動(dòng)力電池組健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究

顏湘武，郭 琪，楊 漾，張合川，王麗娜

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

動(dòng)力電池組健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究

顏湘武，郭 琪?，楊 漾，張合川，王麗娜

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

為研究動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池的健康狀態(tài)SOH(State of Health)，對(duì)電池極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻特性進(jìn)行分析.根據(jù)電池歐姆內(nèi)阻提出相對(duì)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合電池工作時(shí)內(nèi)阻對(duì)端電壓的影響，采用端電壓對(duì)電池組內(nèi)單體電池健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià).最后進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的準(zhǔn)確性和可行性.

動(dòng)力電池組；極化內(nèi)阻；歐姆內(nèi)阻；健康狀態(tài)

在現(xiàn)有的動(dòng)力電池技術(shù)水平下，電動(dòng)汽車必須使用數(shù)十甚至上百只單體電池構(gòu)成的電池組來滿足動(dòng)力需求[1-2].由于各單體電池不一致性問題的存在，使得電池組在工作過程中，會(huì)導(dǎo)致各單體電池性能不一致性的擴(kuò)大，并將加速電池的老化[3-4].因此，對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池健康狀態(tài)SOH(State of Health)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，以便及時(shí)對(duì)老化的電池進(jìn)行維護(hù)或更換，這對(duì)延長(zhǎng)動(dòng)力電池組使用壽命以及保障動(dòng)力電池安全運(yùn)行有著重要意義.

目前對(duì)電池SOH的研究相比于電池荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)的研究要遲緩，對(duì)電池SOH的研究模型主要分為電化學(xué)模型[5-7]、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8-10]以及電路模型[11-14].文獻(xiàn)[6]從電化學(xué)反應(yīng)角度出發(fā)，將電池在循環(huán)使用過程中容量的衰減與活性鋰離子的損失聯(lián)系起來，提出通用的衰退模型，但該模型控制方程復(fù)雜，計(jì)算量巨大；文獻(xiàn)[9]提出了電池容量衰退與溫度之間的關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；文獻(xiàn)[10]對(duì)電池進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析后，得出了基于時(shí)間、SOC、溫度等因素的容量衰退模型.上述模型均依賴大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有計(jì)算復(fù)雜、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn).電路模型因其簡(jiǎn)單、直觀且易嵌入電池管理系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)，成為工程上對(duì)電池研究的主流方向.文獻(xiàn)[11]建立了二階等效電路，采用最小二乘法對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行追蹤，并考慮溫度影響，對(duì)老化電池的內(nèi)阻變化進(jìn)行了定量的研究，但是對(duì)于電池內(nèi)阻與SOH之間具體關(guān)系卻沒有確定；文獻(xiàn)[12]考慮電池容量衰退以及溫度的影響，建立了動(dòng)態(tài)適應(yīng)電池外特性的等效電路仿真模型，但不能通過外特性來確定電池容量衰退；文獻(xiàn)[13-14]均建立電路模型，采用卡爾曼濾波算法對(duì)電池SOC和SOH進(jìn)行了估算，對(duì)SOC的估算精度控制在1%內(nèi)，但是對(duì)于SOH的估算精度不夠，最大誤差為20%.目前對(duì)電池SOH的評(píng)價(jià)多是定性的分析，且是針對(duì)單體電池而言，而對(duì)電池組而言，由于單體電池間存在性能的差異，導(dǎo)致每個(gè)單體電池的等效電路參數(shù)不同，這樣在評(píng)價(jià)各個(gè)單體電池SOH時(shí)，必然會(huì)大大增加計(jì)算量.

基于上述問題，本文依據(jù)電池內(nèi)阻提出了相對(duì)健康狀態(tài)方法來對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池SOH進(jìn)行評(píng)價(jià)，并依據(jù)Thevenin等效電路模型推廣到采用端電壓法進(jìn)行SOH評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相對(duì)健康狀態(tài)法簡(jiǎn)易可行.

1 試驗(yàn)對(duì)象及設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為國(guó)內(nèi)某公司研制生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池組，該動(dòng)力電池組由100只容量為25 AH、額定電壓為3.2 V的單體電池串聯(lián)組成，典型技術(shù)參數(shù)見表1.電池管理系統(tǒng)將電池分為7個(gè)模塊，其中第1至第6模塊共有15只單體電池，第7個(gè)模塊共有10只單體電池，每個(gè)模塊均有測(cè)控單元，所有測(cè)控單元通過CAN通信將采集的單體電池電壓、電流、溫度等信息傳送至主控模塊，通過PC機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以備試驗(yàn)分析.

表1 單體電池部分參數(shù)

2 電池內(nèi)阻特性

電池內(nèi)阻是電池最為重要的特性參數(shù)之一，它是表征電池壽命以及電池性能的重要參數(shù)[14-16].通常將電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻.歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成.極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，又包括電化學(xué)極化和濃差極化[13-14].

內(nèi)阻的獲取可以通過圖1的脈沖放電響應(yīng)曲線來解釋，對(duì)電池加載電流后，電池的電壓首先出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)的壓降△V1，△V1即為歐姆內(nèi)阻引起的電池壓降；接著電池端電壓開始緩慢下降，而在電流中斷后，電壓響應(yīng)也是先出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)的電壓升，然后電壓開始緩慢升高并趨于穩(wěn)定，緩慢上升到穩(wěn)定值的過程即為極化電壓恢復(fù)過程，△V2即為極化電壓.顯然，歐姆內(nèi)阻的大小即為△V1I，I為所加載的放電電流.

T/s

2.1 歐姆內(nèi)阻

采用脈沖放電響應(yīng)方法對(duì)不同電流下、不同SOC下的歐姆內(nèi)阻進(jìn)行了測(cè)取，得出如圖2所示的歐姆內(nèi)阻特性曲線.

IC/A

由圖2可知，在同一電流下，動(dòng)力電池歐姆內(nèi)阻的大小隨著SOC的變化而變化；而在同一SOC時(shí)，歐姆內(nèi)阻的大小隨著電流的增大而呈減小趨勢(shì).這表明歐姆內(nèi)阻的大小與電池的SOC以及工作時(shí)電流大小相關(guān).

現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)所有單體電池歐姆內(nèi)阻分布情況進(jìn)行研究，圖3為室溫下，采用10 A脈沖電流測(cè)試所獲取的目前所有單體電池歐姆內(nèi)阻值的分布情況，并與在相同條件下的最初的歐姆內(nèi)阻值的分布情況進(jìn)行了對(duì)比.

編號(hào)/只

由圖3可知，動(dòng)力電池組使用一段時(shí)間后，各單體電池的歐姆內(nèi)阻均有著增大的趨勢(shì)，表明隨著電池的老化，電池歐姆內(nèi)阻會(huì)增大；動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池間歐姆內(nèi)阻在初始時(shí)就存在內(nèi)阻的不一致性，但相對(duì)較小，而使用一段時(shí)間后，單體電池之間的歐姆內(nèi)阻的不一致性明顯擴(kuò)大.

為進(jìn)一步研究歐姆內(nèi)阻大小隨電池老化容量衰減之間的關(guān)系，對(duì)單體電池進(jìn)行了加速壽命測(cè)試，測(cè)試條件為室溫下，采用為10 A充電電流、25 A放電電流進(jìn)行試驗(yàn)，并選取SOC為60%時(shí)獲取歐姆內(nèi)阻，反復(fù)試驗(yàn)至電池容量衰減至額定容量的80%，即認(rèn)為電池不能滿足動(dòng)力電池組當(dāng)前動(dòng)力需求，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.

從圖4可以看到，電池歐姆內(nèi)阻值基本隨著電池老化容量衰減呈線性增加，這為后續(xù)內(nèi)阻評(píng)價(jià)法提供了依據(jù).

2.2 極化內(nèi)阻

電池的極化是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，為研究電池老化容量衰減與極化內(nèi)阻間是否存在關(guān)系，現(xiàn)選取4只健康狀態(tài)不同的單體電池cell1，cell2，cell3和cell4進(jìn)行脈沖放電試驗(yàn)分析，4只電池的容量分別為24.8 AH，23.5 AH，22.6 AH，21.2 AH.試驗(yàn)在室溫下、5 A電流、40%SOC下進(jìn)行，并靜置4 h待極化過程完全恢復(fù)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示.

Q/AH

T/s

圖5中Up1，Up2，Up3，Up4分別代表cell1，cell2，cell3，cell4在試驗(yàn)條件下所獲取的極化電壓值，各值大小如表2所示.

表2 4只單體電池極化電壓值

圖5和表2表明，老化程度不同的電池，其極化電壓大小基本不變，說明極化內(nèi)阻不受電池老化的影響，極化內(nèi)阻在整個(gè)壽命階段也基本不變.

從圖5中可以大致看到，4只單體電池的極化電壓恢復(fù)曲線是一致的，即4只單體電池在恢復(fù)過程中任意時(shí)刻的端電壓差值為固定值.為驗(yàn)證該理論的正確性，現(xiàn)對(duì)單體電池恢復(fù)過程中的電池曲線間的差值進(jìn)行分析，以cell1為基準(zhǔn)，將cell2,cell3,cell4與cell1的差值繪制如圖6所示.

T/s

由圖6可以看到，在脈沖放電結(jié)束后，極化電壓恢復(fù)過程中，3只單體電池與cell1的電壓差值在任意時(shí)刻均為一水平軸，即為固定常數(shù).由于電池極化電壓完全恢復(fù)后即為電池的開路電壓，根據(jù)差值為固定常數(shù)這一結(jié)論，則得出兩只單體電池的開路電壓之間的差值與極化電壓恢復(fù)過程中任意同一時(shí)刻的電壓差值相等，這一結(jié)論為后文端電壓評(píng)價(jià)法提供了依據(jù).

通過上述對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的分析可知，不同的健康狀態(tài)下，電池的極化內(nèi)阻變化并不明顯，電池內(nèi)阻的變化主要是由歐姆內(nèi)阻所引起的.歐姆內(nèi)阻更多的是電池自身狀態(tài)的體現(xiàn)，所以電池的健康狀態(tài)SOH可以將歐姆內(nèi)阻作為表征量來進(jìn)行評(píng)價(jià).

3 健康狀態(tài)評(píng)價(jià)

電池SOH反映了電池的健康程度，也就是說電池的老化程度或是容量衰減程度，從電池容量的角度通常定義如下[17-19].

(1)

其中Cnow為電池當(dāng)前最大的可用容量，CN為電池標(biāo)稱容量，當(dāng)SOH為80%時(shí)，就認(rèn)為該單體電池不能滿足動(dòng)力電池需求，即認(rèn)為電池已經(jīng)老化.由于對(duì)電池當(dāng)前的最大可用容量的獲取需要長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，所以該定義法并不適合對(duì)動(dòng)力電池SOH進(jìn)行快速評(píng)價(jià).

3.1 內(nèi)阻評(píng)價(jià)法

內(nèi)阻較大的電池在工作時(shí)，由于電池內(nèi)阻自身消耗電量會(huì)增加，從而導(dǎo)致輸出的電量減少，進(jìn)而表現(xiàn)為電池容量衰減.因此可以從內(nèi)阻的角度提出電池SOH的評(píng)價(jià)方法[16,19-20]，文獻(xiàn)[16,20]提出從歐姆內(nèi)阻的角度來評(píng)價(jià)單體電池的SOH，定義如下：

(2)

其中REOL為電池壽命終結(jié)時(shí)的歐姆內(nèi)阻;RN為電池出廠時(shí)的歐姆電阻;Rnow為電池當(dāng)前狀態(tài)下的歐姆內(nèi)阻.

該定義里面對(duì)RN和Rnow的獲取并不是同時(shí)獲得，而由內(nèi)阻特性分析可知，電池內(nèi)阻的大小受到電池SOC、工作電流大小有關(guān)，實(shí)際上還與環(huán)境溫度、充放電次數(shù)等諸多因素相關(guān).所以不同的工況環(huán)境下對(duì)Rnow的獲取都會(huì)造成較大的偏差，進(jìn)而影響對(duì)電池SOH評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性.因此，該方法需要與出廠時(shí)所測(cè)內(nèi)阻的工況環(huán)境一致才能保持準(zhǔn)確性，這也表明該評(píng)價(jià)法受到工況環(huán)境的限制.

由于在對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)的單體電池進(jìn)行SOH的評(píng)價(jià)時(shí)，整組電池的特性會(huì)因工況環(huán)境因素有一個(gè)整體變化的趨勢(shì)，例如環(huán)境溫度降低時(shí)，動(dòng)力電池組內(nèi)所有單體電池的內(nèi)阻均會(huì)有增大的趨勢(shì)，而此時(shí)單體電池內(nèi)阻與均值的差就是其SOH差異的體現(xiàn)，這樣就避免了溫度對(duì)電池內(nèi)阻的絕對(duì)值的影響.這種相對(duì)健康狀態(tài)的概念使得對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池SOH的評(píng)價(jià)變得簡(jiǎn)單并可行，現(xiàn)定義如下：

(3)

其中SOHcell為某個(gè)單體電池相對(duì)于整組電池的健康狀態(tài)；Ravg為動(dòng)力電池組單體電池歐姆內(nèi)阻的平均值；Rcell為整組電池中某個(gè)單體電池的歐姆內(nèi)阻值；REOL為電池在壽命終結(jié)時(shí)的歐姆內(nèi)阻值，根據(jù)圖4所得出的結(jié)果，定義其值的大小為單體電池平均歐姆內(nèi)阻值的1.85倍.

可以看到，SOHcell的變化范圍為0 ～ 100%.當(dāng)SOHcell的值為100%即當(dāng)Rcell與Ravg相等時(shí)，表明單體電池相對(duì)于整組電池來說完全健康；當(dāng)SOHcell的值為0%時(shí)，表明該單體電池相對(duì)于整組電池來說已壽命終結(jié)，不能滿足動(dòng)力電池組的動(dòng)力需求，必須更換該單體電池.

整組動(dòng)力電池的SOH良好，評(píng)價(jià)各單體電池相對(duì)于平均單體電池的SOH才顯得有意義，由于在長(zhǎng)期的運(yùn)行工作過程中本身會(huì)有一個(gè)壽命衰減的過程，即整組電池的內(nèi)阻較之最初動(dòng)力電池組內(nèi)阻有一個(gè)增大的趨勢(shì)，所以相應(yīng)地提出整組電池的健康狀態(tài)SOH的定義：

(4)

其中 SOHtotal表示在相同工況環(huán)境下，整個(gè)動(dòng)力電池組相對(duì)于最初動(dòng)力電池組的健康狀態(tài)；REOL表示動(dòng)力電池組壽命結(jié)束時(shí)的歐姆內(nèi)阻值，同樣定義其大小為Rnew的1.85倍；Rnow表示動(dòng)力電池組當(dāng)前的內(nèi)阻值；Rnew為動(dòng)力電池組最初的內(nèi)阻值.

實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在任意充放電時(shí)刻對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行脈沖響應(yīng)來獲取電池內(nèi)阻，進(jìn)而利用式(3)來評(píng)價(jià)動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池SOH.但由于對(duì)內(nèi)阻的獲取要求設(shè)備的采集精度高，且每次計(jì)算較為繁瑣，所以根據(jù)動(dòng)力電池工作時(shí)，內(nèi)阻對(duì)電池端電壓的影響等規(guī)律，提出了利用端電壓來評(píng)價(jià)電池健康狀態(tài)的方法.

3.2 端電壓評(píng)價(jià)法

以放電為例進(jìn)行分析，由于動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池內(nèi)阻存在差異，所以在電池內(nèi)部造成的壓降不同，進(jìn)而導(dǎo)致端電壓不一致.根據(jù)圖7的Thevenin等效電路模型有如下關(guān)系：

圖7 Thevenin等效電路模型

UT=UOCV-URp-IdisRo

(5)

其中UT為放電時(shí)端電壓；UOCV為開路電壓，在靜置較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)在數(shù)值上等于電池的電動(dòng)勢(shì)，其值大小與電池SOC值正相關(guān)，但不為線性；URP為電池極化作用而引起的壓降，稱之為極化電壓，隨著電流增大，極化電壓也呈增大趨勢(shì)，也不為線性關(guān)系；URo為電池歐姆內(nèi)阻引起的電壓降，顯然有URo=IdisRo.

根據(jù)式(5)可知，對(duì)于某一單體電池而言，隨著放電電流的增大，電池的端電壓會(huì)下降；對(duì)于動(dòng)力電池組中串聯(lián)的各單體電池而言，由于放電電流相同，因此內(nèi)阻較大的單體電池，在開路電壓相同的情況下，其端電壓就要低于單體電池的平均端電壓，從而導(dǎo)致內(nèi)阻較大的單體電池提前到達(dá)放電截止電壓，表現(xiàn)為容量衰減，并且隨著放電電流的增加，二者端電壓之間的差值會(huì)擴(kuò)大，內(nèi)阻較大的單體電池所表現(xiàn)出來的容量衰減也越明顯.所以無法設(shè)定固定的端電壓差值作為閾值來判斷動(dòng)力電池組中某一單體電池是否失效.基于此，本文在評(píng)價(jià)電池SOH時(shí)，綜合考慮了內(nèi)阻的評(píng)價(jià)方法以及內(nèi)阻與放電電壓之間的關(guān)系，通過聯(lián)立式(3)和式(5)，并根據(jù)前文得出的極化內(nèi)阻不隨壽命的衰減而變化的規(guī)律，即認(rèn)為動(dòng)力電池內(nèi)單體電池平均極化電壓與待評(píng)價(jià)的單體電池極化電壓相等，進(jìn)而得出如下的關(guān)系式：

(6)

其中UTavg和UTR分別表示動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池的平均端電壓和待評(píng)價(jià)單體電池的端電壓；UOCVavg和UOCVR分別為動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池的平均開路電壓和待評(píng)價(jià)單體電池的開路電壓；Idis為放電電流；Roavg為動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池的平均歐姆內(nèi)阻值.

由上可知，要評(píng)價(jià)動(dòng)力電池組單體電池的健康狀態(tài)，就需知道在某一放電時(shí)刻，整組動(dòng)力電池中單體電池端電壓的平均值UTavg和開路電壓的平均值UOCVavg，以及待評(píng)價(jià)單體電池的端電壓UTR和開路電壓UOCVR.而對(duì)開路電壓的獲取需要長(zhǎng)時(shí)間靜置才能滿足精確度，較為費(fèi)時(shí).考慮到式(6)是需要單體電池的平均開路電壓與待評(píng)價(jià)單體電池的開路電壓之間的差值，根據(jù)圖6得出的兩只單體電池的開路電壓之間的差值與極化電壓恢復(fù)過程中任意同一時(shí)刻的電壓差值相等結(jié)論，可以認(rèn)為放電停止后任意時(shí)刻，單體電池平均端電壓和待評(píng)價(jià)單體電池端電壓之間的差值是二者開路電壓之間的差值，這樣可以選取放電后較短時(shí)間內(nèi)的電壓差值，如放電停止后，一分鐘內(nèi)的端電壓差，為減小測(cè)量過程中的隨機(jī)誤差，實(shí)際選取一分鐘內(nèi)單體電池平均端電壓和待評(píng)價(jià)單體電池端電壓差值的平均值.因此將式(6)改為如下表達(dá)式：

(7)

其中UTavg和UTR分別表示放電停止時(shí)，前一時(shí)刻單體電池平均端電壓和待評(píng)價(jià)單體電池的端電壓;UTavgi=0和UTRi=0分別表示放電停止后，任意同一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的單體電池平均端電壓和待評(píng)價(jià)單體電池的端電壓．實(shí)際評(píng)價(jià)時(shí)，為減小極化內(nèi)阻細(xì)微的不一致以及測(cè)量時(shí)的誤差，我們選取中止放電后一分鐘內(nèi)二者差值的平均值;△URoavg為放電電流中止后，歐姆內(nèi)阻引起的平均單體電池的電壓變化值.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

首先將動(dòng)力電池組進(jìn)行5 A電流的滿充實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行較長(zhǎng)一段時(shí)間的浮充以盡量確保各單體電池都已充滿，靜置12 h后，進(jìn)行12 A的恒流放電，當(dāng)電池組內(nèi)有一單體電池的端電壓到達(dá)放電截止電壓時(shí)停止放電，圖8為所有單體電池的放電曲線，從圖中可以看到，在放電初期，絕大部分單體電池在放電過程中，其放電時(shí)的端電壓與平均單體電池的端電壓差值較小并且相對(duì)穩(wěn)定；隨著放電時(shí)間的增加，其端電壓之間的差值逐漸加大，其中動(dòng)力電池組內(nèi)老化嚴(yán)重的單體電池在放電末期與平均單體電池端電壓差值愈明顯.本實(shí)驗(yàn)選取老化最為嚴(yán)重的單體電池3-9(模塊3的第9號(hào)單體電池)進(jìn)行分析.

t/s

對(duì)單體電池3-9在不同SOC以及放電電流為3 A,7 A,10 A,12 A的工況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并將兩種方法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行插值處理繪制成三維圖譜，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖9所示.

從圖9的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看到，對(duì)單體電池3-9的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，內(nèi)阻評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果的最大值為23.3%，最小值為19.2%，則最大差值為4.1%；端電壓評(píng)價(jià)法的評(píng)價(jià)結(jié)果的最大值為23.7%，最小值為19.2%，則最大差值為4.5%.誤差均在5%以內(nèi)，滿足評(píng)價(jià)要求.兩種評(píng)價(jià)方法的相對(duì)誤差最大也僅為2.7%，平均相對(duì)誤差僅為0.4%.由此可知，利用端電壓評(píng)價(jià)法對(duì)動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池的健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)具有高的精確性和可行性；同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果也顯示，單體電池3-9的健康狀態(tài)值較低，需要及時(shí)進(jìn)行維護(hù)或更換，以保證整組動(dòng)力電池的性能.

(a) 內(nèi)阻評(píng)價(jià)法

(b) 端電壓評(píng)價(jià)法

(c) 兩種評(píng)價(jià)結(jié)果的相對(duì)誤差

最后對(duì)整組電池當(dāng)前的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)式(4)來評(píng)價(jià)當(dāng)前整組動(dòng)力電池的健康狀態(tài)．在最初使用時(shí)，在環(huán)境溫度為20 ℃，進(jìn)行電流為12 A的放電測(cè)試，同樣通過脈沖響應(yīng)的方式進(jìn)行歐姆內(nèi)阻的獲取，并選取若干不同的SOC進(jìn)行測(cè)試，并將不同SOC下的歐姆內(nèi)阻取平均值，歷史數(shù)據(jù)所得單體電池歐姆內(nèi)阻平均值Rnew為9.26 mΩ，在相同的環(huán)境工況下，測(cè)得當(dāng)前整組動(dòng)力電池的單體電池歐姆內(nèi)阻平均值Rnow為9.77 mΩ，根據(jù)式(4)得到如下結(jié)果：

100%=93.5%

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，當(dāng)前整組電池的健康狀態(tài)良好，滿足當(dāng)前動(dòng)力需求，這為內(nèi)阻評(píng)價(jià)法或端電壓評(píng)價(jià)法提供了保證.

5 結(jié)論與展望

本文對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行了研究，得出歐姆內(nèi)阻是表征電池性能衰退的指標(biāo)，極化內(nèi)阻在不同的壽命階段變化并不明顯；提出了相對(duì)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)電池歐姆內(nèi)阻定義了評(píng)價(jià)方法，該相對(duì)健康狀態(tài)評(píng)價(jià)方法能很好地避免環(huán)境溫度、充放電電流大小、不同SOC等因素對(duì)電池SOH評(píng)價(jià)困難的問題；然后結(jié)合歐姆內(nèi)阻與電池工作時(shí)端電壓間的關(guān)系，又提出采用端電壓法來評(píng)價(jià)動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池的SOH，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，且相對(duì)于歐姆內(nèi)阻評(píng)價(jià)法更簡(jiǎn)便.

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，本文只對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了試驗(yàn)研究，所提出的端電壓法是否對(duì)其他材料體系的電池適用還有待研究；整組電池的健康狀態(tài)良好為單體電池的評(píng)價(jià)提供了依據(jù)，整組電池的老化會(huì)如何影響相對(duì)健康狀態(tài)方法對(duì)單體電池SOH的評(píng)價(jià)將是下一步研究重點(diǎn).

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Study on Methods for Estimating the State of Health of Battery Pack

YAN Xiang-wu, GUO Qi?, YANG Yang, ZHANG He-chuan, WANG Li-na

(State Key Laboratory of New Energy Power System, North China Electric Power Univ, Baoding，Hebei 071003, China)

In order to estimate the state of health (SOH) of single cell in battery pack, this paper researched on the battery’s polarization resistance and the Ohmic resistance emphatically. An evaluation methodology of the single cell’s relative SOH was proposed on the basis of battery’s internal resistance, and the SOH of single cell was evaluated using the terminal voltage combining with the internal resistance’s effect on terminal voltage under working condition. and the result analysis of comparative experiment verified that the proposed method had high accuracy and effectiveness.

battery pack; polarization resistance; Ohmic resistance; state of heath(SOH)

1674-2974(2015)02-0093-07

2014-06-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃) 資助項(xiàng)目(2011AA11A279)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZD30)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014502109)

顏湘武(1965-)，男，湖南醴陵人，華北電力大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師?通訊聯(lián)系人，E-mail:ncepugq126@163.com

TM912

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