最大单体电压U2j分别为单体电池k和单体电池j的单体电压,并获取记录在数据集Ud0中的电池k的初始单体电压Ud0k;
步骤L4,判断最大单体电压U2j是否小于等于初始单体电压Ud0k;
若是,则转入步骤L5;
若否,则判定需要对电池组内的各单体电池进行电压均衡;
步骤L5,判断电池组是否为恒流放电,
若否,则根据电池k对应的电压-电荷状态关系曲线(此处使用的电压-荷电状态关系曲线为在放电状态下,步骤1)建立的电池k对应的电压-荷电状态关系曲线),计算每节单体电池从当前单体电压继续单独放电到放电电压阈值V2时的SOC值变化量,并根据该SOC值变化量计算得到每节单体电池继续单独放电到放电阈值电压V2时的继续放电容量;
举例而言,电池组的单体电压从放电初始放电到放电电压阈值V2=2.0V时的累积放电容量。记电压数据集U2中最小单体电压U2k对应的是12号单体电池,U2k=1.988V,最大单体电压U2j对应的是1号单体电池,U2j=3.075V;初始电压数据集Ud0中记录的12号单体电池的单体电压Ud0k=3.322V,由于U2j≤Ud0K且电池组放电过程电流恒定(比如恒定为40A),则通过查表12号电池的电压-放电容量关系曲线得到,电池组内的每节单体电池继续单独放电到放电电压阈值V2时的继续放电容量。
请继续参照图1,本发明实施例提供的电池健康状态在线估算方法还包括:
步骤3),根据所计算的充电容量和放电容量计算得到各单体电池的最大可用容量;
步骤4)计算各单体电池的最大可用容量与其对应的额定容量的比值作为单体电池的健康状态估算结果。
步骤3)中,计算每节单体电池的最大可用容量的方法为:
若首先对电池组进行放电再进行充电,则电池组中的每节单体电池的最大可用容量通过以下公式(5)计算而得:
这里需要说明的是,上述的充电电压阈值V1通常为电池组在满电状态下的电池组电压或者说是电池组的充电保护电压;放电电压阈值V2通常为电池组在完全放电后的电池组电压或者说是电池组的放电保护电压。而对于单体电池,当单体单体电压达到充电电压阈值V1时,通常被视为电池组充满电,但由于串并联成组后的单体电池其自身电池容量利用率变低,达到充电电压阈值V1时,单体电池实际上并未满电,所以本发明通过计算单体电池的继续充电容量,并以继续充电容量和累积充电容量的和值作为该单体电池的总充电容量。
另外考虑到电池组充电过程电流可能恒定也可能并不恒定,所以针对这两种情况,本发明通过事先构建单体电池在离线状态下充电的关系曲线,在电池组充电时构建单体电池的关系曲线,通过这两种关系曲线去计算恒流或非恒流充电情况下的单体电池的继续充电容量,解决了电池因电池组充电保护或者变电流下无法直接应用关系曲线而难以计算继续充电容量的问题,最终计算的单体电池充电容量具有较高地准确度。
同样地,当单体单体电压达到放电电压阈值V2时,通常被视为电池组已经得到完全放电,但实际上,电池组中单体电池可能并未放电完全,所以本发明通过计算单体电池的继续放电容量,并以继续放电容量和累积放电容量的和值作为该单体电池的单次总放电容量。考虑到电池组放电过程电流可能恒定也可能并不恒定,所以针对这两种情况,本发明通过实现构建单体电池离线状态下放电的关系曲线和放电状态下的关系曲线,通过这两种关系曲线去对应计算恒流或非恒流放电情况下的单体电池的继续放电容量,解决了电池因电池组放电保护或者变电流下无法直接应用关系曲线而难以计算继续放电容量的问题,最终计算的单体电池放电容量具有较高地准确度。
下表1为本发明对38.4V165Ah的电池组(内含12串磷酸铁锂电池(单体电池))中的12节单体电池作电池健康状态估算后的估算结果与实际健康状态的对比表,由下表1可知,本发明提供的电池健康状态在线估算方法的估算结果误差不高于5%。
表1
步骤4)中,单体电池的健康状态通过以下公式(6)计算而得:
需要声明的是,上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白,还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是,这些变换只要未背离本发明的精神,都应在本发明的保护范围之内。另外,本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制,仅仅是为了便于描述。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的电池健康状态在线估算方法,其特征在于,步骤2)中的所述充放电数据包括在充放电过程中实时采集的各所述单体电池的单体电压、SOC值、充电累计时间、放电累计时间以及所述电池组的电池组电压、电流。
3.根据权利要求1所述的电池健康状态在线估算方法,其特征在于,步骤2)中,计算各所述单体电池的所述充电容量的方法包括:
步骤S2,在所述电池组充电到电池电压达到充电电压阈值V1时,记录当前时刻所述电池组内的各所述单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成为电压数据集U1和SOC数据集SOCc,并记录各所述单体电池从充电初始到所述当前时刻的累积充电容量,记为;
步骤S3,获取所述数据集U1中记录的最大单体电压和最小单体电压,分别记为U1a和U1b,所述最大单体电压U1a和所述最小单体电压U1b分别为对应的电池a和电池b的电压,并获取记录在所述数据集Uc0中的所述电池a的初始单体电压Uc0a;
步骤S4,判断所述最小单体电压U1b是否大于等于所述初始单体电压Uc0a,
若是,则转入步骤S5;
若否,则判定需要对所述电池组内的各所述单体电池进行电压均衡;
步骤S5,判断所述电池组是否为恒流充电,
若否,则根据所述电池a对应的所述电压-荷电状态关系曲线,查表计算每节所述单体电池从当前电压继续单独充电到所述充电电压阈值V1时的SOC值变化量,并根据所述SOC值变化量,计算得到每节所述单体电池从当前电压继续单独充电到所述充电电压阈值V1时的所述继续充电容量;
8.根据权利要求3所述的电池健康状态在线估算方法,其特征在于,步骤2)中,计算各所述单体电池在放电过程中的所述放电容量的方法包括:
步骤L2,在所述电池组放电到电池电压达到放电电压阈值V2时,记录当前时刻所述电池组内的各所述单体电池对应的单体电压和SOC值,分别形成电压数据集U2和SOC数据集SOCd,并记录各所述单体电池从放电初始到所述当前时刻的累积放电容量,记为;
步骤L3,获取所述数据集U2中记录的最小和最大单体电压,分别记为U2k和U2j,所述最小单体电压U2k和所述最大单体电压U2j分别为单体电池k和单体电池j的单体电压,并获取记录在所述数据集Ud0中的所述电池k的初始单体电压Ud0k;
步骤L4,判断所述最大单体电压U2j是否小于等于所述初始单体电压Ud0k;
若是,则转入步骤L5;
若否,则判定需要对所述电池组内的各所述单体电池进行电压均衡;
步骤L5,判断所述电池组是否为恒流放电,
若否,则根据所述电池k对应的所述电压-电荷状态关系曲线,查表计算每节所述单体电池从当前单体电压继续单独放电到所述放电电压阈值V2时的SOC值变化量,并根据所述SOC值变化量计算得到每节所述单体电池继续单独放电到所述放电阈值电压V2时的所述继续放电容量;
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