鋰電池健康狀態(tài)監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)研究

陳 滿，李勇琦，劉邦金，王 浩

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510630；2.杭州高特電子設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310012）

鋰電池健康狀態(tài)監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)研究

陳 滿1，李勇琦1，劉邦金1，王 浩2

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東 廣州 510630；2.杭州高特電子設(shè)備有限公司，浙江 杭州 310012）

研究了影響鋰電池健康狀態(tài)的各種因素，提出了一種新的荷電狀態(tài)預(yù)估算，結(jié)合了不同開路時(shí)間下的開路電壓修正，以及充放電過程中的區(qū)域性修正，同時(shí)也提出了一種Levenberg-Marquardt優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，并驗(yàn)證了算法的有效性。

鋰電池；健康狀態(tài)；開路電壓；區(qū)域修正；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境問題越來越得到重視。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的過程中，需要在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)合理利用不可再生資源。儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等正是由此而產(chǎn)生和發(fā)展的社會(huì)產(chǎn)品。在我國，國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)和研究單位已經(jīng)在進(jìn)行大容量儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制。國內(nèi)第一個(gè)MW級電池儲(chǔ)能站深圳寶清電池儲(chǔ)能站也投入了運(yùn)行。由于前期各個(gè)研究機(jī)構(gòu)主要集中在大容量電池的研發(fā)上，忽視了鋰電池的監(jiān)測技術(shù)以及大容量儲(chǔ)能電池堆的運(yùn)行維護(hù)技術(shù)。為了儲(chǔ)能系統(tǒng)的健康高效的使用，除了提高鋰電池本身工藝等性能外，最重要的就是鋰電池如何被有效地使用，最大限度的提高鋰電池的使用壽命，這一目標(biāo)為我們研究電池健康狀態(tài)的監(jiān)測與評價(jià)技術(shù)指出了方向。電池的健康狀態(tài)主要有兩個(gè)方面，①電池的SOC狀態(tài)，即荷電狀態(tài)[1]，②電池的SOH狀態(tài)，即健康狀態(tài)。通過對SOC與SOH評價(jià)，可以淺顯的告訴使用者當(dāng)前電池的剩余容量是多少，還能使用多少時(shí)間，同時(shí)有效地控制充電放電策略。當(dāng)各個(gè)指標(biāo)出現(xiàn)不同的變化時(shí)，使用者應(yīng)該采取相應(yīng)措施對電池進(jìn)行維護(hù)，最終達(dá)到儲(chǔ)能電站合理、高效、長期的運(yùn)行。

2 研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有涉及到SOC的計(jì)算方法一般有以下幾種：①開路電壓測量法，鋰電池開路電壓與SOC有一定的正比關(guān)系，故通過測量電池的開路電壓來估算SOC[2]；但是，實(shí)際使用中比較難獲取到穩(wěn)定的電壓進(jìn)行估算，且在電壓平穩(wěn)階段估算誤差比較大。②電量累積法，即安時(shí)積分法[3]，在初始SOC下通過累積電池在充電或放電過程中的電量來估測電池的SOC，采用積分法實(shí)時(shí)計(jì)算充入電池和從電池放出的電量；但是會(huì)隨著時(shí)間的推移以及采集誤差導(dǎo)致SOC誤差越來越大，且初始的SOC難以確定。③測量內(nèi)阻法，使用不同頻率交流電測量電池的交流電阻，并通過建立的計(jì)算模型得到SOC估計(jì)值；但是只反映了電池在某特定恒流放電條件下的SOC，且這種方法實(shí)現(xiàn)比較困難，在電池開路狀態(tài)還是充放電過程中進(jìn)行交流阻抗測量存在爭議，電池管理系統(tǒng)中較少應(yīng)用這種方法來確定電池的荷電狀態(tài)。④通過簡單的數(shù)學(xué)模型[4-5]來計(jì)算，建立電池多種數(shù)據(jù)與SOC的線性模型，但是，對一些不確定的充放電情況，會(huì)出現(xiàn)惡劣的結(jié)果，同時(shí)建模的效果不確定。

3 反映鋰電池健康狀態(tài)的因素

電池本身是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)體系，其健康狀態(tài)與制造工藝、內(nèi)部活性物質(zhì)、電極材料、運(yùn)行環(huán)境等因素都息息相關(guān)。目前使用的鋰電池是密封結(jié)構(gòu)，無法得知內(nèi)部的情況，只能采集到表面數(shù)據(jù)，如單體電壓、組電流、均衡電流、單體溫度、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)，一般只能通過上述數(shù)據(jù)來預(yù)估電池情況、判斷電池健康狀態(tài)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)所采集的電池?cái)?shù)據(jù)，從中我們分析并提取出了可以反映出電池健康狀態(tài)（SOC、SOH）的因素[6]。

3.1 開路電壓

鋰離子電池的端電壓在其充放電過程中變化較大。所以，我們無法在運(yùn)行過程中利用端電壓估計(jì)電池的剩余容量。但是，當(dāng)電池?cái)嚯姾螅挫o止后），其開路電壓隨著時(shí)間的延長會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)穩(wěn)定的開路電壓與其容量的關(guān)系較為明確，如圖1。

圖1 某磷酸鐵鋰電池的開路電壓與SOC的關(guān)系

隨著鋰電池極化電壓的逐漸消除，開路電壓趨于穩(wěn)定，這時(shí)穩(wěn)定的開路電壓就能表征其內(nèi)部容量。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得到，不同鋰電池開路電壓與SOC的關(guān)系是不同的，但特定鋰電池在不同的溫度環(huán)境，充放電狀態(tài)，不同老化程度以及不同的放電倍率下都表現(xiàn)出良好的一致性。

3.2 環(huán)境溫度

磷酸鐵鋰電池的特性與環(huán)境溫度緊密相關(guān)。磷酸鐵鋰電池的容量在低溫下迅速降低，在高溫下上升，高溫下的容量變化速度明顯小于低溫下的容量變化速度；隨溫度上升，充電和放電過程的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻均下降，溫度不同時(shí)電池的歐姆內(nèi)阻變化率高于極化內(nèi)阻變化率，低溫下歐姆內(nèi)阻的變化率大于高溫下的變化率；電池在放電過程中會(huì)因?yàn)閮?nèi)部損耗而產(chǎn)生熱量，引起電池內(nèi)部溫度的升高。鋰電池的溫度變化會(huì)引起電池內(nèi)阻、電池容量及充放電效率的抖動(dòng)。若溫度過低，電池內(nèi)阻迅速變大，電池容量衰減明顯。因此，在對電池進(jìn)行容量診斷時(shí)需要考慮溫度的影響。

3.3 自放電

電池充滿電后，在常溫放置條件下，與外界電路沒有接觸，由于內(nèi)部反應(yīng)其電容量會(huì)自然衰減。電池蓄電容量減少的量與額定容量的比例稱為自放電率，以每月或每年容量損失的百分?jǐn)?shù)表示。鋰電池的自放電率一般較低。隨著鋰電池使用時(shí)間的增加，電池內(nèi)部損耗變大，自放電率逐漸變大，單體電池間自放電率不同造成電池組容量衰減變快，進(jìn)而縮短電池的使用壽命。

3.4 循環(huán)次數(shù)

多次循環(huán)后電池的性能下降，如圖2所示：

圖2 多次循環(huán)后電池的性能變化情況

另外電池組在實(shí)際循環(huán)中，盡管每個(gè)單體電池嚴(yán)格篩選，但是，由于串聯(lián)組合上的接觸電阻及隨著循環(huán)各單體電池端電壓的不一致性現(xiàn)象，導(dǎo)致電池組的壽命大幅下降。

3.5 充放電倍率

電池組的充電方式、放電功率和放電深度不同對電池壽命的影響不同。過充電、過放電都將嚴(yán)重影響電池組的使用壽命；深放電工況下的電池組循環(huán)壽命比淺放電工況下的電池組壽命短；充放電功率超出最佳充放電電流也會(huì)影響電池組使用壽命。因此，長期大電流、深放電的工作特性決定電池組的容量衰減系數(shù)較大。

3.6 電池運(yùn)行狀況

電池長期運(yùn)行的工況對電池健康狀態(tài)的影響很大。如電池長期靜置，不間斷大電流充放電，頻繁間斷式充放電等。

4 鋰電池SOC分析模型

以下研究是通過實(shí)驗(yàn)分析得到實(shí)時(shí)的電池容量診斷模型，通過安時(shí)積分法計(jì)算鋰電池能量的累積，并在一定條件下利用開路電壓法對SOC進(jìn)行修正。電池SOC誤差過大時(shí)會(huì)啟動(dòng)區(qū)域性修正。區(qū)域性修正是根據(jù)充放電過程中不同區(qū)域的電池特征進(jìn)行的一些修正。在開路過程中，在特定條件下，利用開路電壓法對SOC進(jìn)行修正，同時(shí)考慮了不同開路時(shí)間的影響。

首先，對于初始SOC獲取，當(dāng)沒有其他數(shù)據(jù)參考的情況下，一般只能通過電壓來獲取初始SOC，而其中使用穩(wěn)定后的開路電壓是較好的方案；但是，在實(shí)際中這樣的條件是比較難滿足的，比如初始條件不在靜置狀態(tài)，開路電壓也并未穩(wěn)定等等。

如使用開路電壓與SOC的關(guān)系曲線獲得SOC，當(dāng)鋰電池處于開路狀態(tài)的時(shí)間間隔過短時(shí)，由于極化電壓較大會(huì)導(dǎo)致結(jié)果誤差較大；所以一種方法是可以等穩(wěn)定后的電壓進(jìn)行計(jì)算，也可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用電池放電或充電后開路電壓回升或下降的短時(shí)變化來判定電池SOC，如圖3，無需等到開路電壓穩(wěn)定后進(jìn)行SOC計(jì)算，做到在短時(shí)間內(nèi)簡單有效的判斷電池的SOC情況。

圖3 放電至不同SOC后開路電壓的變化曲線

其次，應(yīng)用安時(shí)積分法對工作狀態(tài)中的鋰電池SOC進(jìn)行計(jì)算。其基本思想是把不同電流下的放電電量等效成某個(gè)特定電流下的放電電量，再根據(jù)剩余電量來判定SOC。等效放電電量公式如下：

t：充放電時(shí)間，即 t1，t2的時(shí)間間隔；λ：不同充放電的修正系數(shù)；I：充放電電流。

t2時(shí)刻的SOC2計(jì)算公式如下：

SOC1是t1時(shí)刻的荷電狀態(tài)，C0是鋰電池在充滿電后以標(biāo)定的電流恒流放電所具有的容量。

在安時(shí)積分法中由于電池自放電、充放電效率問題，設(shè)備采集頻率和設(shè)備采集精度等問題，誤差不斷積累、SOC估計(jì)值最終可能嚴(yán)重偏離實(shí)際值，因此，我們在利用安時(shí)積分法記錄電池的容量變化的同時(shí)，有選擇性的在開路狀態(tài)下對電池SOC進(jìn)行修正。當(dāng)SOC在0%～30%或90%～100%范圍內(nèi)時(shí)，開路電壓值的變化比較大，有比較明顯的正比關(guān)系，此時(shí)進(jìn)行修正較合適。得到開路電壓穩(wěn)定時(shí)間的計(jì)算如下：

我們可以試驗(yàn)得到不同的倍率下基于不同SOC的開路電壓穩(wěn)定時(shí)間及開路電壓值，針對特定SOC開路電壓穩(wěn)定時(shí)間及開路電壓值的計(jì)算公式如下：

Ti是特定SOC下第i種倍率下的開路電壓穩(wěn)定時(shí)間；

n為有n種試驗(yàn)倍率；

為了更好的修正SOC，本文提出了一種區(qū)域性修正方法，該方法是指根據(jù)充放電過程中的充放電電流、溫度、電壓等數(shù)據(jù)在符合特定條件的時(shí)候?qū)﹄姵亟M中的各單體電池SOC進(jìn)行修正。

由于電壓的采集精度及電池的工藝問題，即使充放電電流及溫度保持一致的前提下，電壓值對應(yīng)的SOC值也存在波動(dòng)，特別在電壓平臺(tái)區(qū)間，電壓值細(xì)微波動(dòng)時(shí)，對應(yīng)的SOC的值會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，所以，為了提高SOC的修正精度，可以選擇特定電壓區(qū)間進(jìn)行修正，確保在該電壓區(qū)間內(nèi)電壓采集及電池工藝差異導(dǎo)致的電壓誤差不會(huì)造成SOC的波動(dòng)。

圖4為180Ah電池在常溫下0.3C的放電特征曲線，可以明顯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓小于3.2V時(shí)，隨著SOC的下降電壓的下降速率越來越大，即在單位時(shí)間內(nèi)電壓的變化較大，SOC的變化較小。

圖4 鋰電池0.3C放電電壓與SOC對應(yīng)曲線

圖5為180Ah電池在常溫下0.3C的充電特征曲線，磷酸鐵鋰電池在快充滿電時(shí)（SOC>90%），鋰離子幾乎完全從正極脫嵌到負(fù)極，電池端電壓會(huì)快速上升，出現(xiàn)充電曲線的上翹現(xiàn)象，同時(shí)SOC的增長速率較小；在充電初期（SOC<20%），隨著電壓的快速上升，SOC的增長速率較小。因而在上述兩種情況下可進(jìn)行單體電池SOC的修正，準(zhǔn)確度較高。

圖5 鋰電池0.3C充電電壓與SOC對應(yīng)曲線

5 鋰電池SOH分析模型

鋰電池的壽命狀態(tài)SOH與多種因素有關(guān)，為了準(zhǔn)確預(yù)測電池壽命狀態(tài)，必須弄清楚能體現(xiàn)SOH的特征參數(shù)。通過上文的研究，鋰電池SOH與很多因素有關(guān)，是一個(gè)既重要又難以估計(jì)的電池狀態(tài)。要準(zhǔn)確預(yù)測電池的SOH，就需要將上述特征變量準(zhǔn)確估計(jì)，依靠特征參數(shù)值的變化來推測電池的健康狀況。這其中有些特征隨著電池壽命的衰減變化明顯，有些則變化較緩慢。

通過采集得到數(shù)據(jù)主要有以下幾種：溫度、電壓、電流等。我們通過對鋰電池電壓、溫度、電流等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，同時(shí)考慮電池組的總充電容量及總放電容量、使用時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、使用環(huán)境等因素，可以實(shí)現(xiàn)鋰電池健康狀態(tài)的評估。

5.1 Levenberg-Marquardt優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

本文中我們使用基于Levenberg-Marquardt優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7]計(jì)算SOH。其網(wǎng)絡(luò)具體結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

計(jì)算過程介紹如下：

（1）設(shè)置初始權(quán)值和閥值；

（2）計(jì)算輸出及隱層的狀態(tài)，勵(lì)函數(shù)為Sigmoid函數(shù)；

（3）判斷誤差，修正權(quán)值和閾值，當(dāng)誤差達(dá)到設(shè)定的預(yù)期值，結(jié)束循環(huán)，輸出結(jié)果。

（4）Levenberg-Marquardt修正方法

對權(quán)值和閾值進(jìn)行修正具體的方法如下：

式中：

H：Hessian 矩陣；diag[H]：Hessian 矩陣的對角矩陣；λ：根據(jù)訓(xùn)練誤差而改變的變量參數(shù)，范圍[10-6,106]；d：修正參量的下降梯度。

5.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

通過上述的研究，我們對單體電池設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取。

表1 進(jìn)行電池組循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)的不同因素取值表

通過以上的實(shí)驗(yàn)來獲取所需要的數(shù)據(jù)，下面主要舉例說明電池各項(xiàng)特征的提取方式：

（1）通過文獻(xiàn)以及前期的部分研究，開路電壓與電池容量有一定的相關(guān)性。同時(shí)，低溫下的荷電狀態(tài)—開路電壓曲線低于高溫下的曲線，但總體上，曲線受溫度的影響并不顯著。開路特征可以表現(xiàn)為鋰電池的開路電壓與其自身初始開路電壓的比值。

（2）鋰電池溫濕度系數(shù)特征的得取：通過實(shí)驗(yàn)可以建立電池容量衰減與溫度濕度的關(guān)系。

（3）鋰電池循環(huán)系數(shù)特征的得取：由于電池在運(yùn)行過程中無法做到實(shí)驗(yàn)環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)，我們需要通過不同電流實(shí)驗(yàn)，將運(yùn)行過程中的充放電轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)。

（4）通過靜置實(shí)驗(yàn)來獲取電池的自放電對容量的損害。

（5）其他存在的特征量。

通過該方法對鋰電池電壓、溫度、電流、內(nèi)阻等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)鋰電池性能評估；最終可以得到一個(gè)SOH的函數(shù)：

6 算法驗(yàn)證

本文為了驗(yàn)證電池SOC預(yù)估算法的有效性，搭建的電池組環(huán)境為一個(gè)12節(jié)鋰電池組，該電池的額定容量為180Ah，平臺(tái)電壓為3.2V；測試了一個(gè)放電過程驗(yàn)證SOC預(yù)估算法的有效性，記錄放電開始時(shí)刻及結(jié)束時(shí)刻的SOC真實(shí)值，放電倍率為0.5C，放電時(shí)間為75min。放電過程中電池組對應(yīng)的電壓曲線如圖7；放電過程中電池組中各單體電池對應(yīng)的SOC變化曲線如圖8。

圖7 放電電壓曲線

圖8 放電SOC曲線

對上述實(shí)驗(yàn)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理得到SOC誤差的變化趨勢，如表2所示。

由表2可以看出，放電初始時(shí)刻誤差最大的第11節(jié)單體電池誤差為12%個(gè)SOC值，到了放電結(jié)束時(shí)刻縮減到2%個(gè)SOC值，同時(shí)第2節(jié)單體電池的SOC誤差也從11%縮減到了4%個(gè)SOC值，同時(shí)整個(gè)放電過程不存在SOC誤差擴(kuò)大現(xiàn)象，由此可以明顯看出，上述提出的SOC預(yù)估算法合理有效，適合應(yīng)用于電池組及電池堆容量診斷。

表2 放電初始及結(jié)束誤差數(shù)據(jù)

7 應(yīng)用

本文中模型經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，通過在線監(jiān)測設(shè)備獲取電池電壓、溫度、電流等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并將上述數(shù)據(jù)輸入模型計(jì)算，得到更加準(zhǔn)確的電池荷電狀態(tài)及健康狀態(tài)。

利用電池的荷電狀態(tài)及健康狀態(tài)有效地挑選需要維護(hù)與替換的電池，提高電池組的整體利用效率，盡可能的釋放或存儲(chǔ)電池組的容量，提高電池堆、電池組的最大可用容量。同時(shí)可以指導(dǎo)儲(chǔ)能電站等環(huán)境下充放電運(yùn)行策略，決定各電池組的充放電操作。從而避免電池的過負(fù)荷工作，有效地保護(hù)電池，延長使用壽命，節(jié)約成本。

[1]董婷婷.動(dòng)力電池管理系統(tǒng)SOC標(biāo)定方法研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

[2]喬國艷.電動(dòng)汽車管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[3]ZHU Chunbo，WANG Tiecheng，HURLEY W G.A new state of charge determination method for battery[J]Journal of Harbin Institute of Technology,2004，11（6）.

[4]Kalhammer Fritz R.Hybrid Electric Vehicle Designs and their battery requirements[C]//.Proceedings of the first annual AABC（Advanced Automotive Battery Conference）,session 2.Las Vagas,Nevada:2001-02

[5]肖玉萍.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)[D].北京：北方工業(yè)大學(xué)，2005.

[6]林成濤,王軍平，陳全世.電動(dòng)汽車SOC估計(jì)方法原理與應(yīng)用[J].電池，2004（5）.

[7]Looney C G.Fuzzy Petri Nets and Application[M]//Tzafestas S G.Fuzzy Reasoning in Information,Decission and Control System.Kluwer Academic Publishers,1994:511-527.

The research of Li-ion battery health monitoring and evaluation technology

CHEN Man1, LI Yong-qi1, LIU Bang-jin1, WANG Hao2

(1. CSG Power Generation Company, Guangzhou 510630, China;2.Hangzhou Gold Electronic Equipment Company, Hangzhou 310012, China）

The influence factors of Li-ion battery SOH are investigated and a new kind of SOC estimation algorithm has been put forward in this paper, which combines open-circuit voltage correction in different open time with the domain modification in the charge and discharge process. This paper also presents Levenberg-Marquardt optimization BP neural network algorithm, and the effectiveness of the algorithm has been demonstrated.

Li-ion battery; SOH; OCV; Domain modification; Neural networks

TM912

A

1672-5387（2015）S-0077-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.023

2015-10-22

陳 滿（1973-），男，高級工程師，從事抽水蓄能電站機(jī)組檢修技術(shù)及電池儲(chǔ)能技術(shù)研究工作。