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锂离子电池组单体容量及健康状态在线测量系统及方法与流程

泰然健康网
2025-05-07 17:47

本发明涉及电池参数的测量，具体涉及锂离子电池管理系统及电芯单体容量在线测量及健康状态判断方法。

背景技术：

目前在新能源汽车上已经开始大规模使用锂离子动力电池。由于锂离子电池单体电芯的电压、功率、容量和能量等指标不可能达到实际应用需求，必须采用成组技术，将多节电池串联使用，以实现锂离子动力电池组乃至新能源汽车整车的性能指标。

容量是锂离子电池最重要的参数之一。容量是指电芯可对外放出的电荷总量。

容量是锂离子电池荷电状态stateofcharge(soc)的定义基础。soc一般定义为当前可用容量占总容量的百分比。可见，没有容量这一参数soc无法计算。

容量是锂离子电池组健康状态stateofhealth(soh)的判断依据。目前常用的soh计算方法为当前容量与初始容量的比较。soh可作为电芯是否达到使用寿命的衡量标准。当soh低于80％时，容量已经出现了较为显著的下降，而电芯内阻往往已经很大，功率性能stateofpower(sop)等其他性能也无法满足应用需要。因此，当电芯soh低于80％时，通常认为其已老化，达到使用寿命，需要进行更换。

同时，容量、soc、soh是锂离子电池其他内部重要状态量如sop，续驶里程等等的计算方法的重要参考量。

电芯厂商在电芯出厂时都会提供电芯的初始容量。然而随着新能源汽车的使用，电芯不断的进行充放电循环过程，容量会不可避免的出现衰减等变化。另一方面，由于电芯在材料和生产过程中的细微差别，以及在电池包中的不同位置和使用过程不一致等因素，可能造成电芯单体电芯容量之间出现较明显的区别。

如果不对初始容量进行调整，一方面，会造成soc，soh乃至以此为重要参考量的sop，续驶里程等状态量出现偏差，严重影响用户使用感受。另一方面，极易产生对于电池充入过量的电能，短时放出过量的电能，或者深度放电等现象，会进一步加剧电芯容量的衰减以及电池寿命的缩短，甚至造成严重的电芯内部发热，乃至热失控，爆炸起火等影响车辆和乘客安全的严重后果。

常见的锂离子电池容量测试方法为，gb/t31484-2015中规定的方法。具体解释如下：

容量测试方法:

a)以1i1(a)放电至企业规定的放电终止条件；

b)搁置不低于30min或企业规定的搁置时间(不高于1h)

c)以i1(a)电流恒流充电至企业规定的充电终止电压时转恒压充电，至充电终止电流降至0.05i1(a)时停止充电，充电后搁置1h(或企业规定的不高于1h的搁置时间)

d)搁置不低于30min或企业规定的搁置时间(不高于1h)；

e)以1i1(a)放电至企业规定的放电终止条件；

f)计算步骤e)放电容量

这种工况在实际使用过程中极难实现。车辆行驶过程中一般伴随着较为频繁的充放电过程，并且为保证电池寿命，在实际使用充放电过程中，对于电池的容量一般需要留有一定的余量，基本不可能出现从放电终止条件到达充电终止条件再放电至放电终止条件的情况。

另外由于锂离子电池单体电压、功率、容量和能量等较低，无法单独使用。一般都需要通过串联的方法组成电池组才可进行使用。而在串联电路中，每节电池所经过的电流电量一致。随着锂离子电池的老化，电芯单体的容量会逐渐出现差异。如果想要通过满充满放的方式，容易出现个别单体电芯容量已出现缩减，较为容易达到充放电终止条件，而此时其他电芯单体仍未达到的情况。由于电芯是以串联的方式，个别电芯达到终止条件，此时已经无法再进行充放电处理。因而，绝大部分电芯单体的容量将无法测量解析。

如果想以离线的方式使得新能源汽车用锂离子电池达到上述传统测量工况也是不现实的。

首先，锂离子电池往往密封在电池包中，要连接高压测量线束，往往需要将新能源汽车乃至电池包拆开。这个工作量将非常巨大，而且各家车企的新能源汽车结构各不相同，电池包的拆卸可能会非常困难。而且消费者也不一定会允许这样的操作。若考虑到单节电芯的容量测量，由于目前电池包可能有几十乃至数百节电池组成，其拆卸测量工作更是没有可能。

并且，即便克服各种困难达到上诉工况，对于锂离子电池来说，达到充放电终止条件的使用方法可能会带来电池寿命的缩减。

最后，这种方法还是一种离线的方法，如上诉所述原因不太可能进行，当然也无法经常使用，这将导致容量、健康状态等，无法在用户使用过程中，进行经常性测量和调整。因而会带来状态参数精度、寿命等方面的负面影响。

技术实现要素：

本发明的目的是为提供一种实现新能源汽车车用锂离子电池管理系统及电芯单体容量在线测量及健康状态判断方法。

本发明通过以下技术方案实现：锂离子电池管理系统，包括主控单元电芯传感监控单元以及电流传感器；所述电芯传感监控单元连接至锂离子动力电池组每节电芯并监控测量其端电压；所述电流传感器串联在锂离子电池组与电路主回路之间用于测量电路主回路中的母线电流；所述主控单元分别与电流传感器、电芯传感监控单元和汽车整车通信网络连接。主要功能为控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池组中电芯单体容量以及健康状态的计算、处理与发送。主控单元可以通过内部晶振或外部信号的获取时钟信号，即便电池管理系统下电后或休眠时，时钟仍能进行工作。

优选地，所述电芯传感监控单元内置前端芯片用以采集电池电芯单体的电压，保证采集的准确度和及时性。

容量是锂离子电池最重要的参数之一。容量是指电芯可对外放出的电荷总量。电芯soc(stateofcharge)即荷电状态，定义为当前剩余可用容量占总容量的百分比。即：

其中cremain为当前剩余的可用容量，ctotal为总容量。

对于两个时刻ta，tb则有：

两式相减，则有：

变化可得：

可见若有两个时刻ta、tb的电芯的soc准确值和两个时刻间发生的剩余容量变化，即可求的电芯容量。

锂离子电池电芯soc准确值可以基于其开路电压opencircuitvoltage(ocv)获取。ocv即锂离子电池电动势eb，与soc有非线性的准确对应关系。在锂离子电池的实际使用过程中，伴随充放电化学反应过程中，会出现极化现象影响，造成电池的端电压与ocv的差距较大，不可以直接用来计算soc。一般需要给锂离子电池提供一定的静置时间(优选的，不小于两小时)，消除极化反应的影响，获得ocv，进而计算soc。

式(2中两个时刻ta，tb间发生的剩余容量变化δc，即两个时间累积变化的电量，来源于这段时间内充放电电流。因而可以采取电流积分法，或称安时积分，获得δc。具体方法为对ta到tb间的电流值按时间积分：

其中，i(t)为瞬时电流。

锂离子电池管理系统的电池电芯单体内阻在线测量方法，设该电池包中锂离子电芯单体数为n，步骤如下：

步骤a)主控单元接收到启动信号并唤醒锂离子电池管理系统；

步骤b)通过时钟信号，读取并记录当前时间点t1；

步骤c)从内存中读取上次下电的时间点t0；

步骤d)主控单元根据t0，t1判断是否静置过足够长的时间；

步骤e)如果静置时间足够(优选的t1-t0应不小于两小时)，则电芯传感监控单元通过其内置的前端芯片测量每个电池单体电芯两端的电压，可作为单体开路电压ocv1～ocvn，并输出至主控单元；

步骤f)由于ocv与soc存在非线性对应关系，通过包括但不限于查表等方式，可获得电芯内部的soc1～socn值；

步骤g)令上一次成功采用a-f步骤获取soc的时刻为t内存，从内存中读取t内存时刻获取的各节单体电芯soclast1～soclastn；；

步骤h)判断soc是否发生足够的变化计算，优选的，电芯soc值与t内存时刻相比，应有30％以上的变化，即δsoc＝soc-soclast>30％，目的为进一步优化计算结果精度，减少计算误差；

步骤i)从内存中读取从t内存时刻到t1时刻的累计电流积分值δc；

步骤j)根据式(2，计算每节电芯单体容量cage1～cagen，cage＝δc/δsoc；

步骤k)计算每节电芯的健康状态soh1～sohn，根据公式soh＝cage/cnominal其中cnominal为单体电芯的初始容量；

步骤l)将上述cage1～cagen，soh1～sohn，储存并提供给其他模块用于新能源汽车性能的计算和调整，例如soc，sop，续航里程等。

步骤m)若某节电芯的soh，设sohx，低于一定的限值(优选的80％)，则应发出该节电芯序号x，soh过低的警报，建议进行相应的处理措施，例如更换电芯等，避免引起进一步的安全隐患。

优选地，所述步骤d中的电流传感器测量的母线电流是通过旁路电阻或者霍尔传感器测量得到的；用于保证母线电流测量的准确。

优选地，所述主控单元与汽车通信网络通过can总线的通讯方式连接；方便数据的快速采集和传输。

本发明由主控单元和电芯传感监控单元以及电流传感器组成；采用高低压分离的设计，与锂离子动力电池组每节电芯连接的电芯传感监控单元用于监控测量锂离子动力电池单体电芯的电压；串联在锂离子动力电池组与电路主回路之间的电流传感器用于测量电路主回路中的母线电流；所述主控单元分别与电流传感器、电芯传感监控单元和汽车整车通信网络连接，通过内部晶振或外部信号的获取时钟信号，即便电池管理系统下电后或休眠时，时钟仍能进行工作。主控单元主要功能为控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池组中电芯单体容量以及健康状态的计算、处理、发送乃至诊断警报。实现了电池单体电芯容量的在线测量，并在此基础上，进行电池电芯单体健康状态的诊断监测，为电池电芯的更换提供可靠的参考，能够更有效的监控锂离子动力电池组的性能和状态，为电池其他内部状态参数的计算提供重要基础，为汽车整车的策略提供重要的信息，保证车辆和驾乘人员的安全。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：1)可以实现直接在线测量电芯的容量和健康状态，无需拆卸，降低测量的条件，节省成本；2)每节电池电芯单体的容量和健康状态都能够被单独测量以供分析使用；3)测量得到的健康状态可以进行电池电芯老化和寿命诊断；4)在新能源车辆的生命周期内可以经常测量，保证电芯容量和健康状态的实时可监控，及时判断电池电芯可能已老化、达到使用寿命，以进行更换或者其他的处理措施，保证车辆和驾乘人员的安全；5)可有效甄别出老化电芯，进行精确更换，降低更换难度。6)精确甄别电芯后可进行老化电芯的精确更换，电池包其他部分包括其他所有电芯，仍然可以使用，相较于传统的整个电池包更换，能够极大降低成本。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明作进一步描述。

本发明通过以下技术方案实现：锂离子电池管理系统，包括主控单元电芯传感监控单元以及电流传感器。

所述电芯传感监控单元连接至锂离子动力电池组每节电芯并监控测量其端电压。所述电芯传感监控单元内置前端芯片用以采集电池电芯单体的电压，保证采集的准确度和及时性。

所述电流传感器串联在锂离子电池组与电路主回路之间用于测量电路主回路中的母线电流，所述电流传感器可基于旁路电阻或者霍尔传感器实时测量回路母线电流值并传输给主控单元。

所述主控单元分别与电流传感器、电芯传感监控单元和汽车整车通信网络连接。所述主控单元与整车通信网络通过can总线的通讯方式进行。主控单元主要功能为控制锂离子电池组的工作模式，数据的处理与储存，以及电池组中电芯单体容量以及健康状态的计算、处理与发送。主控单元可以通过内部晶振或外部信号的获取时钟信号，即便电池管理系统下电后或休眠时，时钟仍能进行工作。主控单元可根据电流传感器发送的信息和时钟信号，在时间点之间对电流值进行积分。所述主控单元可储存ocv与soc非线性对应关系、电芯初始容量cnominal等固定信息，以及下电时间，soc值、电流积分值等动态信息供容量和健康状态计算使用。

锂离子电池管理系统的电池电芯单体内阻在线测量方法，设该电池包中锂离子电芯单体数为n，步骤如下：

步骤a)主控单元接收到启动信号并唤醒锂离子电池管理系统；

步骤b)通过时钟信号，读取并记录当前时间点t1；

步骤c)从内存中读取上次下电的时间点t0；

步骤d)主控单元根据t0，t1判断是否静置过足够长的时间；

步骤f)由于ocv与soc存在非线性对应关系，通过包括但不限于查表等方式，可获得电芯内部的soc1～socn值；

步骤g)令上一次成功采用a-f步骤获取soc的时刻为t内存，从内存中读取t内存时刻获取的各节单体电芯soclast1～soclastn；

步骤i)从内存中读取从t内存时刻到t1时刻的累计电流积分值δc。电流积分值，是由电流传感器测量的母线电流，从时间段t内存到当前t1时刻，对于时间的积分。母线电流是基于电流传感器中的旁路电阻或者霍尔传感器测量得到的；

步骤j)计算每节电芯单体容量cage1～cagen，cage＝δc/δsoc；

锂离子电池管理系统的电池电芯单体健康状态测量方法，计算每节电芯的健康状态soh1～sohn，根据公式soh＝cage/cnominal其中cnominal为单体电芯的初始容量；若某节电芯的soh，设sohx，低于一定值(优选的80％)，则应发出该节电芯序号x，soh过低的警报，建议进行相应的处理措施，例如更换电芯等，避免引起进一步的安全隐患。将上述cage1～cagen，soh1～sohn，储存并提供给其他模块用于新能源汽车性能的计算和调整，例如soc，sop，续航里程等。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。