锂电池健康度评估方法及系统.pdf
1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010790412.5 (22)申请日 2020.08.07 (71)申请人 国网陕西省电力公司汉中供电公司 地址 723000 陕西省汉中市汉台区天汉东 路 申请人 国网陕西省电力公司电力科学研究 院 国网陕西省电力公司 国家电网有限公司 (72)发明人 李程吕思濛郭磊赵学风 刘子瑞廖强强师雅斐王友平 李志忠王博李义仓鲍磊 马立军豆河伟金维陈晓丽 穆菲 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 马贵香 (51)Int.Cl. G01R 31
2、/3842(2019.01) G01R 31/392(2019.01) (54)发明名称 一种锂电池健康度评估方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种锂电池健康度评估方法， 将电池的健康度与充或放电过程中ICA曲线最大 峰高降幅程度Hmax进行对比， 分析不同电池健 康度与对应的容量增量曲线最大峰高降幅程度 Hmax之间的相关性， 对样本电池进行容量标定， 计算样本电池的健康度值， 根据样本电池在健康 度值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制 HmaxSOH拟合曲线， 采集待检测电池模组充或放 电过程中电压平台段的工作电压曲线计算待检 测电池模组容量增量曲线中最大峰高降幅程度 Hmax值，
3、 根据HmaxSOH拟合曲线可得到与待检 测电池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax 值对应的健康度值， 实现待检测电池模组健康度 的快速评估， 提高储能电站或者动力电池系统的 安全运维水平， 本发明方法简单， 检测速度快， 准 确度高。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 111948546 A 2020.11.17 CN 111948546 A 1.一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 步骤1)、 根据样本电池的充放电电压数据获取样本电池的容量增量曲线中的最大峰高 降幅程度Hmax值； 步骤2)、 对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而计算
4、样本电池的健 康度值； 步骤3)、 根据样本电池在健康度值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制Hmax-SOH 拟合曲线； 步骤4)、 采集待检测电池模组充或放电过程中电压平台段的工作电压曲线计算待检测 电池模组容量增量曲线中最大峰高降幅程度Hmax值， 根据Hmax-SOH拟合曲线可得到与待 检测电池模组容量增量曲线中最大峰高降幅程度Hmax值对应的健康度值， 实现待检测电 池模组健康度的快速评估。 2.根据权利要求1所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 在充或放电过程中 通过电池管理系统采集样本电池的充放电电压数据。 3.根据权利要求1所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在
5、于， 采用样本电池每次 循环结束容量标定时获得的电池电压数据计算电池容量增量曲线。 4.根据权利要求1或3所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 1)、 提取循环结束时样本电池容量标定电压及容量数据； 2)、 将获取的容量标定电压等间隔分割， 计算每个间隔段的容量数据； 3)、 根据每个间隔段的容量数据， 利用微分函数计算得到容量初步值， 然后通过五点平 滑法将容量初步值进行滤波去除噪音可得差分容量， 根据电池初始容量以及得到的差分容 量即可获取容量增量曲线； 4)、 在容量增量曲线中对ICA曲线中充电过程中的最大峰或者放电过程中的最大峰高 降幅程度Hmax值进行计算： HmaxHin
6、itial-H (2)。 5.根据权利要求4所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 将容量标定电压数 据分割为5mV的间隔段,同时获得每个间隔段对应容量数据， 使用微分函数处理容量数据， 可得容量初步值使用五点平滑法将容量初步值进行滤波去除噪音可得差分容量 将差分容量带入公式(1)可得微分容量值使用Origin函数绘制图即可 获得容量增量曲线： Q-电池容量(Ah)； V-电池电压(V)； dQ/dV-微分容量(AhV-1)； QBOL-电池初始容量； Q/ V-差分容量(AhV-1)； Qt-第t时刻的电池容量(Ah)； Vt-第t时刻的电池电压(V)； Qt-1-第 t-1时刻的电
7、池容量(Ah)； Vt-1-第t-1时刻的电池电压(V)。 6.根据权利要求1所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 样本电池的SOH值 权利要求书 1/2 页 2 CN 111948546 A 2 为： 7.根据权利要求1所述的一种锂电池健康度评估方法， 其特征在于， 样本电池由n个电 池单元串联而成的不同可用容量的电池模组。 8.一种锂电池健康度评估系统， 其特征在于， 包括电池电压数据采集模块、 容量增量曲 线拟合模块、 电池健康度标定模块和控制模块； 电池电压数据采集模块用于采集样本电池的充放电电压数据， 并将采集的样本电池的 充放电电压数据反馈至容量增量曲线拟合模块； 容量增
8、量曲线拟合模块根据获取的样本电池的充放电电压数据绘制容量增量曲线并 得到最大峰高降幅程度Hmax值； 电池健康度标定模块用于对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而 得到样本电池的SOH值； 控制模块用于根据样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制Hmax- SOH拟合曲线， 将待检测电池模组充或放电过程容量增量曲线中最大峰高降幅程度Hmax值 输入到控制模块， 即可得到与待检测电池模组容量增量曲线中最大峰高降幅程度Hmax值 对应的SOH值， 实现待检测电池模组健康度的快速评估。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111948546 A 3 一种锂电池健康度评
9、估方法及系统 技术领域 0001 本发明涉及电池运维技术， 特别涉及一种锂电池健康度评估方法及系统。 背景技术 0002 日益严重的能源危机和环境恶化成为了全球性问题， 储能电站和电动汽车在降低 污染物排放以及缓解化石能源危机方面具有显著潜力， 因此全球许多国家通过财政激励以 及政策扶持大力推动电池技术的发展。 无论是大规模电池储能电站还是电动汽车电池系 统， 在运行一段时间以后， 电池之间的不一致性逐渐凸显。 低成本、 快速地在线检测电池的 健康度是储能电站和动力电池系统运维人员非常关注的核心技术。 0003 国内外对估算电池健康度(SOH， State of Health， )的方法做了大
10、量研究。 Lai等 人研究了大规模退役电池串联充电曲线的特点， 建立了神经网络模型， 通过所建模型可以 批量估算电池单元的容量。 Zheng等人从基于SOC的IC/DV曲线中提取可能由电池管理系统 容易识别的三个特征点， 然后量化特征点与SOC/容量之间的关系并应用于车载电池容量估 算， 研究结果对于电池容量估计可以实现2.0的相对误差。 一般电池模组都为多芯串并联 模组电池， 因为时间使用久了， 会出现电池的容量下降的现象， 而且电池之间容量下降的程 度是不一样的， 从而凸显了电池之间的不一致性。 而对电池的健康度在线快速评估是一件 亟待解决的难题。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供
11、一种锂电池健康度评估方法及系统， 以克服现有技术的不 足。 0005 为达到上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0006 一种锂电池健康度评估方法， 包括以下步骤： 0007 步骤1)、 根据样本电池的充放电电压数据获取样本电池的ICA曲线中的最大峰高 降幅程度Hmax值； 0008 步骤2)、 对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而计算样本电池 的SOH值； 0009 步骤3)、 根据样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制Hmax- SOH拟合曲线； 0010 步骤4)、 采集待检测电池模组充或放电过程中电压平台段的工作电压曲线计算待 检测电池模组ICA
12、曲线中最大峰高降幅程度Hmax值， 根据Hmax-SOH拟合曲线可得到与待 检测电池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值对应的SOH值， 即可实现待检测电池模 组健康度的快速评估。 0011 进一步的， 在充或放电过程中通过电池管理系统采集样本电池的充放电电压数 据。 0012 进一步的， 采用样本电池每次循环结束容量标定时获得的电池电压数据计算电池 说明书 1/6 页 4 CN 111948546 A 4 容量增量曲线。 0013 进一步的， 1)、 提取循环结束时样本电池容量标定电压及容量数据； 0014 2)、 将获取的容量标定电压等间隔分割， 计算每个间隔段的容量数据； 0015
13、 3)、 根据每个间隔段的容量数据， 利用微分函数计算得到容量初步值， 然后通过五 点平滑法将容量初步值进行滤波去除噪音可得差分容量， 根据电池初始容量以及得到的差 分容量即可获取容量增量曲线； 0016 4)、 在容量增量曲线中对ICA曲线中充电过程中的最大峰或者放电过程中的最大 峰高降幅程度Hmax值进行计算： 0017 HmaxHinitial-H (2)。 0018 进一步的， 将容量标定电压数据分割为5mV的间隔段,同时获得每个间隔段对应容 量数据， 使用微分函数处理容量数据， 可得容量初步值使用五点平滑法将容量初步值 进行滤波去除噪音可得差分容量将差分容量带入公式(1)可得微分容量
14、值 使用Origin函数绘制图即可获得容量增量曲线： 0019 0020 Q-电池容量(Ah)； V-电池电压(V)； dQ/dV-微分容量(AhV-1)； QBOL-电池初始容量； Q/V-差分容量(AhV-1)； Qt-第t时刻的电池容量(Ah)； Vt-第t时刻的电池电压(V)； Qt-1-第t-1时刻的电池容量(Ah)； Vt-1-第t-1时刻的电池电压(V)。 0021进一步的， 样本电池的SOH值为： 0022 进一步的， 样本电池由n个电池单元串联而成的不同可用容量的电池模组。 0023 一种锂电池健康度评估系统， 包括电池电压数据采集模块、 容量增量曲线拟合模 块、 电池健康度
15、标定模块和控制模块； 0024 电池电压数据采集模块用于采集样本电池的充放电电压数据， 并将采集的样本电 池的充放电电压数据反馈至容量增量曲线拟合模块； 0025 容量增量曲线拟合模块根据获取的样本电池的充放电电压数据绘制ICA曲线并得 到最大峰高降幅程度Hmax值； 0026 电池健康度标定模块用于对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而得到样本电池的SOH值； 0027 控制模块用于根据样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制 Hmax-SOH拟合曲线， 将待检测电池模组充或放电过程ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值 输入到控制模块， 即可得到与待检测电
16、池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值对应的 SOH值， 实现待检测电池模组健康度的快速评估。 0028 与现有技术相比， 本发明具有以下有益的技术效果： 说明书 2/6 页 5 CN 111948546 A 5 0029 本发明一种锂电池健康度评估方法， 将电池的健康度与充或放电过程中ICA曲线 最大峰高降幅程度Hmax进行对比， 分析不同电池健康度与对应的容量增量曲线最大峰高 降幅程度Hmax之间的相关性， 对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而 计算样本电池的健康度值， 根据样本电池在健康度值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值 绘制Hmax-SOH拟合曲线， 采集
17、待检测电池模组充或放电过程中电压平台段的工作电压曲 线计算待检测电池模组容量增量曲线中最大峰高降幅程度Hmax值， 根据Hmax-SOH拟合曲 线可得到与待检测电池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值对应的健康度值， 实现待 检测电池模组健康度的快速评估， 提高储能电站或者动力电池系统的安全运维水平， 本发 明方法简单， 检测速度快， 准确度高。 0030 进一步的， 根据电池管理系统实时采集电池充放电过程中的工作电压， 不需要额 外采集， 不增加工作量， 方法简单可靠。 0031 本发明一种锂电池健康度评估系统， 结构简单， 通过本发明能够快速实现电池SOH 的快速评估， 提高大型储能
18、电站或动力电池系统的安全运维水平。 附图说明 0032 图1本发明实施例中电池模组内各电池单元连接结构示意图。 0033 图2为本发明实施例中不同可用容量的电池模组充放电曲线。 0034 图3本发明实施例中不同可用容量的电池模组充放电过程中的平台电压数据转化 成的ICA曲线图。 0035 图4本发明实施例中充电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax值-SOH拟合 曲线关系。 0036 图5本发明放电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax值-SOH拟合曲线关 系。 具体实施方式 0037 下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 0038 一种锂电池健康度评估方法， 包括以下步骤： 003
19、9 步骤1)、 获取样本电池充放电电压数据； 0040 样本电池由n个电池单元串联构成， 如图1所示； 这里电池单元可以是一个电芯， 也 可以是一组并联电芯。 在充(放)电过程中通过电池管理系统采集样本电池的充放电电压数 据(即样本电池的工作电压)； 本申请直接利用充放电过程中的平台电压数据。 0041 步骤2)、 根据样本电池的充放电电压数据获取样本电池的ICA曲线中的最大峰高 降幅程度Hmax值； 0042 样本电池的ICA曲线中的最大峰高降幅程度Hmax值的计算过程如下： 0043 采用样本电池每次循环结束容量标定时获得的电池电压数据计算电池容量增量 曲线， 计算公式如(1)所示， 其中
20、QBOL表示电池初始容量。 在锂离子电池中由于在较短的取样 时间内电压变化可能为0， 造成容量增量曲线出现断点， 所以在分析电池容量增量曲线时， 相邻取样点的电池电压差统一设置为5mV。 具体数据处理如下： 0044 1)、 提取循环结束时样本电池容量标定电压及容量数据； 说明书 3/6 页 6 CN 111948546 A 6 0045 2)、 将获取的容量标定电压等间隔分割， 计算每个间隔段的容量数据； 0046 3)、 根据每个间隔段的容量数据， 利用微分函数计算得到容量初步值， 然后通过五 点平滑法(Matlab中Smooth函数)将容量初步值进行滤波去除噪音可得差分容量， 根据电池
21、初始容量以及得到的差分容量即可获取容量增量曲线； 0047 具体的， 以充电电压数据为例， 将提取的充电电压数据导入Origin软件， 使用 Origin中数学分析插值函数将容量标定电压数据分割为5mV的间隔段,同时获得每个 间隔段对应容量数据， 使用Origin中微分函数处理第二步获得的容量数据， 可得容量初步 值使用五点平滑法(Matlab中Smooth函数)将初步值进行滤波去除噪音可得差分 容量将差分容量带入公式(1)可得微分容量值使用Origin函数绘制 图即可获得容量增量曲线。 0048 0049 Q-电池容量(Ah)； V-电池电压(V)； dQ/dV-微分容量(AhV-1)； Q
22、BOL-电池初始容量； Q/V-差分容量(AhV-1)； Qt-第t时刻的电池容量(Ah)； Vt-第t时刻的电池电压(V)； Qt-1-第t-1时刻的电池容量(Ah)； Vt-1-第t-1时刻的电池电压(V)。 0050 4)、 在容量增量(ICA)曲线中， 横坐标为工作电压， 纵坐标为容量增量， 对ICA曲线 中充电过程中的最大峰或者放电过程中的最大峰高降幅程度Hmax值进行计算： 0051 HmaxHinitial-H (2)。 0052 步骤3)、 对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 进而计算样本电池 的SOH值， 0053 样本电池由n个电池单元串联而成的不同可用容量
23、的电池模组； 0054 步骤4)、 重复步骤1)至步骤2)， 得到样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度 Hmax值， 根据样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制Hmax-SOH拟合曲 线； 0055 步骤5)、 采集待检测电池模组充(放)电过程中电压平台段的工作电压曲线， 进行 待检测电池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值的计算， 再根据步骤4)中得到的 Hmax-SOH拟合曲线获取待检测电池模组中ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值所对应的 SOH值， 即可实现待检测电池模组健康度的快速评估。 0056 一种锂电池健康度评估系统， 包括电池电压数据采集模块、
24、 容量增量曲线拟合模 块、 电池健康度标定模块和控制模块； 0057 电池电压数据采集模块用于采集样本电池的充放电电压数据， 并将采集的样本电 池的充放电电压数据反馈至容量增量曲线拟合模块； 0058 容量增量曲线拟合模块根据获取的样本电池的充放电电压数据绘制ICA曲线并得 到最大峰高降幅程度Hmax值； 0059 电池健康度标定模块用于对样本电池进行容量标定， 得到样本电池的可用容量， 说明书 4/6 页 7 CN 111948546 A 7 进而得到样本电池的SOH值； 0060 控制模块用于根据样本电池在SOH值下对应的最大峰高降幅程度Hmax值绘制 Hmax-SOH拟合曲线， 将待检测
25、电池模组充或放电过程ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值 输入到控制模块， 即可得到与待检测电池模组ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值对应的 SOH值， 实现待检测电池模组健康度的快速评估。 0061 本发明基于ICA曲线中最大峰高降幅程度Hmax值的电池健康度快速评估方法， 由 于电池充放电过程中的工作电压可根据电池管理系统实时采集， 不需要额外采集， 不增加 工作量； 只需要采集充放电平台的工作电压数据， 即荷电状态(SOC)在30-80范围以内 的工作电压， 这是储能电池无论是深充放还是浅充放都可以得到的工作电压数据， 而不需 要在高SOC范围(80-100)或低SOC范围(0-3
26、0)的工作电压数据。 并且电池在30- 80SOC范围以内进行充放电(即浅充浅放)对电池老化的影响比深充深放要小得多， 对于 电池寿命的延长是大有好处的。 通过本发明实现电池SOH的快速评估， 提高大型储能电站或 动力电池系统的安全运维水平。 0062 本次试验采用奇瑞S18B电动汽车的磷酸铁锂电池模组(15P4S， 15并4串)， 标称容 量为40Ah， 由4个15P1S电池单元串联组成。 15P1S电池单元的额定电压为3.2V， 15P4S电池模 组的额定电压为12.8V。 0063 下面结合附图和实际实验数据进行进一步说明。 首先对电池模组的可用容量进行 标定， 并计算其SOH，可用容量
27、测量步骤： (1)以C/5恒流恒压充电 到企业规定上限截至条件； (2)静止30min； (3)以C/5恒流放电到企业规定下限截至条件； (4)静止30min。 以放电容量为可用容量。 0064 然后通过电池管理系统采集充放电过程中电池模组内不同充放电时刻下15P4S电 池模组的工作电压数据， 充放电曲线如图2所示， 记录不同SOH值的电池模组ICA曲线中充电 过程中的最大峰或者放电过程中的最大峰出现的位置及峰值， 并进行峰高降幅程度Hmax 值计算， 发现其峰高降幅程度Hmax值与该15P4S电池模组的SOH之间具有很好的线性关系， 如图3所示。 因此可以用充(放)电过程中该15P4S电池模
28、组的ICA曲线最大峰峰高降幅程度 Hmax值作为该电池SOH的快速评估指标， 通过它们的线性关系可快速检测待测电池的SOH 值， 从而提高大型储能电站或动力电池系统的安全运维水平。 0065 一、 可用容量标定及SOH值计算： 0066 利用美国Bitrode FTV1-300-100型模块电池测试系统对电池模组进行可用容量 检测， 测试温度在252条件下， 先用1I5(I5为1/5C倍率电流， 8A)恒流放电至截止电 压为10.8V(2.7V4)， 静置0.5小时， 然后在以1I5恒流充电到截止电压14.6V(3.65V4) 后进行恒压充电， 当电流减小降低到I20(I20为1/20C倍率电
29、流， 2A)时电池停止充电， 静置 0.5小时， 再用1I5进行放电， 直到放电终止电压达到10.8V， 静置0.5h结束， 最后根据1I5 (A)的电流值和放电时间数据计算电池可用容量(以Ah计)以及其SOH值。 0067 二、 ICA曲线中最大峰峰高降幅程度Hmax值的计算过程如下： 0068 通过电池管理系统采集充放电过程中电池模组的工作电压数据， 将电池模组充放 电过程中的工作电压数据转化成ICA曲线。 对ICA曲线中充电过程中的最大峰或者放电过程 中的最大峰为此容量状态下的峰值， 电池模组初始容量下的最大峰值Hinitial与不同可用容 说明书 5/6 页 8 CN 11194854
30、6 A 8 量的最大峰值H的差为峰高降幅程度Hmax值。 0069 三、 ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax-SOH拟合曲线 0070 充电过程中IC曲线最大峰峰高降幅程度Hmax-SOH拟合曲线关系见图4。 从图4可 以看出， 充电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax值与SOH呈正相关： 0071 SOH0.1375Hmax-12.48， R20.9551 0072 放电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax-SOH拟合曲线关系见图5。 从图5可 以看出， 放电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax值与SOH呈正相关： 0073 SOH0.04496Hmax-4.104， R
31、20.9635 0074 充(放)电过程中ICA曲线最大峰峰高降幅程度Hmax-SOH拟合曲线确定了以后， 待 测电池模组不需要再进行可用容量标定(因为费时)以确定其SOH值， 只需要根据电池管理 系统采集到充放电过程中的工作电压数据， 进行ICA转化， 求取充(放)电过程中ICA曲线最 大峰峰高降幅程度Hmax， 再根据拟合曲线查找出此待测电池模组的SOH值就可以了， 从而 可以实现电池模组健康度的快速评估。 0075 本发明利用锂电池充放电过程中电池管理系统采集到的电压数据， 建立基于充放 电电压的容量增量分析(Incremental Capacity Analysis,ICA)曲线中的最
32、大峰高降幅程 度Hmax与磷酸铁锂电池健康状态SOH的数学模型， 将电池的健康度SOH与充(放)电过程中 ICA曲线最大峰高降幅程度Hmax进行对比， 分析不同SOH与对应的ICA曲线最大峰高降幅程 度Hmax之间的相关性， 以达到电池健康度的快速评估的目的， 实现电池健康度快速评估， 提 高储能电站或者动力电池系统的安全运维水平。 说明书 6/6 页 9 CN 111948546 A 9 图1 图2 说明书附图 1/3 页 10 CN 111948546 A 10 图3 图4 说明书附图 2/3 页 11 CN 111948546 A 11 图5 说明书附图 3/3 页 12 CN 111948546 A 12
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网址: 锂电池健康度评估方法及系统.pdf https://m.trfsz.com/newsview1392002.html
