本發(fā)明涉及電池狀態(tài)檢測，尤其涉及一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，以鋰離子二次電池為代表的非水電解質(zhì)二次電池具有高能量密度，高循環(huán)壽命，高充放電倍率，高工作電壓等優(yōu)勢，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的首要選擇。

電動(dòng)汽車工作電壓高達(dá)300-500v，甚至更高。而鋰離子二次電池單體電壓只有三點(diǎn)幾伏，這就需要成百上千顆的電池串聯(lián)使用才能滿足要求，如此多的電池必然由于性能之間的差異影響動(dòng)力電動(dòng)汽車的性能，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致各種不良后果。

隨著電動(dòng)汽車的大量普及，電動(dòng)汽車的運(yùn)營維護(hù)檢測必然會(huì)成為需求，作為電動(dòng)汽車的核心部件之一的動(dòng)力電池會(huì)是維護(hù)檢測的重中之重，另外電動(dòng)汽車的二手車市場必然會(huì)興起，動(dòng)力電池占據(jù)著電動(dòng)汽車成本的40％-50％，對電池當(dāng)前性能與壽命分析成為必要的環(huán)節(jié)，而健康狀態(tài)(stateofhealth，soh)是對電池健康壽命狀態(tài)的表征，能反映電池的電量，能量，充放電功率等狀態(tài)，對健康狀態(tài)準(zhǔn)確的預(yù)測可使用戶充分了解電池當(dāng)前的狀態(tài)，根據(jù)底層條件作出維護(hù)決策，調(diào)整各項(xiàng)性能指標(biāo)，降低危險(xiǎn)系數(shù)，或者對其中性能不能滿足要求的單體電池進(jìn)行更換，降低使用成本。

現(xiàn)在電池soh的測試方法主要有①放電實(shí)驗(yàn)法；②內(nèi)阻法；③電化學(xué)阻抗分析法；④各種模型分析法等。但是這些檢測方法實(shí)際使用時(shí)均有缺點(diǎn)：

直接放電法：需要離線測試，對車用動(dòng)力電池來說實(shí)現(xiàn)困難，測試負(fù)載笨重，操作不方便，正常情況下，測試時(shí)間需要5～6個(gè)小時(shí)，測試時(shí)間過長。

內(nèi)阻法：經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，電池容量下降了原來的25％—30％時(shí)，電池內(nèi)阻才有明顯的變化，而此時(shí)，電池容量衰減一超過20％，按照標(biāo)準(zhǔn)，電池已經(jīng)不能再作為動(dòng)力電池使用，因此不適用于動(dòng)力電池的檢測要求。

電化學(xué)阻抗分析法：需要大量的數(shù)據(jù)采集與分析，還需要扎實(shí)的關(guān)于阻抗與阻抗譜的理論知識，另外檢測設(shè)備造價(jià)昂貴。

模型分析法：目前研究的模型不能很好的來表征soh，模型參數(shù)獲取復(fù)雜，運(yùn)算量太大，一般的車載微處理器ecu難以滿足要求。

電池健康狀態(tài)(soh)描述的是一個(gè)長期的變化，多數(shù)情況下不需要連續(xù)測量，只需要定期檢測就可以。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置，解決現(xiàn)在的檢測方法要么不適用，要么設(shè)備昂貴或者測試時(shí)間長，實(shí)現(xiàn)困難的缺陷。

技術(shù)方案

一種電池健康狀態(tài)檢測方法，其特征在于包括以下步驟：

i)確定電池當(dāng)前狀態(tài)的步驟；

ii)選取合適的電流倍率與充放電區(qū)間的步驟，依據(jù)電池的基本參數(shù)，選取充放電電流大小和充放電截止條件；

iii)按照選取的充放電區(qū)間對電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電壓測量模塊記錄充放電過程中的電壓值，電流測量模塊記錄電流值，以及進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)的時(shí)間；

iv)控制充放電電流相等，按照計(jì)算式r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)計(jì)算出充放電過程中充入的能量和放出的能量的能量損耗的表征內(nèi)阻，得到電池健康狀態(tài)階段，

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時(shí)間，t1為充放電開始時(shí)間。

進(jìn)一步，根據(jù)得到的表征內(nèi)阻，結(jié)合溫度傳感器讀取的電池充放電過程中的溫度信息t，從根據(jù)溫度參數(shù)、電池狀態(tài)參數(shù)和表征內(nèi)阻參數(shù)建立的電池健康狀態(tài)的參數(shù)數(shù)據(jù)庫表格中，查取得到當(dāng)前時(shí)刻電池的健康狀態(tài)。

進(jìn)一步，所述當(dāng)前狀態(tài)包括電池的荷電狀態(tài)或電池的開路電壓或端電壓，或者電池的功率、內(nèi)阻和電壓降。

進(jìn)一步，所述充放電截止條件為在開始充放電至結(jié)束充放電的一段時(shí)間內(nèi)，參數(shù)前后能進(jìn)行對比。

所述充放電截止條件采用根據(jù)電池的電壓降參數(shù)和電池當(dāng)前狀態(tài)電壓，選取充電截止電壓和放電截止電壓作為充放電截止條件。

進(jìn)一步，所述充放電實(shí)驗(yàn)采取先放電再充電的步驟或者先充電再放電的步驟。

一種應(yīng)用上述的電池健康狀態(tài)檢測方法的檢測裝置，其特征在于：包括控制器，控制器連接通信模塊，用于和待測電池的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，所述控制器還連接電流電壓表，用于測量待測電池在充放電實(shí)驗(yàn)中的充放電電流和電壓，控制器還連接有存儲(chǔ)器和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于檢測待測電池的溫度，存儲(chǔ)器用于記錄待測電池充放電實(shí)驗(yàn)中的各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、通信模塊傳送的待測電池的荷電狀態(tài)或開路電壓數(shù)據(jù)，溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所述控制器根據(jù)通信模塊從待測電池的電池管理系統(tǒng)得到的電池當(dāng)前狀態(tài)，顯示出當(dāng)前狀態(tài)值或者控制充放電裝置對待測電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電流電壓表將實(shí)驗(yàn)中檢測的數(shù)據(jù)傳送至控制器，控制器將數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)，并傳送至上位機(jī)或計(jì)算出表征內(nèi)阻值。

進(jìn)一步，所述電流電壓表包括電壓測量模塊和電流測量模塊。

有益效果

本發(fā)明的電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置通過計(jì)算電池各個(gè)soh階段的表征內(nèi)阻以及電池容量，能夠建立微循環(huán)表征內(nèi)阻與電池各個(gè)壽命階段容量及電池循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，由此就建立了直接以微循環(huán)表征內(nèi)阻表征鋰離子電池soh的方法與體系，使得檢測時(shí)間縮短，檢測方式簡化，能夠極大的推動(dòng)電池的檢測和維護(hù)的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的以表征內(nèi)阻表示的電池充電模型示意圖；

圖2為本發(fā)明的以表征內(nèi)阻表示的電池放電模型示意圖；

圖3為本發(fā)明的測試裝置示意圖；

圖4為本發(fā)明的測試流程示意圖；

圖5為本發(fā)明的對待測電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)的電流電壓隨時(shí)間變化的測試曲線示意圖；

圖6為本發(fā)明的待測電池的soh階段和循環(huán)次數(shù)與表征內(nèi)阻值的關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

現(xiàn)在對于電池的健康狀態(tài)檢測基本沒有很方便的檢測手段，即使是直接放電法，也通常都是需要對電池進(jìn)行滿充滿放電，耗時(shí)過長，實(shí)用性差，長時(shí)間的充放電，溫度變化大，導(dǎo)致結(jié)果誤差大，而且不太適用于正在使用中的車用電池。

本發(fā)明提出一種電池健康狀態(tài)檢測方法及裝置，是從汽車電池使用中不用拆下，便于售后市場服務(wù)商進(jìn)行檢測維護(hù)的角度發(fā)明一種針對二次電池健康狀態(tài)檢測的方法，力求方法簡單易操作，檢測時(shí)間短，能快速得出電池的健康狀態(tài)(soh)值。

本方法是從電池的能量損耗角度建立了模型，然后把能量損耗的原因稱為表征內(nèi)阻，即以表征內(nèi)阻表示電池內(nèi)部能量消耗的電阻，而電池內(nèi)部消耗的能量是能從充放電過程中充入的能量和放出的能量得到。具體模型如附圖1和附圖2所示，附圖1為以表征內(nèi)阻表示的電池充電模型示意圖，可以得到附圖2為以表征內(nèi)阻表示的電池放電模型示意圖，可以得到

充放電分別選取合適的區(qū)間，可以是電壓區(qū)間，可以是soc區(qū)間，也可以是其他合理的控制參數(shù)。圖中，表征內(nèi)阻為r(ω)；最大存儲(chǔ)容量為qmaxin(wh)，是外部充電裝置在對電池充電過程中消耗的總能量；最大放出容量為qmaxout(wh)，是電池在對外部電路放電過程中外部電路消耗的總能量；有效容量為qua(wh)，是電池在充電過程中所儲(chǔ)存的總能量。uc(t)是充電過程中電池兩端的電壓，udis(t)是放電過程中電池兩端的電壓。t1、t2分別為充電開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間；t3、t4分別為放電開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間；i和iout分別是充電電流和放電電流。

由附圖1可知，最大存儲(chǔ)容量qmaxin為有效容量qua與表征內(nèi)阻消耗能量之和；

由附圖2可知，最大放出容量qmaxout為有效容量qua與表征內(nèi)阻消耗能量之差；

如控制充放電電流相等，即如i＝iout，

聯(lián)立方程組：

解方程組可得：qmaxin-qmaxout＝i2r((t2-t1)+(t4-t3))……(1)

在方程(1)中加入充電最大能量qmaxin，放電的最大能量qmaxout，充放電電流i，充電時(shí)間與放電時(shí)間均可通過充放電儀器測量得到。由此，方程中唯一的未知量表征內(nèi)阻r就可以通過計(jì)算得到。

通過計(jì)算電池各個(gè)soh階段的表征內(nèi)阻r以及電池容量，并建立它們與電池充放電循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，就可以得到用充放電微循環(huán)表征內(nèi)阻r建立的關(guān)聯(lián)電池各個(gè)壽命階段容量的關(guān)系，而不再需要滿充滿放電的滿循環(huán)，由此就建立起了以表征內(nèi)阻表征鋰離子電池soh的方法與體系。

具體進(jìn)行電池健康狀態(tài)檢測的檢測方法，可以采用以下步驟，依照附圖4示意：

i)確定電池當(dāng)前狀態(tài)的步驟；當(dāng)前狀態(tài)包括電池的荷電狀態(tài)或電池的開路電壓或端電壓，或者電池的功率、內(nèi)阻和電壓降等；當(dāng)能從電池管理系統(tǒng)(bms)中讀取相關(guān)信息時(shí)，電池當(dāng)前狀態(tài)可以是電池的荷電狀態(tài)(soc)；如果沒法得到soc時(shí)，可以以電池的開路電壓、端電壓來表征電池當(dāng)前狀態(tài)，也可以是其他合理的參數(shù)來確定電池當(dāng)前狀態(tài)，因?yàn)閟oh是與電池當(dāng)前狀態(tài)緊密相關(guān)的，實(shí)驗(yàn)之前確定電池的當(dāng)前狀態(tài)是必須的。

ii)選取合適的電流倍率與充放電區(qū)間的步驟，依據(jù)電池的基本參數(shù)，選取充放電電流大小和充放電截止條件；充放電截止條件可以選取在開始充放電至結(jié)束充放電的一段時(shí)間內(nèi)，能進(jìn)行前后對比的參數(shù)的要求即可，如采用根據(jù)電池的電壓降參數(shù)和電池當(dāng)前狀態(tài)電壓，選取充電截止電壓和放電截止電壓作為充放電截止條件

iii)按照選取的充放電區(qū)間對電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電壓測量模塊記錄充放電過程中的電壓值，電流測量模塊記錄電流值，以及進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)的時(shí)間；充放電實(shí)驗(yàn)采取先放電再充電的步驟或者先充電再放電的步驟均可。

iv)控制充放電電流相等，按照計(jì)算式r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)計(jì)算出充放電過程中充入的能量和放出的能量的能量損耗的表征內(nèi)阻，得到電池健康狀態(tài)階段，

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時(shí)間，t1為充放電開始時(shí)間。

表征內(nèi)阻不止受電池當(dāng)前狀態(tài)的影響，溫度、充放電電流倍率大小等都會(huì)有所影響，得到表征內(nèi)阻值后，還要考慮電池歷史soh、溫度等的影響因子，綜合考慮后得到電池的soh。

v)測試之前，從同一批次電池中選取幾個(gè)電池提前在不同溫度、不同電池狀態(tài)測試得出表征內(nèi)阻值，并建立這一批電池對應(yīng)的soh值的參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并繪制如下表格1。

表格1

表格1說明：參數(shù)溫度、狀態(tài)和表征內(nèi)阻的梯度可以分為多份，理論上從分為一份到無窮大份都可行。不過從實(shí)際應(yīng)用中來考慮，參數(shù)分的份數(shù)越小，則數(shù)據(jù)越少，測試時(shí)間越短。此時(shí)可綜合考慮廠家規(guī)定的工作溫度區(qū)間，電池狀態(tài)工作區(qū)間，表征內(nèi)阻值的變化率，選取恰當(dāng)?shù)膮?shù)梯度，既減少了表格的數(shù)據(jù)量，又能滿足表格數(shù)據(jù)的完整性，制成表格1。如溫度選取-20～80℃，把溫度梯度分為100份，即每變化1攝氏度作為表格中溫度參數(shù)；電池狀態(tài)，如選取的是soc作為從狀態(tài)1到狀態(tài)n的參數(shù)，則在0～100％soc中每變化1％soc作為狀態(tài)變化梯度，或以端電壓為狀態(tài)參數(shù)的話，也可將工作電壓區(qū)間分成100份，用來作為電池狀態(tài)的表格參數(shù)；最后將電池的整個(gè)生命區(qū)間按照廠家給定的循環(huán)次數(shù)分為100份，如廠家給定的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)為1000次，則每標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)10次，測定一次表征內(nèi)阻值。表格中就有100個(gè)溫度參數(shù)，100個(gè)狀態(tài)參數(shù)，100個(gè)表征內(nèi)阻值參數(shù)，總共有106個(gè)soh值，數(shù)據(jù)庫的大小不到5m的數(shù)據(jù)量。

得到soh后，能對電池管理系統(tǒng)(bms)的控制進(jìn)行調(diào)整，如：充放電電流大小，充放電截止條件、充放電功率等。對電池組中的各個(gè)單體電池進(jìn)行一致性評估，對第三方服務(wù)商提供維護(hù)保養(yǎng)的建議，能剔除性能不能滿足要求的單體電池，提高電池組的性能。對二手車市場，得到soh后，能夠知道電池當(dāng)前健康狀態(tài)和性能，對二手車的評估提供有效的參考。

可以采用如附圖3所示意的裝置進(jìn)行檢測，裝置包括控制器，控制器連接通信模塊，用于和待測電池的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信連接，所述控制器還連接電流電壓表，用于測量待測電池在充放電實(shí)驗(yàn)中的充放電電流和電壓，控制器還連接有存儲(chǔ)器和溫度傳感器，所述溫度傳感器用于檢測待測電池的溫度，存儲(chǔ)器用于記錄待測電池充放電實(shí)驗(yàn)中的各種數(shù)據(jù)，包括電流、電壓、通信模塊傳送的待測電池的荷電狀態(tài)或開路電壓數(shù)據(jù)，溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)，所述控制器根據(jù)通信模塊從待測電池的電池管理系統(tǒng)得到的電池當(dāng)前狀態(tài)，顯示出當(dāng)前狀態(tài)值或者控制充放電裝置對待測電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，電流電壓表將實(shí)驗(yàn)中檢測的數(shù)據(jù)傳送至控制器，控制器將數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)器內(nèi)，并傳送至上位機(jī)或計(jì)算出表征內(nèi)阻值。所述電流電壓表包括電壓測量模塊和電流測量模塊。

附圖5為采用本發(fā)明的測試方法的一次測試數(shù)據(jù)，t0～t1階段調(diào)整soc，實(shí)際應(yīng)用中不需要這步驟，可以從通信模塊中讀取當(dāng)前待測電池的soc，或者從電流電壓表測量出開路電壓。從而定位當(dāng)前測試所處的階段。圖5中是選擇以調(diào)整后的soc數(shù)據(jù)作為電池的當(dāng)前狀態(tài)。

到t1時(shí)刻，測試開始，以電流ic對電池進(jìn)行充電，電流電壓表記錄充電過程中電池的電壓電流，控制器按照選取的充電區(qū)間進(jìn)行控制；到t2時(shí)刻充電結(jié)束，立即以電流idis放電，同樣，電流電壓表記錄放電過程中電池的電壓電流，控制器按照選取的放電區(qū)間進(jìn)行控制。其中，要求充放電電流大小一樣，即ic與idis的大小相等。

充放電微循環(huán)結(jié)束，從存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算表征內(nèi)阻。具體為

r表征＝(qc-qdis)/i2/(t3-t1)……(2)

其中：qc:充電過程中向電池充入的能量，qdis:放電過程中電池對外放出的有效容量，t3為充放電結(jié)束時(shí)間，t1為充放電開始時(shí)間，uc(t)::充電過程中電池兩端電壓，具體數(shù)據(jù)為圖5中t1～t2時(shí)間段的電壓，udis(t):放電過程中電池兩端電壓，具體數(shù)據(jù)為圖5中t2～t3時(shí)間段的電壓。

得到表征內(nèi)阻后，再結(jié)合溫度傳感器讀取的電池充放電過程中的溫度信息t，結(jié)合電池狀態(tài)和根據(jù)上述參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫表格中查取得到當(dāng)前時(shí)刻電池的健康狀態(tài)。

附圖6中展示的是部分結(jié)果，橫坐標(biāo)是表示電池的表征內(nèi)阻，是由式2計(jì)算出來的；左側(cè)縱坐標(biāo)為soh，是以電池當(dāng)前最大放電量與初始最大放電量的比值表示；右側(cè)縱坐標(biāo)是電池充放電的已循環(huán)次數(shù)。右坐標(biāo)軸中的循環(huán)次數(shù)是加速循環(huán)老化試驗(yàn)得到的，相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)也是加速老化試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。隨著電池的使用，電池逐漸老化，而表征內(nèi)阻值逐漸變大，電量變小。隨著表征內(nèi)阻的變大，soh逐漸變小，從圖中可知微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在對應(yīng)關(guān)系。故微循環(huán)表征內(nèi)阻值法來表征電池的健康狀態(tài)(soh)是切實(shí)可行的。

總結(jié)：從圖5中可知，實(shí)驗(yàn)過程為充電t1～t2,放電t2～t3，對應(yīng)的時(shí)間為第1000秒到第2000秒，測試方法總過程為16分鐘，耗時(shí)少；只需要對電池進(jìn)行預(yù)選的區(qū)間對電池充放電，實(shí)驗(yàn)方法簡單易行；電池充放電區(qū)間很小，可以小倍率充放電，電池發(fā)熱量小，表征內(nèi)阻值誤差小，且測試過程不會(huì)對降低電池性能；從圖6可知，微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在對應(yīng)關(guān)系，所以用微循環(huán)表征內(nèi)阻值來表征健康狀態(tài)(soh)是可行的。

本發(fā)明測試時(shí)間短，能快速得出電池的健康狀態(tài)。對數(shù)據(jù)的處理簡單，不需要高性能的微處理器。測試方法總過程耗時(shí)少；只需要對電池進(jìn)行預(yù)選的區(qū)間對電池充放電，實(shí)驗(yàn)方法簡單易行，后市場服務(wù)人員能快速掌握；電池充放電區(qū)間很小，可以小倍率充放電，電池發(fā)熱量小，表征內(nèi)阻值受溫度影響誤差小，且測試過程不會(huì)降低電池性能；微循環(huán)表征內(nèi)阻值與soh存在一定的對應(yīng)關(guān)系，所以可以直接采用微循環(huán)表征內(nèi)阻值來表征電池的健康狀態(tài)(soh)。

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