CN113009367A - 一种电池健康度的在线测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池健康度的在线测试装置及方法，属于电池健康度测试领域。本发明为了解决现有技术中的电池无法实现电池正常工作同时实现在线电池健康度的问题。本发明包括电池管理系统、待测电池和高速电压采样装置，若干并联在连接在所述待测电池的正负极两端的放电支路，电池管理系统包括：控制指令模块，电池信号收集模块，直流内阻计算模块，电池健康度计算模块；本申请实现了电池工作过程中的健康度的高速在线测量。

Description

一种电池健康度的在线测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电池健康度测试领域，特别是涉及一种电池健康度的在线测试装置及方法。

背景技术

目前，国内外新能源汽车发展迅速，对电池的需求量越来越大，对电池的性能要求越来越高。动力电池在使用一段时间后，性能都会发生劣化，因此劣化程度的测试和评估就显得非常重要了。现有技术中，在电动汽车、电动工具等领域动力电池的应用都是多个电池构成电池系统进行工作，电池系统由多个电池模块组成，电池模块又由多个电池单体组成，因此电池的一致性是描述动力电池性能的重要参数。目前电池行业常用的电池管理系统，在电池应用的过程中，起到了对电池的工作状态检测，实时监测电池的电压、电流、温度等参数，当超过规定值时，启动声光报警，提请注意。当电池组中的个别单体电池产生荷电态不一致时，启动电池管理系统的均衡功能进行均衡，使各单体保持较好的一致性。功能较强的电池管理系统还具有电池荷电态SOC估计功能，实时计算出动力电池的剩余存储电量。

动力电池是一个复杂的电化学系统，在使用一段时间后，都会发生劣化现象，目前电动汽车的国家标准定为5年或20万公里，运行中的动力电池是否能达到标准，质量较好的动力电池是否5年后还能继续使用，这些都是电动汽车行业和动力电池行业急需解决的重大技术问题，本发明的目的就是使电池管理系统能够具有动力电池健康度评估功能，为动力电池的梯次利用和回收拆解提供科学的测试数据。

动力电池的健康度是描述电池寿命的重要参数，传统的动力电池健康度的测试方法是将电池充满电后，按照规定的电流进行完全放电，同时记录放电的容量Q1，将Q1与电池的额定容量之比的百分数，即为当前动力电池的健康度。这种方法需要对电池池进行一次全充电和一次全放电，浪费大量的时间和电能；

电池在现场运行的过程中，没有条件对动力电池进行标准的大电流放电，也难以实现对电流电压精选高精度高速度采样，因此，动力电池的健康度在线测试成为电池行业长期难以解决的技术难题，也就是说，传统方法对动力电池工作中进行在线健康度测试是不可能实现的。

并且由于健康度测试需要在大电流情况下测试动力电池的功率性能，需要测试动力电池的直流内阻，现有的电池管理系统难以实现，成为行业长期难以解决的技术难题。因此，动力电池行业迫切急需一种能够在工作中在线测试动力电池的健康状况的方法，以便于根据健康度测试结果及时对动力电池系统进行维修和更换，保证动力电池的安全性和使用寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电池健康度的在线测试装置及方法，实现了电池工作过程中的健康度的高速在线测量。

本发明第一方面提供了一种电池健康度在线测试装置，包括电池管理系统、待测电池和高速电压采样装置，还包括若干并联在连接在所述待测电池的正负极两端的放电支路，所述电池管理系统包括：

控制指令模块，向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

电池信号收集模块，收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值；

直流内阻计算模块，根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

电池健康度计算模块，根据下式计算电池健康度SOHR：

SOHR＝1-(R_DN-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_DN为采用N条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

进一步的，所述放电支路包括依次串联的放电电阻、电子开关和高速电流采集装置。

进一步的，所述放电支路的个数大于等于1。

进一步的，所述等效内阻R_DN为：

R_DN＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)；

其中，V₁和I₁为N条放电支路断开时的电压和电流；V₂和I₂为N条放电支路接通时的电压和电流。

进一步的，所述待测电池为单体电池或由单体电池串并联组成的电池包。

进一步的，所述待测电池为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池或工作原理基于化学电源技术的电池。

本发明第二方面提供了一种电池健康度在线测量方法，基于本发明第一方面所述的一种电池健康度在线测量装置实现，包括如下步骤：

向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值；

根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

根据下式计算电池健康度SOHR：

SOHR＝1-(R_DN-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_DN为采用N条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

如上所述，本发明提供的一种电池健康度在线测试装置及方法，具有如下效果：

1、本发明在动力电池在线工作时对动力电池包进行健康度测试，采用电池管理系统控制的放电电阻对电池包进行瞬间大电流放电，高速采集放电电流和电池包的端电压变化，通过分析计算得到动力电池的直流内阻健康度参数。本发明的电池健康度测试的方法具有很强的可操作性，搭建电池测试装置也比较容易实现，具有操作简单，可实施性强的特点。

2、本发明实现了不影响动力电池的正常工作状态下的待测电池的实时健康度测试。

3、本发明工作过程中不需要对动力电池进行全充全放的操作，节省大量电能，消耗能量小，达到节能减排的作用。

4、本发明测量速度快，传统的全充放电方法检测一次大约三小时左右，本发明方法只需几秒钟即可完成。

5、本发明测试准确度高，电池输入输出信号包含信息量大，可以全面体现电池内部参数及电池特性。

附图说明

图1为本发明具体实施例的电池健康度在线测试装置结构示意图；

图2为本发明具体实施例的电池管理系统的结构示意图；

图3为本发明具体实施例的电池健康度在线测试方法的流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

现有技术中，衡量电池的健康度指标最重要的两个指标就是容量和内阻，内阻劣化除了导致放电、充电时间短，还导致电池工作发热、功率下降。因此内阻在电池健康度评价中占据主要因素。尤其是“在线测量”条件下，容量测量实现困难，并且内阻劣化与容量衰减的变化规律、时间长度都非常相似。

如图1所示，本实施例的一种电池健康度在线测试装置，包括：

电池管理系统100，电池管理系统100对待测电池进行单体电压采样、单体电流采样、温度采样和均衡控制进行常规管理，所述电池管理系统100包括：

控制指令模块101，向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

电池信号收集模块102，收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值；

直流内阻计算模块103，根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

电池健康度计算模块104，根据下式计算电池健康度SOHR：

SOHR＝1-(R_DN-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_DN为采用N条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

本实施例采用的电池管理系统100为国产ZM-300BMS-100A通用电池管理系统。

待测电池200，所述待测电池为单体电池或由单体电池串并联组成的电池包，所述待测电池为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池或工作原理基于化学电源技术的电池，本发明的适用范围广泛，适合不用领域的电池健康度的在线测量，本实施例中的待测电池采用24V/100Ah磷酸铁锂电池包。

高速电压采样装置300，用以采集电池的端电压，本实施采用的高速电压采样装置为AD9643-250模数转换器，采样速度可达20毫秒。

并联在连接在所述待测电池的正负极两端的第一放电支路400和第二放电支路500，如图所示，第一放电支路400包括串联的放电电阻401、第一电子开关402和第一高速电流采样装置403，第二放电支路500包括并联的放电电阻501、第二电子开关502和第二高速电流采样装置503，在测量时，电池管理系统100发送开关指令至第一电子开关402和第二电子开关502，第一高速电流采样装置403和第二高速电流采样装置503采集支路的电流，并传送至电池管理系统100中，用于电池等效内阻的计算。

本实施例中的放电电阻401采用1.0Ω/200W线绕电阻，放电电阻501采用0.5Ω/200W线绕电阻，第一电子开关402和第二电子开关502采用西门康IGBT模块BSM50GAL120。第一高速电流采样装置403和第二高速电流采样装置503采用I200ACE-P1-01高速电流变送器，响应时间可达10微秒，达到采样精度和速度的要求。

电路按图1接好以后，电池管理系统100发出控制信号使第一电子开关402和第二电子开关502闭合一个周期T，当电子开关闭合时，待测电池200通过放电电阻401和501大电流放电，相当于一个负脉冲信号作为输入信号加于动力电池包的正负电极。与此同时电池管理系统100同时启动高速电压采样装置300、高速电流采样装置403和503采集待测电池200的端电压和输出电流，通过分析计算端电压V₂和输出电流I₂；电池管理系统发出控制信号使使第一电子开关402和第二电子开关502断开一个周期T，当电子开关断开时，电池管理系统100同时启动高速电压采样装置300、高速电流采样装置403和503采集待测电池200的端电压V₁和输出电流I₁，可以准确计算得到待测电池200的欧姆内阻、极化内阻、直流内阻和电池的健康度。

电池的内阻数据录入频率由BMS控制的，由于电池内阻变化缓慢，电池健康度也变化缓慢，所以不需要频繁测量，通常该数据的录入频率为1天一次，这样可以减轻BMS工作负担，但根据待测电池不用，可以通过BMS软件修改延长或缩短测试周期。

基于所述的一种电池健康度在线测量装置，本实施例的一种电池健康度在线测量方法包括如下步骤：

S1、向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

电池管理系统100的控制指令模块101发送开关控制指令，控制第一电子开关402闭合3秒钟后断开，第一电子开关402闭合时，待测电池200的电流从正极通过高速电压采样装置300后回到电池负极，同时电池管理系统100接收高速电压采样装置300采集的电池端电压V1，同时电流经第一放电电阻401、第一电子开关402和第一高速电流采样装置403回到待测电池的负极，此时，当不考虑待测电池200的直流内阻时，放电电流的大小由动力电池包的电压和放电电阻301的阻值决定，即电流是24V/1.0Ω，大小为24A。当考虑动力电池内阻后，动力电池的端电压V1会小于24V，实际电流I1＝V1/1.0Ω，电池管理系统100存储此时的实际电流I1值。

电池管理系统100的控制指令模块101发送开关指令控制第二电子开关502闭合3秒钟后断开，第二电子开关502闭合时，待测电池100的电流从正极通过高速电压采样装置300后回到待测电池100的负极端，电池管理系统采集待测电池100的当前端电压V2，同时，电流经第二放电电阻501、第二电子开关502和第二高速电力采样装置503回到的待测电池100的负极，当不考虑动力电池包的直流内阻时，放电电流的大小由动力电池包的电压和放电电阻501的阻值决定，即电流是24V/0.5Ω，大小为48A，当考虑动力电池内阻后，动力电池的端电压V2会更小于24V，实际电流I2＝V2/0.5Ω，电池管理系统100存储此时的实际电流I2值。

本实施例基于动力电池的电化学工作原理，当有不同的信号输入时，电池作为一种电化学体系，电池内部会产生电化学反应，反应的特征代表了电池的特性。可以在在很大程度上反映电池内部的多种特性参数，包括电池材料构成、电池的容量、功率特性、内阻、电池健康状态等。以不同的信号电流对电池进行激励，根据测量的电池电压的响应参数，分析计算所需要的动力电池性能参数。分析计算的方法可以采用自动控制领域的微分、积分、相关分析算法、梯度法等优化算法来确定电池的内部参数。达到测试电池性能的目的。

S2、收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值，所述电池信号接收模块102接收第一放电支路和第二放电支路闭合时，通过高速电压采样装置、高速电流采样装置得到的端电压和实际电流数值。

S3、根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

本实施例中采用了2条支路用以确定当电池当前状态下的等效内阻R_D2为：

R_D2＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)；

其中，其中V₁、I₁为2个支路断开时的电压电流；V₂、I₂为2个支路接通时的电压电流。

S4、根据下式计算电池健康度SOHR为：

SOHR＝1-(R_D2-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_D2为采用2条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

在实际的应用中，针对不同的动力电池系统以及测量精度的不同要求，放电支路的个数可以酌情设定，可以为1条、2条、3条或更多，放电支路越多，采集的数据越多，得到的电池健康度数值的准确率会越高，但对于一些对健康度数值准确度要求相对较低的情况，完全可以采用一条放电支路进行测量。

当采用多条支路时，各个支路的放电电阻一般设定为10K、1K、100欧、10欧、1欧、0.5欧、0.1欧这样数量级跨度的电阻序列。具体阻值根据测量需要灵活调整，并且可以仅用BMS的几根IO信号来实现精确的、可调的被测电池的激励电流大小。用BMS的I/O引脚，给出准确的1A->100mA->1mA可调电流，来实现电池性能测量，达到节约硬件成本的目的。

在一具体实施例中，当放电支路的个数为4条时，所述等效内阻R_D4为：

R_D4＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)；

其中V₁、I₁为4个支路断开时的测得的电压和电流；V₂、I₂为4个支路接通时的测得的电压和电流。

四条放电支路时，得到的电池健康度SOHR为：

SOHR＝1-(R_D4-R_D0)/R_D0；

其中，R_D4为采用2条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种电池健康度在线测试装置，包括电池管理系统、待测电池和高速电压采样装置，其特征在于，还包括若干并联在连接在所述待测电池的正负极两端的放电支路，所述电池管理系统包括：

控制指令模块，向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

电池信号收集模块，收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值；

直流内阻计算模块，根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

电池健康度计算模块，根据下式计算电池健康度SOHR：

SOHR＝1-(R_DN-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_DN为采用N条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

2.根据权利要求1所述一种电池健康度在线测量装置，其特征在于，所述放电支路包括依次串联的放电电阻、电子开关和高速电流采集装置。

3.根据权利要求1所述一种电池健康度在线测量装置，其特征在于，所述放电支路的个数大于等于1。

4.根据权利要求1所述一种电池健康度在线测量装置，其特征在于，所述等效内阻R_DN为：

R_DN＝(V₂-V₁)/(I₂-I₁)；

其中，V₁和I₁为N条放电支路断开时的电压和电流；V₂和I₂为N条放电支路接通时的电压和电流。

5.根据权利要求1所述一种电池健康度在线测量装置，其特征在于，所述待测电池为单体电池或由单体电池串并联组成的电池包。

6.根据权利要求1所述一种电池健康度在线测量装置，其特征在于，所述待测电池为铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池、锂离子电池或工作原理基于化学电源技术的电池。

7.一种电池健康度在线测量方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任一权利要求所述的一种电池健康度在线测量装置实现，包括如下步骤：

向所述放电支路发送控制指令，使所述放电支路导通或断开；

收集放电支路的电流数值和当前情况下的电池端电压数值；

根据各放电支路的电流变化量和电池端电压的变化量，得到电池的等效内阻；

根据下式计算电池健康度SOHR：

SOHR＝1-(R_DN-R_D0)/R_D0；

其中，R_D0为电池出厂时的直流内阻，R_DN为采用N条支路的在线测试装置所得到的等效内阻。

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