基于内阻在线测试的动力电池寿命监控方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种动力电池寿命测试方法，特别是涉及一种基于内阻在线测试的动 力电池寿命监控方法。
【背景技术】
[0002] 动力蓄电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故。因此动力电池检测与监控 一直是国内外研宄的热点问题。检测动力电池的使用寿命是否终结的主要依据是动力电池 的剩余容量是否满足工作要求，容量的大小不仅与动力电池的运行参数如工作电流、终端 电压、环境温度因素等相关，也与动力电池的构造参数相关，如电解液密度、电池内阻等。对 于动力电池寿命的测试，主要可以分为传统方法和基于内阻测试的方法两类，
[0003] 据北京交通大学卢峰在【铁道机车车辆】2007年的第27卷第5期P50~52撰文 "机车蓄电池检测技术探讨与应用"中指出，传统蓄电池性能测试方法包括电压测试法、全 容量放电法、不完全放电测试法等多种方法。其中电压测试法操作简单能较有效地检测其 现况。但对工业蓄电池，仅凭该方法不能反映电池容量与状况，是一种不完全的检测方法。 而其他几种方法都必须建立专门的测试环境，无法实现动力电池的在线测试。
[0004] 另据电子和电气工程师协会IEEEStd1188-1996的标准可知，蓄电池的内阻与电 池性能存在可靠的关系，它不仅反映电池当前的荷电状态，而且还反映电池的劣化程度；特 别是它的变化倾向包含着其性能和寿命，显然通过测试电池内阻及其变化规律是判断电池 寿命的较好途径。在探索内阻测试方法方面，杨振吉在《宇航计测技术》2011年2月第31 卷第1期P53-56撰文"电池内阻测量系统设计"指出，电池内阻测试目前主要有两种方法， 即直流放电法和交流法。其中精度较高的交流法通过对电池注入一个幅度稳定的低频交流 电流信号，测出电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电 池的内阻。但是，目前的测试方法很难在线实施，无法用于行车过程中对电池的在线监控。
[0005] 综上，对于电池寿命的测试，不论采用传统方法还是基于内阻测试方法，都必须离 线进行，很难在车载电池组中应用。
【发明内容】
[0006] 为了克服现有动力电池寿命测试方法实用性差的不足，本发明提供一种基于内阻 在线测试的动力电池寿命监控方法。该方法在额定负载情况下，对动力电池端电压-放电 电流值进行测量，获得动力电池的当前运行状态值。在连续测量的基础上，求得动力电池内 阻初值。然后，利用最小二乘拟合的方法，求得满足"平方误差最小"的优化目标，并解算出 一次测量动力电池内阻值R(i)。经过多次测量，得到一串能反映较长时段内动力电池内阻 变化规律的递变序列{R(i)}i= 1，2,…，m。最后，并结合动力电池的投入使用时间、利用 率等历史记录，通过数据处理，得到动力电池的当前寿命状态，并预测未来时间段的变化及 可用程度。由于动力电池内阻的求解是基于额定负载下动态测得，克服了"交流阻抗法"脱 离实际工况造成"虚值"的弊端，方法简单，无需离线测量。
[0007] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于内阻在线测试的动力电池 寿命监控方法，其特点是采用以下步骤：
[0008] 步骤一、在被测动力电池满负荷工作状态，实时测量电压和电流值，利用欧姆定理 实时求得动力电池一个内阻参考值；经过多次采集后，得到动力电池内阻参考值序列。同 时，采集动力电池启用时间、实际拖载时间、用前搁置时间间隔以及当前环境温度，并对采 集值进行矫正。然后，对采集值采用非线性拟合，求出本次测量的采集值动力电池内阻估计 值。即
[0009] ①定义数据串。在每次测量中，采集1~n个动力电池端电压-电流的状态量 {I(j)_V(j)}，经过解算，获得一个准确的内阻值R(i)，这里i代表第i次测量；经过多次测 量后，只截取最近发生的m次数据[R(I)~R(m)]进行动力电池寿命解算。
[0010] ②数据采集。
[0011] 在动力电池供电的额定工作状态下，用电流/电压霍尔器件组合测量动力电池端 部电流、电压的原始值，经A/D转换后送入MCU。
[0012] ③预处理。
[0013] 在原始数据中抽取其中电流_电压数据较平稳、且在测试范围时段部分，并规范 其数据结构。
[0014] ④确定有效采集量。
[0015] 对已采集的有效数据排序，并结合动力电池、启用时间2T(k)、实际拖载时间 2t(i)、用前搁置时间间隔At(i)以及当前环境温度T(k)进行矫正，剔除飞值；进而判断 动力电池端电压-电流的状态量{I(j)_V(j)}序列的长度N是否满足要求，确定是否进入 步骤二。
[0016] 步骤二、调用前几次测量求得的动力电池内阻估计值，构成基于多次估计值的时 间递增数据列。然后，对数据列进行线性拟合，求得当前动力电池动态电阻的估计值，并预 测其变化率及其未来走势。即
[0017] 采用最小二乘法构建动力电池内阻的曲线模型。
【主权项】
1. 一种基于内阻在线测试的动力电池寿命监控方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、在被测动力电池满负荷工作状态，实时测量电压和电流值，利用欧姆定理实时 求得动力电池一个内阻参考值；经过多次采集后，得到动力电池内阻参考值序列；同时，采 集动力电池启用时间、实际拖载时间、用前搁置时间间隔以及当前环境温度，并对采集值进 行矫正；然后，对采集值采用非线性拟合，求出本次测量的采集值动力电池内阻估计值；即 ① 定义数据串；在每次测量中，采集1~η个动力电池端电压-电流的状态量{I(j)_ V (j) }，经过解算，获得一个准确的内阻值R(i)，这里i代表第i次测量；经过多次测量后， 只截取最近发生的m次数据[R(I)~R(m)]进行动力电池寿命解算； ② 数据采集； 在动力电池供电的额定工作状态下，用电流/电压霍尔器件组合测量动力电池端部电 流、电压的原始值，经A/D转换后送入MCU ; ③ 预处理； 在原始数据中抽取其中电流_电压数据较平稳、且在测试范围时段部分，并规范其数 据结构； ④ 确定有效采集量； 对已采集的有效数据排序，并结合动力电池、启用时间ΣΤΟΟ、实际拖载时间 用前搁置时间间隔Ata)以及当前环境温度τ(k)进行矫正，剔除飞值；进而判断动力电池 端电压-电流的状态量{I(j)_v(j)}序列的长度N是否满足要求，确定是否进入步骤二； 步骤二、调用前几次测量求得的动力电池内阻估计值，构成基于多次估计值的时间递 增数据列；然后，对数据列进行线性拟合，求得当前动力电池动态电阻的估计值，并预测其 变化率及其未来走势；BP 采用最小二乘法构建动力电池内阻的曲线模型；
对方程组求解，得ap &1、a2之值，得到动力电池内阻拟合序列！/%/')丨； 然后，在[叩'以⑵,…,/7⑷]中通过/?(/) = ./_[//)]进行求中值运算，提取中值，得到第m 次的准确值R(i)，i = m ; ①输入j = 1，2, 一k时刻的实测数据序列： {I(j)_V(j)} ：I(1)_V(1), I(2)_V(2), ···, I(k)_V(k)； ② 利用欧姆定律计算动态电阻序列[r(l)，r(2)，···，!〇〇]; ③ 以动态电阻序列[r(l)，r(2)，···，!〇〇]为输入值，以R(i)为目标值，采用最小二乘 方法拟合； ④ 通过以获得的拟合线段，取其中值平均，求得第m次测量的动力电池内阻准确值 R(i), i = m ； 步骤三、将已获得的动力电池内阻估计值及其预测值与数据表进行比较，得出动力电 池寿命的结论；即 以m次测量中所求的{R(i)} :R(i) =R(l)，R(2)，一，R(m)为输入值，并建立线性拟合 方程，如式（4)所示： R{i) = A() + A,R{i) (4)
其中i = 1，2, ···!]!，表示第i次测量，求得ApA1之值，得到截止当前时刻动力电池的拟 合线；然后，求出所述拟合线末段之极值，得到当前内阻值可m);并令该段斜率4为动力电 池内阻当前变化斜率A1 (m)，即为动力电池老化速率； 对于已求得的拟合线，将其中及(m-Ι)、珩m)两点间的线段外推一个或N个单位时 间，推得k+Ι或k+N时刻的动力电池内阻的预测值》[(/?? + Λ〇//·;?]，计算公式为：
式中N = 1，2, 3,…，表示预测的步长数； 通过预测内阻值，判断动力电池在未来的寿命状态； ① 调用历史数据和本次的量测值R(i)，i = m，形成基于不同次测量的数据序列： {R(i)} = {R(1),R(2),-,R(m-l),R(m)} ② 利用线性拟合，求解动力电池当前状态i = m的终值/7( ?)及其变化率A1 (m); ③ 以歹(m)及其变化率A1(Hi)为主，以辅助参数Σ T (k)、2t(i)为参考量，与已建立的 状态表比较，确定动力电池的当前寿命状态； ④ 采用线性外推方法求解动力电池组下一步的状态+ ，并确定未来的寿命 状态； ⑤ 输出结果，并提示或报警。
【专利摘要】本发明公开了一种基于内阻在线测试的动力电池寿命监控方法，用于解决现有动力电池寿命测试方法实用性差的技术问题。技术方案是在额定负载情况下，对动力电池端电压-放电电流值进行测量，获得动力电池的当前运行状态值。在连续测量的基础上，求得动力电池内阻初值。然后，利用最小二乘拟合的方法，求得满足“平方误差最小”的优化目标，并解算出一次测量动力电池内阻值R(i)。经过多次测量，得到一串能反映较长时段内动力电池内阻变化规律的递变序列{R(i)}i＝1,2,…,m。最后，并结合动力电池的投入使用时间、利用率等历史记录，通过数据处理，得到该电池的当前寿命状态，并预测未来时间段的变化及可用程度。该方法简单实用，无需离线测量。
【IPC分类】G01R31-36, G01R27-08
【公开号】CN104678320
【申请号】CN201510114104
【发明人】景占荣, 羊彦, 刘莉, 高田
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月16日