车用动力电池性能状态的评定方法-山东亚星游戏官网机床有限公司

专利名称：车用动力电池性能状态的评定方法
技术领域：
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及车用动力电池性能状态的评定。
背景技术：
随着人类持续大规模使用煤、石油和天然气等天然资源，导致能源危机与环境问题日益突出，成为制约人类社会发展的重要因素。对于汽车产业，发展新能源汽车已经是大势所趋。与传统汽车相比，电动汽车在燃油经济性和排放经济性上具有较大的优势。汽车产业正在由传统的燃油机时代朝着电动化时代转变，国家也把新能源汽车列为现阶段重点发展的七大产业之一，并提出要加大财税金融等政府扶持力度。电动汽车的核心部分是动力电池，目前可供电动汽车选择的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池和超级电池(同时具有二次电池和超级电容器优点的新型储能器件)等。对于电动汽车而言，动力电池性能优劣直接影响着电动汽车的动力性与·续驶里程。在电动汽车行驶过程中，实时掌握动力电池性能状态(荷电状态SOC和健康状态S0H)有利于优化电池管理，及早发现问题，避免事故的发生。然而，电动汽车实际行驶过程中只能采集到电流、电压和温度等基本信息，这些信息不能直接地反映电池当前的性能状态。大量研究表明，引入等效电路模型可以很好的解决这一问题。等效电路模型使用电容、电阻等基本电路元件构成电路来描述电池的工作特性。不但模型参数对电池的性能状态具有很好的表征作用，而且可以通过电池模型结合数学算法预估电池的性能状态，具有较高的准确性。

发明内容
本发明的目的是提供一种动力电池性能状态的评定方法。该方法将动力电池用等效电路模型代替，该模型由一个电阻和两个R-C�？樽槌桑绺酵糏所示。其中，Rb为电池的欧姆电阻，主要表示电池内部电解液的电阻；两个R-C�？椋饕硎镜绯氐募从Γ琑1和R2表示电池的极化电阻，C1和C2表示电池的极化电容。然后利用脉冲充放电实验，确定模型中的各参数的大小。由于模型参数与电池性能状态具有密不可分的关系，将确定后的模型参数与电池性能状态建立对应关系，从而可以通过电池模型参数来评定电池的性能状态。I、脉冲充电过程中模型参数的确定动力电池对恒流脉冲充电过程中一个循环的响应过程如附图2所示=Utl表示电池的开路电压；ub表示电池的端电压；Ib表示脉冲电流，前面的号表示充电；^为脉冲电流Ib=O时电池端电压的电压降。动力电池等效电路模型中的开路电压Utl可以通过测量暂态效应完全消失后电池的端电压Ub得到U0=Ub(1-1)从附图2可以看出，当充电电流Ib变为零的瞬间，电池的端电压Ub会迅速下降一部分Uab (见附图2中电压曲线AB段)。这是由于充电电流迅速降为零后，模型中两个R —C�？橹械牡缛軨1和C2继续向电阻R1和R2供电，而原来欧姆电阻Rb上的外加电压却随着充电的截止立即消失，从而使电池的测量端电压下降。由这部分下降的电压值Uab和充电电流Ib可以计算出模型参数Rb:Rb=UAB/Ib(1 — 2)两个R — C�？榈南煊倘绺酵�2中电压曲线BC所示，满足如下公式
Ifb(I) = Vn -Rx ■ 4 Λ ·4Oi0(1-3)式中，τ p τ 2为极化时间常数，数值上，Tj1 = R1^C1O2 = R2-C2q利用Origin软件对动力电池脉冲充电实验数据进行二阶指数衰减拟合，选取拟合公式为Y=A1 · exp (-χ/t)+A2 · exp (_x/t2)+y。 (1 — 4)式中，Ap A2为拟合系数，tp t2为时间常数。得到拟合结果如附图3所示，图中拟合参数列表中的参数与公式(I - 3)中参数的对应关系如下y0 = U0(1 — 5)A1=R1 (-Ib);从而 R1= I A1Zlh I(1 — 6)A2 = R2 (-Ib);从而 R2= I A2/Ib I(I—7)I^=T1;又因 TJ1 = R1^C17KWC1=TyR1 (1 — 8) 2=τ2;又因 τ 2=R2 · C2,所以 C2= τ 2/R2 (1 — 9)自此，动力电池脉冲充电过程中，等效电路模型中的参数全部计算完成。2、脉冲放电过程中模型参数的确定脉冲放电过程中模型参数的确定方法与脉冲充电过程类似。在此为了区分充电与放电过程中的模型参数值，特设定放电状态下，模型参数值分别为Rb’、R1'、C/、R；、C；。其中，Rb’为电池的欧姆电阻，表示电池内部电解液的电阻；两个R-C�？椋硎镜绯氐募从Γ琑1'和R2’表示电池的极化电阻，C1'和C2’表示电池的极化电容；动力电池对脉冲放电的响应过程如附图4所示=Utl表示电池的开路电压；Ub表示电池的端电压；Ib表示脉冲放电电流；UAB为脉冲电流Ib=O时电池端电压的电压差值。动力电池等效电路模型中的开路电压Utl可以通过测量暂态效应完全消失后电池的端电压Ub得到Utl=Ub (t) t —(1 — 10)从附图4可以看出，当放电电流Ib变为零的瞬间，电池的端电压Ub会迅速上升一部分Uab (见附图4中电压曲线AB段)。这是由于放电电流迅速降为零后，模型中两个R —C�？橹械牡缛軨/和C2’继续向电阻R1'和R2’供电，而原来欧姆电阻Rb’上的外加电压却随着放电的截止立即消失，从而使电池的测量端电压上升。由这部分上升的电压值Uab和放电电流Ib可以计算出模型参数Rb’ Rb' =Uab/Ib(I - 11)两个R — C模块的响应过程如附图2中电压曲线BC所示，满足如下公式Ub (l) = U0 + R1 '·4.e.·' + R2 '·Ib.e--I >I0(1 — 12)式中，T1^T2为极化时间常数,数值上，τ J=R1' · C/、τ 2=R2’ · C2'。
利用Origin软件对动力电池脉冲放电实验数据进行二阶指数衰减拟合，选取拟合公式为Y=A1 · exp (-χ/t)+A2 · exp (_x/t2)+y。(I — 13)式中，Ap A2为拟合系数，tp t2为时间常数。利用Origin软件对动力电池脉冲放电实验数据进行二阶指数衰减拟合，得到拟合结果如附图5所示，图中拟合参数列表中的参数与公式(I一 12)中参数的对应关系如下y0=U0(I - 14)A1=R1, Ib;从而 R1,= I A1Zlb I(1 — 15) A2=R2 Ib ;从而 R2 = I A2/Ib I(I — 16)
I^=T1;又因 Ti = WiWC1, = T1ZR1' (1 — 17) 2=τ2;又因 τ 2=R2’C2’，所以 C2’= τ 2/R2， (1 — 18)自此，动力电池脉冲放电过程中，等效电路模型中的参数全部计算完成。当欧姆电阻Rb (或Rb’ )的相对误差超过20%时，认为电池健康状态不佳。本发明正是提供了一种车用动力电池性能状态的评定方法，该方法基于等效电路模型，适用于多种动力电池。对于不同类型和不同厂家的动力电池，在不同温度和不同充放电倍率下进行脉冲实验，利用数学算法和拟合软件得到动力电池的各项参数，建立模型参数与电池性能状态的数据库，作为判断实车电池性能状态的依据。本评定方法获得的电池模型参数具有较高的准确性，结合卡尔曼滤波等算法可以使预估的性能状态更加精确。

图I是等效电路模型2是动力电池脉冲充电响应过程图3是动力电池等效电路模型充电拟合结果图4是动力电池脉冲放电响应过程图5是动力电池等效电路模型放电拟合结果
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的突出特点，仅在于说明本发明的实施内容而不限于本发明。实施例I在5°C、15°C、25°C环境温度条件下，对同一块铅酸电池分别进行了 O. 1C、0. 3C、
I.OC倍率的脉冲放电实验与O. 1C、0. 3C倍率的脉冲充电实验。之后，利用等效电路模型进行拟合分析，得到铅酸电池在不同温度、不同脉冲充放电倍率下的电池模型参数。建立铅酸电池模型参数与电池性能状态的数据库，部分数据如表I所示。表I铅酸电池I. OC倍率脉冲放电实验电池模型参数与荷电状态SOC数据库
权利要求
1.车用动力电池性能状态的评定方法，其特征在于该方法将动力电池用等效电路模型代替，该模型由一个电阻和两个R-C�？樽槌桑渲校琑b为电池的欧姆电阻，表示电池内部电解液的电阻；两个R-C�？椋硎镜绯氐募从Γ琑1和R2表示电池的极化电阻，C1和C2表示电池的极化电容；然后利用脉冲充放电实验，确定模型中的各参数的大小； I)、脉冲充电过程中模型参数的确定动力电池对恒流脉冲充电过程中一个循环的响应过程中Utl表示电池的开路电压；Ub表示电池的端电压；Ib表示脉冲电流，前面的号表示充电；UAB为脉冲电流Ib=O时电池端电压的电压降；动力电池等效电路模型中的开路电压Utl通过测量暂态效应完全消失后电池的端电压Ub得到 U0=Ub (t) t —(I — I) 当充电电流Ib变为零的瞬间，电池的端电压Ub会迅速下降一部分Uab ;这是由于充电电流迅速降为零后，模型中两个R — C�？橹械牡缛軨1和C2继续向电阻R1和R2供电，而原来欧姆电阻Rb上的外加电压却随着充电的截止立即消失，从而使电池的测量端电压下降；由这部分下降的电压值Uab和充电电流Ib计算出模型参数Rb Rb=VIb(1 — 2) 两个R — C�？榈南煊搪闳缦鹿�= CZ0- R1 -!h-e ,/r' - R2 · Ih · et,h > $(1—3) 式中，为极化时间常数,数值上，τ J=R1 · C1^ τ 2=R2 · C2 ；利用Origin软件对动力电池脉冲充电实验数据进行二阶指数衰减拟合，选取拟合公式为Y=A1 · exp (-x/1) +A2 · exp (_x/12) +y0 (1—4) 式中，ApA2为拟合系数，V t2为时间常数；得到拟合结果，拟合参数列表中的参数与公式(I 一 3)中参数的对应关系如下 Yo = U0(1 — 5) A1=R1 (-Ib);从而 R1= I A1Zlb I(1—6) A2 = R2(-Ib);从而 R2= I A2ZIh I(1 — 7) ti = τ i ;又因 TJ1 = R1^Cpmwc=TyR1 (1 — 8) t2= τ 2 ;又因 τ 2=R2 · C2,所以 C2 = τ 2/R2 (1—9) 自此，动力电池脉冲充电过程中，等效电路模型中的参数全部计算完成； 2)、脉冲放电过程中模型参数的确定脉冲放电过程中模型参数的确定方法与脉冲充电过程类似；在此为了区分充电与放电过程中的模型参数值，特设定放电状态下，模型参数值分别为Rb’、R1'、(V、R；、C；，其中，Rb’为电池的欧姆电阻，表示电池内部电解液的电阻；两个R-C�？椋硎镜绯氐募从Γ琑1'和R2’表示电池的极化电阻,C/和C2’表示电池的极化电容^表示电池的开路电压；Ub表示电池的端电压；Ib表示脉冲放电电流Wab为脉冲电流Ib=O时电池端电压的电压差值；动力电池等效电路模型中的开路电压Utl通过测量暂态效应完全消失后电池的端电压Ub得到 U0 = Ub(t)t—(I — 10)当放电电流Ib变为零的瞬间，电池的端电压Ub会迅速上升一部分Uab ;这是由于放电电流迅速降为零后，模型中两个R — C模块中的电容C/和C2’继续向电阻R/和R2’供电，而原来欧姆电阻Rb’上的外加电压却随着放电的截止立即消失，从而使电池的测量端电压上升；由这部分上升的电压值Uab和放电电流Ib计算出模型参数Rb’ Rb' = UffiZib(I - ID 两个R — C�？榈南煊搪闳缦鹿� Uh(I) = Il0+ R1 ·. Ih ■ e ,/r' + R2 '· Ih ·t>t%(I 一12) 式中，τ η τ 2为极化时间常数，数值上，T1 = R1' - C/、τ 2=R2’ · C2’ ；利用Origin软件对动力电池脉冲放电实验数据进行二阶指数衰减拟合，选取拟合公式为 Y=A1 · exp (-χ/ti)+A2 · exp (_x/t2)+y0(I — 13)· 式中，ApA2为拟合系数，V t2为时间常数；利用Origin软件对动力电池脉冲放电实验数据进行二阶指数衰减拟合，得到拟合结果，拟合参数列表中的参数与公式(I - 12)中参数的对应关系如下y0 = U0(I — 14) A1=R1, Ib;从而 R1,= I A1Zlb I(I - 15) A2=R2' Ib ;从而 R2’ = I k2/lb I(I - 16) L=T1;又因 TJ1 = WiWcV = TW(I — 17)2=τ2;又因 τ 2=R2’C2’，所以 C2，= τ 2/R2’(1 — 18) 自此，动力电池脉冲放电过程中，等效电路模型中的参数全部计算完成；当欧姆电阻Rb或Rb’的相对误差超过20%时，认为电池健康状态不佳。
全文摘要
本发明涉及电池技术领域，特别是车用动力电池性能状态的评定方法。本发明通过对车用动力电池(包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池和超级电池等)进行二阶等效电路建模，将电池性能状态(荷电状态SOC和健康状态SOH)转化为等效电路模型参数。利用Origin软件中二阶指数衰减拟合方法处理车用动力电池脉冲充放电实验结果，从而得到动力电池中的等效电阻和等效电容参数。建立动力电池模型参数与电池性能状态的数据库，作为实车运行过程中评定电池性能状态的依据，有利于优化电源管理，及早发现问题，避免事故的发生。
文档编号G01R31/36GK102914745SQ201210229069
公开日2013年2月6日申请日期2012年7月2日优先权日2012年7月2日
发明者张彦琴, 郭凯申请人:北京工业大学

亚星游戏官网-www.yaxin868.com

车用动力电池性能状态的评定方法