CN114384421A

CN114384421A - 一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法和分析方法

Info

Publication number: CN114384421A
Application number: CN202011124410.9A
Authority: CN
Inventors: 张越超; 纵雪楠; 韩兵兵; 高秀玲
Original assignee: Tianjin EV Energies Co Ltd
Current assignee: Tianjin EV Energies Co Ltd
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-22

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法和分析方法，包括通过采集和处理电池系统的数值，对电池系统性能衰减进行预警的步骤；电连接分析方法。本发明所述的锂离子电池系统性能衰减的预警方法和分析方法，能够全面了解电池系统的全周期运行状况，及时识别快速衰退期并及时预警，使得工作人员能够根据电池的实际情况调整BMS策略、降低充电电流电压；或整包替换电池、将替下的电池进行梯次利用；无法进行梯次利用的，报废处理，避免发生安全事故。

Description

一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法和分析方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法和分析方法。

背景技术

目前，越来越多的用户通过电动汽车出行。电动汽车采用汽车电池作为供电源，并通过BMS(Battery Management System，电池管理系统)集中管控汽车电池的运作。为了保证BMS正常的系统运转，需要高频次地采集汽车电池的电流、电压、温度、电池故障信号等的电池数据，并由电池数据服务器针对电池数据进行汽车电池性能分析。这些数据，能识别出个别电压明显低于、或高于其他的电池。但当大部分电池都进入了快速衰减期，即使把电压明显离群的电池替换掉，也不能有效维持寿命，若进一步使用甚至可能会出现安全事故。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，以提供一种能够全面了解电池系统的全周期运行状况，并加以分析，及时识别快速衰退期、及时预警、及时处置的方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，包括通过采集和处理电池系统的数值，对电池系统性能衰减进行预警的步骤。

进一步的，所述采集和处理电池系统的数值的方法为：

步骤1：在固定的电压范围，通过BMS提取充电末端电压与放电末端电压；

步骤2：计算提取到的充电末端电压的压差和标准差；

步骤3：通过充电末端的压差、标准差随总里程的变化率，对电池系统性能衰减进行预警。

进一步的，所述提取充电末端电压的具体方法为：提取每次或每隔固定里程数，电池系统内最高电压相同的充电末端电压；所述提取放电末端电压的具体方法为：提取每次或每隔一段时间，电池系统内最低电压相同的放电末端电压。

进一步的，所述步骤3的具体方法为：根据压差或标准差不同值之间的斜率，对电池系统性能衰减进行预警。

进一步的，所述步骤3的具体方法为：将压差或标准差制作成分布图，直接观察分布图趋势，对电池系统性能衰减进行预警。

进一步的，所述采集和处理电池系统的数值的方法为：根据电池系统采集的电压、电路和温度的数据，计算电池容量C，电池容量C的计算方法为： C＝充电前容量C0+充电容量C1，以容量或容量保持率为纵坐标，总里程为横坐标作图，得到电池容量衰减曲线。

步骤S1，计算C0：电池在开发阶段，做充放电循环测试，在循环测试的同时，每隔50周或100周，测试同一容量在不同温度下对应的电压，并不断调整容量比例，得到容量、温度、电压的矩阵，将循环周数折算成总公里数，即得到不同总公里数对应的，容量、温度、电压的矩阵，电动车充电前，根据BMS上传的电压，结合最接近其总里程的，循环测试时得到的容量、温度、电压矩阵，查找或计算得到C0；

计算C1：提取该次充电电压达到上限的充电电流、时间，用电流与时间积分，得到该次的充电容量C1，C1＝I1*(t2-t1)+I2*(t3-t2)+……+In* (tn-tn-1)，其中I为电流，t为时间；

每一次的充电容量C＝充电前容量C0+充电容量C1。

步骤S2，电动车运行时，每隔0.5km，计算一次容量和容量保持率，以容量或容量保持率为纵坐标，总里程为横坐标作图，得到电池容量衰减曲线，根据电池容量衰减曲线对电池系统性能衰减进行预警。

进一步的，所述采集和处理电池系统的数值的方法为：

步骤一：充电DCR＝恒流充电过程中，在某个选定的电压V0、电流I下，充电30s达到电压V1，则充电DCR＝(V1-V0)/I；

步骤二：用每次充电的充电DCR为纵坐标，总里程或时间为横坐标，可以得到DCR曲线，根据DCR曲线对电池系统性能衰减进行预警。

相对于现有技术，本发明所述的锂离子电池系统性能衰减的预警方法具有以下优势：

(1)本发明所述的锂离子电池系统性能衰减的预警方法，能够全面了解电池系统的全周期运行状况，及时识别快速衰退期并及时预警，使得工作人员能够根据电池的实际情况调整BMS策略、降低充电电流电压；或整包替换电池、将替下的电池进行梯次利用；无法进行梯次利用的，报废处理，避免发生安全事故。

(2)本发明所述的锂离子电池系统性能衰减的预警方法，预警准确性高，适用范围广，具有很强的推广性。

本发明创造的另一目的在于提出一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，以提供一种能够全面了解电池系统的全周期运行状况的方法。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，包括电连接分析方法。

进一步的，所述电连接分析方法为：对电池系统的所有串电压作图，横坐标为总里程或时间，当某一串电压波动较大时，说明存在电连接接触不良。

相对于现有技术，本发明创造所述的锂离子电池系统性能衰减的分析方法具有以下优势：

所述锂离子电池系统性能衰减的分析方法与上述锂离子电池系统性能衰减的预警方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的案例1行驶0.5wkm的充电末端电压；

图2为本发明实施例所述的案例1行驶4wkm的充电末端电压；

图3为本发明实施例所述的案例1行驶5wkm的充电末端电压；

图4为本发明实施例所述的不同电池系统的充电末端压差随总里程的变化；

图5为本发明实施例所述的案例1的系统压差和扣除离散两串后的压差变化；

图6为本发明实施例所述的不同电池系统的充电末端电压标准差随总里程的变化；

图7为本发明实施例所述的案例1的系统电压标准差和扣除离散两串后的标准差变化；

图8为本发明实施例所述的固定容量下不同温度对应的电压；

图9为本发明实施例所述的系统充放电循环测试时的容量保持率、总里程曲线；

图10为本发明实施例所述的30℃下不同电压对应的容量；

图11为本发明实施例所述的案例1的容量保持率随总里程的变化；

图12为本发明实施例所述的案例3的容量保持率随总里程的变化；

图13为本发明实施例所述的案例1在放电、充电过程中的电压曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

名词解释：

BMS：Battery manage systerm，电池管理系统。

SOC：State of charge，荷电状态，即电池的剩余容量；

OCV：Open circuit voltage，开路电压，电池在静置状态下的电压；

DCR：Directive current resistance，直流内阻。

电池系统由单体电池通过并联和串联的方式组成，并包含BMS。BMS可以控制电池的充放电，并采集、上传电池运行时的电压、电流、温度。下面以4个96串的电池系统为例，说明电池系统性能衰减的分析预警方法。

优选的，步骤1：在固定的电压范围，通过BMS提取充电末端电压与放电末端电压；充电末端电压是充电时BMS上传的最后一帧电压。提取每次或每隔固定里程数，电池系统内最高电压相同的充电末端电压；放电末端电压是放电时BMS上传的最后一帧电压。提取每次或每隔一段时间，电池系统内最低电压相同的放电末端电压；在实际情况中，放电末端电压难以做到每次都在同一电压，可以选择一个较小的电压范围。如提取每次最低电压达到3.0V～3.2V时的放电末端电压。通过将充电末端、放电末端电压可视化，可以识别电压离群的串数，以及离群的程度。对于有的电动车，并不总充电至满电，则可以规定提取每次充电至4.25V±0.03V的电压，或4.20V±0.03V，或4.15V±0.03V，……，只要每次提取的电压接近就可以。

案例1：如图1至图3所示，该系统经常充电至≥4.299V。每隔约0.5km，每当充电末端，单体最高电压≥4.299V，则提取本次充电末端的96串电池电压。最终可以每隔约0.5km，得到一个充电末端电压≥4.299V时的电压分布图。

图1为案例1中电池系统行驶0.5wkm的充电末端电压，此时充电末端电压一致性较好；图2为案例1中该电池系统行驶至4wkm时的充电末端电压，充电末端电压的一致性仍没有明显劣化；图3为案例1中该电池系统行驶至5wkm时的充电末端电压，从图中可看出，第70串和第81串充电末端电压明显低于其他串，导致电池系统的容量下降，即发生了明显劣化。

步骤2：计算提取到的充电末端电压的压差和标准差，制作分布图，直接观察压差、标准差的增长速率，从而判断电池系统是否开始加速衰减；

压差指电池系统的所有串，同一时刻的最高电压减去最低电压。标准差指电池系统的所有串的标准差。标准差的计算公式为现有技术，计算过程也为公知常识，再次不再赘述。将提取到的充电末端电压，计算压差和标准差。对于本系统，取压差为96串中的最高电压-最低电压。取标准差为96串电压的标准差。为了减少计算次数，每隔约0.5km计算一次压差、标准差。也可以每次充电到同样的电压都计算一次。计算数值如表1所示。

表1不同案例的充电末端压差、标准差

以压差为纵坐标，以总里程或时间为横坐标作图；并以标准差为纵坐标，以总里程或时间为横坐标作图。

如图4为不同电池系统的充电末端压差随总里程的变化，案例1的压差在0.5km～4wkm之间成线性增长，且保持恒定斜率；4wkm以后，压差所形成的点线斜率增大，说明电池系统开始加速衰减。案例2在约6.5wkm处开始加速衰减。案例3、案例4在0.5wkm～5wkm，压差所做的点线图斜率平稳增长，说明电池系统运行平稳。电池系统加速衰减的原因，有的是只有个别串的电池劣化，有的是大部分电池都出现了劣化，为了识别出大部分电池的劣化，可以将电压最高或最低的2串排除后再计算一遍压差、标准差，若发现增长的斜率仍然增大，则可判定为整个电池系统进入加速衰减。此时最好对电池系统做出干预。

如图5所示，案例1在4wkm处就出现了劣化迹象，将电压最低的70串、 81串扣除后，只计算其余94串的压差，发现在4.5wkm后，压差的增长斜率仍比之前更快，因此可以判断4.5wkm后，电池系统中的大部分电池都发生了劣化。通过计算标准差的变化规律，也能识别电池系统的衰减情况。区别在于，压差更容易识别个别电芯的异常，标准差更容易识别多个电芯的异常。

如图6所示，案例2使用标准差，在6wkm处就识别到了系统开始加速衰减，比使用压差识别到的更早。同时，即使不做分布图(分布图可直接观察斜率，更加直观)，仅通过计算不同值之间的斜率，也能识别到在固定里程内，压差、标准差的增长速率明显增加，同样可以判断出此时电池系统开始加速衰减。

优选的，计算电池容量，并制作容量衰减曲线；

电池系统直接采集上传的数据包含电压、电流、温度。电池容量是评价电池运行情况的关键数据，是计算后得到的数据，电池系统中并不直接提供。本专利也提供了电池容量的计算方法。将充电前的起始容量记为C0。C0的计算方法：电池在开发阶段，做充放电循环测试。在循环测试的同时，每隔 50周或100周，测试同一容量在不同温度下对应的电压，并不断调整容量比例，得到容量(SOC)、温度、电压的矩阵。将循环周数折算成总公里数，即得到不同总公里数对应的，容量(SOC)、温度、电压的矩阵。电动车充电前，根据BMS上传的电压，结合最接近其总里程的，循环测试时得到的容量(SOC)、温度、电压矩阵，查找或计算得到C0。

提取该次充电电压达到上限的充电电流、时间，用电流与时间积分，得到该次的充电容量C1。C1＝I1*(t2-t1)+I2*(t3-t2)+……+In*(tn-tn-1)，其中I为电流，t为时间。该次充电的总容量C＝C0+C1。

如案例1，电动车行驶至34848km时开始充电，温度为30℃，充电起始的最低单体电压为3.530V。表2为该电动车充电时的电流、电压数据。

表2电动车充电数据

时间(s)	状态	电流(A)	最高电压(V)	最低电压(V)
						静置	0	3.542	3.530
10	充电	-38	3.570	3.558
					20	充电	-38	3.587	3.571
30	充电	-112	3.695	3.561
					……	充电	……	……	……
t<sub>n-1</sub>	充电	-11	4.300	4.262
					t<sub>n</sub>	充电	-11	4.300	4.262
	静置	0	4.297	4.259

C1的计算方法：由表2中，BMS上传的电流与时间积分，得到 C1＝38(A)*10(s)/3600(s/h)+38(A)*10(s)/3600(s/h)+112(A)*10(s)/3600( s/h)+……+11(A)*10(s)/3600(s/h)+11(A)*10(s)/3600(s/h)＝93.76Ah。

C0的计算方法：该系统在研发阶段做充放电循环，得到容量保持率与循环次数的对应关系。根据车辆续航里程，可以计算得到总里程与容量保持率的对应关系。单次里程＝续航里程*容量保持率；截至第n次充放电，对应的总里程＝第1次里程+第2次里程+……+第n次里程。计算数据如表3。循环曲线如图8。

表3系统循环时的容量与里程换算表

	容量(Ah)	容量保持率(％)	单次里程(km)	总里程(km)
					1	110.0	99.91％	350	350
2	110.1	100.04％	350	700
					3	110.2	100.05％	350	1050
4	110.2	100.07％	350	1401
					5	110.2	100.06％	350	1751
6	110.1	100.03％	350	2101
					7	110.1	100.04％	350	2451
8	110.1	100.03％	350	2801
					……	……	……	……	……
947	91.2	82.84％	350	302734

每隔100周测一次不同容量、不同温度对应的OCV，100％SOC容量以25 ℃的容量为基准，测试温度条件为-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10 ℃、25℃、40℃、55℃。行驶3.5km时，大约相当于系统循环100次时的状态。。由于没有直接测试30℃的容量，可以由25℃、40℃时的容量、OCV 推导。表4为25℃、40℃时的容量-OCV表。

表4系统循环100次时(相当于3.5wkm)的容量-OCV表

该系统充电前的最低电压是30℃、3.530V，从表3找到涵盖3.530V的数据，得到用于计算C0的表5。

表5同一容量下的温度、电压

	5.4Ah	10.7Ah	16.1Ah
				25℃	3.5055V	3.5441V	3.5766V
40℃	3.3963V	3.4686V	3.5046V

以温度为横坐标、电压为纵坐标做点线图，如图8，表达式为Y＝aX+b。将X1＝25，Y1＝3.5441，X2＝40，Y2＝3.4686代入该表达式，计算得到容量为 10.7Ah的直线表达式为，Y＝-0.005*30+3.6699。同理，得到容量为16.1Ah 的直线表达式为，Y＝-0.0047X+3.6941。

令横坐标＝30，代入到2个方程式中，则10.7Ah对应的电压 A＝-0.005*30+3.6699＝3.5199V，16.1Ah对应的电压 B＝-0.0047*30+3.6941＝3.5531V。将得到的电压、所对应的容量整理成表6。

表6 30℃下不同电压对应的容量

点	电压	容量
			A	3.5199V	10.7Ah
B	3.5531V	16.1Ah

根据表6，以电压为横坐标、容量为纵坐标做点线图，代表30℃时，不同电压对应的容量，如图10。令横坐标＝3.530，得到该电动车充电前的容量C0＝162.65*3.530-561.81＝12.3Ah。

电池总容量C＝C0+C1＝12.34+93.76＝106.1(Ah)。电池的容量保持率＝电池容量C/出厂容量＝106.1(Ah)/110(Ah)≈96.5％。每隔0.5km，计算一次容量和容量保持率。以容量或容量保持率为纵坐标，总里程为横坐标作图，可得到电池的容量衰减曲线。当容量加速衰减时，说明电池系统进入加速劣化阶段。图11、图12分别为案例1、案例3的容量保持率曲线。从容量保持率看，案例1在约4wkm后开始加速衰减，而案例3在运行期内仍保持匀速衰减，表现平稳。该现象也与前边用压差、标准差曲线得到的电池性能一致。

优选的，计算直流内阻，并制作充电直流内阻增长曲线；充电DCR＝恒流充电过程中，在某个选定的电压V0、电流I下，充电30s达到电压V1，则充电DCR＝(V1-V0)/I。用每次充电的充电DCR为纵坐标，总里程或时间为横坐标，可以得到DCR的变化。当DCR加速增长时，说明电池系统进入加速劣化阶段。

一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，如表7和图13所示，包括电连接分析方法。

对电池系统的所有串电压作图，横坐标为总里程或时间。当某一串电压波动较大时，说明存在电连接接触不良的可能。实施例二，表4为车辆BMS 上传数据中，某次放电、充电的电压，共96串。图13为对96串电压做的放电曲线。从曲线可以得知，所有串的电压一致性较好，没有出现个别串的大的波动，电连接正常。

表7 96串电压的充放电数据

一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，如表5所示，包括工况分析方法。

不同的充放电电流、电压、温度会影响电池的衰减速度，不同的温湿度也会影响电池的密封耐久性。识别出关键的工况分析项目，可以对电池的衰减情况加以解释、改善。表7为电池工况分析的关键项目。快充：对于不同系统，快充、慢充的电流可以单独定义。通常，例如容量为107Ah的电池，充电起始电流≥107A属于快充，＜107A或使用充电桩充电(充电电流≤20A)，都属于慢充。

表8工况分析的内容及分析作用

分析内容	对电池性能的影响
		快慢充次数、比例	快充比例越高，电池衰减越快
充电截止电压在某个范围的次数、比例	充电截止电压越高，电池衰减越快
		放电截止电压在某个范围的次数、比例	放电截止电压越低，电池衰减越快
电池所处温度区间	过高、过低的温度都会导致衰减过快
		电池所处的环境温湿度统计	高温、高湿影响电池密封性、绝缘性

本方法能够使工作人员全面了解电池系统的全周期运行状况，并加以分析，及时识别快速衰退期、及时预警、及时处置。具体的为，识别出电池包整体衰减后，解决的办法通常是调整BMS策略、降低充电电流电压；或整包替换电池、将替下的电池进行梯次利用；无法进行梯次利用的，报废处理，避免发生安全事故。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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

1.一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：包括通过采集和处理电池系统的数值，对电池系统性能衰减进行预警的步骤。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述采集和处理电池系统的数值的方法为：

步骤2：计算提取到的充电末端电压的压差和标准差；

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述提取充电末端电压的具体方法为：提取每次或每隔固定里程数，电池系统内最高电压相同时，所有串的充电末端电压；所述提取放电末端电压的具体方法为：提取每次或每隔一段时间，电池系统内最低电压相同时，所有串的放电末端电压。

4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：根据压差或标准差不同值之间的斜率，对电池系统性能衰减进行预警。

5.根据权利要求3所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：将压差或标准差制作成分布图，直接观察分布图趋势，对电池系统性能衰减进行预警。

6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述采集和处理电池系统的数值的方法为：

步骤S1：根据电池系统采集的电压、电路和温度的数据，计算电池容量C，电池容量C的计算方法为：C＝充电前容量C0+充电容量C1；

C0计算方法：电池在开发阶段，做充放电循环测试，在循环测试的同时，每隔50周或100周，测试同一容量在不同温度下对应的电压，并不断调整容量比例，得到容量、温度、电压的矩阵，将循环周数折算成总公里数，即得到不同总公里数对应的，容量、温度、电压的矩阵。电动车充电前，根据BMS上传的电压，结合最接近其总里程的，循环测试时得到的容量、温度、电压矩阵，查找或计算得到C0；

C1计算方法：提取该次充电电压达到上限的充电电流、时间，用电流与时间积分，得到该次的充电容量C1，C1＝I1*(t2-t1)+I2*(t3-t2)+……+In*(tn-tn-1)，其中I为电流，t为时间，

则该次的总容量C＝C0+C1；容量保持率＝C/出厂容量；

步骤S2：电动车运行时，每隔0.5km，计算一次容量和容量保持率，以容量或容量保持率为纵坐标，总里程为横坐标作图，得到电池容量衰减曲线，根据电池容量衰减曲线对电池系统性能衰减进行预警。

7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池系统性能衰减的预警方法，其特征在于：所述采集和处理电池系统的数值的方法为：

8.一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，其特征在于：包括电连接分析方法。

9.根据权利要求8所述的一种锂离子电池系统性能衰减的分析方法，其特征在于：所述电连接分析方法为：对电池系统的所有串电压作图，横坐标为总里程或时间，当某一串电压波动较大时，说明存在电连接接触不良。