WO2018161935A1

WO2018161935A1 - 电池最小单体及系统有效容量、健康状态估算方法及装置

Info

Publication number: WO2018161935A1
Application number: PCT/CN2018/078409
Authority: WO
Inventors: 朱光海; 游祥龙; 张红涛; 周雪松; 李晓菲
Original assignee: 郑州宇通客车股份有限公司
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-09-13
Also published as: EP3594705A1; CN108572320B; EP3594705B1; EP3594705A4; CN108572320A

Abstract

一种电池最小单体及系统有效容量、健康状态估算方法及装置，对于健康状态估算方法，首先电池系统上电，确定在充电状态下，电池系统最小单体的初始荷电状态；然后在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；接着计算最小单体的有效容量、电池系统的有效容量和电池系统健康状态。本方法有效解决车辆电池最小单体有效容量、电池系统有效容量和电池系统健康状态估算不准确的问题。

Description

电池最小单体及系统有效容量、健康状态估算方法及装置

技术领域

本发明属于新能源汽车动力电池管理技术领域，具体涉及电池最小单体及系统有效容量、健康状态估算方法及装置。

背景技术

由于能源危机和环境污染压力，加快和培育新能源汽车发展，是推动汽车产业可持续发展的紧迫任务。随着国务院办公厅对《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》的发布，各个整车厂纷纷将新能源汽车的开发作为本公司业务的重要组成部分，并给予高度重视。新能源行业凭借自身优势，再加上国家部委针对新能源汽车新的补贴与优惠政策，新能源汽车已经取得了巨大的发展。

动力电池作为新能源汽车的关键核心零部件，是纯电动车辆的唯一动力源，在新能源汽车的发展和运营过程中起着不可替代的作用。动力电池的使用工况多变，环境复杂，地域适应性强，这些因素都是对电池寿命和健康状态的极大考验。准确预测电池的健康状态，对于预测电池老化程度、计算电池寿命，以及对于电池管理系统核心功能电池荷电状态(State of Charge，SOC)的计算和功率限制的计算都具有重要参考意义。另外电池健康状态(State Of Health，SOH)的计算，也是判断电池性能是否满足整车要求的重要标志，因此电池的健康状态评估不容无视。

由于电池健康状态计算比较复杂，在电池管理系统设计初期，很多市场车辆不具备此功能。随着电池健康状态和寿命重要性的凸显，电池管理系统设计都在研究电池健康状态计算方法。

目前，电池管理系统电池健康状态计算主要有如下两种：

1、基于循环次数：在实验室测试同一个供应商、同一批次、同一种电池类型电池的固有循环次数，将其作为基准值。在同一个供应商、同一批次、同一类型的动力电池的后续使用过程中，依靠电池管理系统记录电池的循环次数，电池的固有循环次数减去已经循环次数，再除以固有循环次数，得到电池当前健康状态。此电池健康状态的计算方法实用性不强，适用范围局限于统一供应商、同一类型、同一批次电池，并且该方法的基准循环次数测试在实验中获得，一般采用单体测试，测试条件也是模拟整车工况，和现实电池系统运营状况误差比较大；另外电池管理系统在累加电池系统循环次数时比较困难，尤其是对于混合动力系统，没有完整的充放电循环，累加误差也比较大。

2、基于内阻法计算：即电池系统在刚出厂时，计算出电池系统内阻，随着电池的使用，电池内阻会变化，依据电池内阻变化，来计算电池健康状态。采用此方法计算电池的健康状态，首先，电池内阻计算比较困难，受温度、充放电倍率等因素影响，误差比较大；另外即使求出内阻，也很难与电池系统健康状态推导出准确的对应关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池最小单体有效容量估算方法，用以解决现有技术中对于电池最小单体估算不准确的问题；本发明还提供一种电池系统有效容量估算方法，用以解决现有技术中对于电池系统有效容量估算不准确的问题；本发明还提供一种电池系统健康状态估算方法，用以解决现有技术中对于电池系统健康状态估算不准确的问题；本发明还提供一种电池系统健康状态估算装置，用以实现电池系统健康状态估算方法，解决现有技术中对于电池系统健康状态估算不准确的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种电池最小单体有效容量估算方法，包括如下步骤：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量。

进一步的，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。

本发明还提供一种电池系统有效容量估算方法，包括如下步骤：

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量；

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量。

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

进一步的，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。

本发明还提供一种电池系统健康状态估算方法，包括如下步骤：

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量；

根据电池系统的有效容量和最小单体的额定容量，计算电池系统健康状态。

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

进一步的，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

进一步的，所述电池系统的健康状态为：

其中，SOH为电池系统的健康状态，Q _s为电池系统的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量。

进一步的，还包括判断此次计算的电池系统的健康状态与上次计算的电池系统的健康状态之间的差异是否大于设定值的步骤，若大于则舍去本次计算。

本发明还提供了一种电池最小单体有效容量估算装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

本发明还提供了一种电池系统有效容量估算装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

进一步的，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

本发明还提供了一种电池系统健康状态估算装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

进一步的，所述最小单体的有效容量为：

进一步的，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

进一步的，所述电池系统的健康状态为：

本发明的有益效果：

本发明的电池最小单体有效容量估算方法，可以较准确地计算出电池最小单体的有效容量。

本发明的电池系统有效容量估算方法，基于木桶的短板效应，选定最小单体为研究对象，通过计算最小单体的有效容量进而推算出电池系统的有效容量，避免了因选定对象不准确而导致计算有效容量不能反映系统真实状态的问题。

本发明的电池系统健康状态估算方法，基于上述电池系统的有效容量的估算方法，更直观的反映电池的衰减程度和健康状态，有效解决车辆电池系统的健康状态估算不准确的问题，克服基于内阻法和循环次数法计算电池健康状态的缺点。

本发明的电池系统健康状态估算装置，用于实现电池系统健康状态估算方法，有效解决车辆电池系统的健康状态估算不准确的问题，克服基于内阻法和循环次数法计算电池健康状态的缺点。

附图说明

图1是本发明的电池系统健康状态估算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。

本发明的电池最小单体有效容量估算方法实施例：

整个电池系统是由电池单体串联组成的。电池系统上电后，首先判断电池系统是否处于充电状态，若为非充电状态，则摒弃此次计算；若为充电状态，选择电池系统的最小单体为研究对象来计算最小单体的有效容量。

系统的最小单体是依据单体电压来判断的。在整个系统应用过程中，电芯个体表现出来的电势就是单体电压，单体电压有使用范围，磷酸铁锂在2.5-3.65伏之间，若是某个单体电池的电压小于2.5伏，那么整个系统就不能使用。

在计算最小单体的有效容量时，首先确定电池系统最小单体的初始荷电状态SOC ₁，然后在电池系统充满电时，确定最小单体充电结束时刻的荷电状态SOC ₂，并统计充电时间内的充电容量Q ₁，再依据电池系统最小单体的额定容量Q _n，可得到最小单体的有效容量Q _d：

行车过程中由于SOC估算误差，不能以当时系统显示的SOC作为最小单体的真实SOC，需要对电池系统的最小单体的SOC进行矫正，另作精确估算。可采用开路电压查表法来确定电池系统最小单体的真实SOC。为实现SOC与开路电压(Open Circuit Voltage，OCV)准确地对应，本实施例中要求停机时间大于10分钟，以2分钟为间隔，在这个条件下，做SOC与OCV的对应关系表。

为获得更为准确的SOC值，在使用开路电压法时，电池最小单体的电压值必须是稳定的值，即当前时刻测得的电池最小单体的开路电压值须是将电池静置一段时间后测得的开路电压值。所以在本实施例中，在依据开路电压法来确定初始荷电状态SOC ₁之前需判断停机时间是否大于10分钟，以确保在没有负载的情况下来保证开路电压OCV和SOC准确地对应。若小于10分钟，则电池管理系统请求暂停充电10分钟。同理，在依据开路电压法来确定最小单体充电结束时刻的荷电状态SOC ₂之前，也须是在电池充满电后电池系统停机10分钟的状态下。若小于10分钟，电池管理系统请求暂停充电10分钟。

另外，因为在不同的温度条件下，同一块电池的有效容量也会发生很大变化，因此本发明在对电池的荷电状态SOC进行判断时，是基于同一温度的条件下计算得到的。而且，电池的额定容量同样受温度的影响，因此电池系统最小单体的额定容量，也必须是与计算SOC时相同的温度条件下的额定容量。

需注意的是，若在充电过程中未充满，放弃本次计算。

上述在确定电池系统最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态时，均使用开路电压法来确定，使得电池最小单体的荷电状态比较准确，从而较准确地计算出电池最小单体的有效容量。

本发明的电池系统有效容量估算方法实施例：

所谓电池系统有效容量，是指整个电池组在特定温度下可以使用的容量。本发明的电池系统有效容量估算方法是在上述介绍的电池最小单体有效容量估算方法的基础上，来对电池系统的有效容量进行估算。

系统有效容量是基于最小单体有效容量考虑，原因是电源系统在使用过程中，基于木桶的短板效应，会依据最小单体的容量结束寿命。所以，计算出最小单体的有效容量后，需要去掉一致性影响，即：

Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。

则电池系统的有效容量Q _s为：

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态。

本发明的电池系统健康状态估算方法实施例：

电池的健康状态SOH是电池管理系统的核心算法。本发明的电池系统健康状态估算方法主要基于系统的有效容量，来计算整个电池系统健康状态。如图1所示为本发明的SOH估算方法流程图。

在上述推算出电池系统有效容量的基础上，再根据电池最小单体的额定容量，便可最终计算出电池系统的健康状态。电源系统是由电芯串联组成，电芯的保护使用也是依据最小单体参数来定的，依据木桶效应，当最小单体寿命结束时，整个电源系统也不能再使用。

则电池系统的健康状态为：

其中，SOH为电池系统的健康状态，Q _s为电池系统的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，Q ₁为充电容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态。

计算出系统的健康状态SOH后，需要对输出结果进行核实。考虑到因系统最小单体有问题，计算结果肯定误差很大，需要排除。比如，电源系统SOH是循序渐进变化的，不会有大幅跳变，若是本次计算SOH与上次存储SOH差别大于3个点，则舍去本次计算。

为实现上述介绍的电池最小单体有效容量估算方法，电池系统有效容量估算方法，以及电池系统健康状态估算方法，本发明相应提供了一种电池最小单体有效容量估算装置，一种电池系统有效容量估算，以及一种电池系统健康状态估算装置，每个装置皆包括存储器和处理器，存储器中存储有指令，用于将其对应的方法代码化，以在处理器执行存储器中的指令时，能够实现对应的方法。对这三种方法的介绍已足够清楚，对这些装置不再赘述。

下面结合一具体例子来对本发明作进一步的解释。

某新能源客车，磷酸铁锂电源系统额定容量为100AH。

1)电池系统上电开机，记录电池最小单体为1号单体电池。开机后检测到为充电状态下，判断停机时间是否大于10分钟，在停机时间大于10分钟的情况下，测得此时的开路电压，依据开路电压查表法，对应查表获得初始时刻1号单体电池的荷电状态，对应为SOC ₁＝20％。

2)在电池系统充满电的情况下，电池管理系统请求停机10分钟，在停机10分钟后，测得此时开路电压，再依据开路电压查表法，对应查表获得充电结束时刻1号单体电池的荷电状态，对应为SOC ₂＝98％。

3)依据上述测得的量，计算1号单体电池的有效容量Q _d：

至此，电池的最小单体的有效容量计算完毕。

若需计算电池系统的有效容量，在上述计算的基础上，再根据最小单体在充电结束时刻的荷电状态SOC ₂和电池最小单体的额定容量Q _n，便可推算出电池系统的有效容量Q _s，即：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)＝96.25-100*(1-98％)＝94.25AH

至此，电池系统的有效容量计算完毕。

若需计算电池系统的健康状态，在上述计算的基础上，再根据电池最小单体的额定容量Q _n，便可推算出电池系统的健康状态SOH，即：

同理，可以计算三元电池的SOH，以及插电式电源系统的SOH。

Claims

一种电池最小单体有效容量估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量。
根据权利要求1所述的电池最小单体有效容量估算方法，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求1或2所述的电池最小单体有效容量估算方法，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
一种电池系统有效容量估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量；

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量。
根据权利要求4所述的电池系统有效容量估算方法，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求4所述的电池系统有效容量估算方法，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求4～6任一项所述的电池系统有效容量估算方法，其特征在于，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
一种电池系统健康状态估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量；

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量；

根据电池系统的有效容量和最小单体的额定容量，计算电池系统健康状态。
根据权利要求8所述的电池系统健康状态估算方法，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求8或9所述的电池系统健康状态估算方法，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求8或9所述的电池系统健康状态估算方法，其特征在于，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求8或9所述的电池系统健康状态估算方法，其特征在于，所述电池系统的健康状态为：

其中，SOH为电池系统的健康状态，Q _s为电池系统的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量。
根据权利要求8或9所述的电池系统健康状态估算方法，其特征在于，还包括判断此次计算的电池系统的健康状态与上次计算的电池系统的健康状态之间的差异是否大于设定值的步骤，若大于则舍去本次计算。
一种电池最小单体有效容量估算装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量。
根据权利要求14所述的电池最小单体有效容量估算装置，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求14或15所述的电池最小单体有效容量估算装置，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
一种电池系统有效容量估算装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量；

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量。
根据权利要求17所述的电池系统有效容量估算装置，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求17所述的电池系统有效容量估算装置，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求17～19任一项所述的电池系统有效容量估算装置，其特征在于，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
一种电池系统健康状态估算装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令实现下方法：

电池系统上电，确定在充电状态下时电池系统最小单体的初始荷电状态；

在电池系统充满电时，确定最小单体在充电结束时刻的荷电状态，并统计最小单体的充电容量；

根据最小单体的初始荷电状态、充电结束时刻的荷电状态、充电容量和最小单体的额定容量，计算最小单体的有效容量；

根据最小单体的有效容量、最小单体的额定容量和最小单体在充电结束时刻的荷电状态，计算电池系统的有效容量；

根据电池系统的有效容量和最小单体的额定容量，计算电池系统健康状态。
根据权利要求21所述的电池系统健康状态估算装置，其特征在于，所述最小单体的初始荷电状态和在充电结束时刻的荷电状态均根据开路电压法来确定。
根据权利要求21或22所述的电池系统健康状态估算装置，其特征在于，所述最小单体的有效容量为：

其中，Q _d为最小单体的有效容量，Q ₁为充电容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₁为最小单体的初始荷电状态，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求21或22所述的电池系统健康状态估算装置，其特征在于，所述电池系统的有效容量为：

Q _s＝Q _d-Q _n*(1-SOC ₂)

其中，Q _s为电池系统的有效容量，Q _d为最小单体的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量，SOC ₂为最小单体在充电结束时刻的荷电状态。
根据权利要求21或22所述的电池系统健康状态估算装置，其特征在于，所述电池系统的健康状态为：

其中，SOH为电池系统的健康状态，Q _s为电池系统的有效容量，Q _n为最小单体的额定容量。
根据权利要求21或22所述的电池系统健康状态估算装置，其特征在于，还包括判断此次计算的电池系统的健康状态与上次计算的电池系统的健康状态之间的差异是否大于设定值的步骤，若大于则舍去本次计算。