動(dòng)力電池SOH估計(jì)

動(dòng)力電池SOH預(yù)計(jì)動(dòng)力電池的存儲(chǔ)能力與快速充放電能力均會(huì)隨著老化而不停下降，而SOH正是用于評(píng)價(jià)動(dòng)力電池老化程度的量化指標(biāo)。動(dòng)力電池SOC的精確預(yù)計(jì)依賴于精確的SOH值，預(yù)知SOH開展的SOC預(yù)計(jì)不含有實(shí)用性，僅能為SOC預(yù)計(jì)辦法提供初步借鑒。4.2.1動(dòng)力電池SOH辦法分類動(dòng)力電池的SOH與動(dòng)力電池的老化過(guò)程親密有關(guān)，而老化最直觀的體現(xiàn)為動(dòng)力電池可釋放能量減少和功率等級(jí)下降，內(nèi)部反映為動(dòng)力電池容量衰減和內(nèi)阻增加，因此，常將動(dòng)力電池容量和內(nèi)阻作為SOH的評(píng)價(jià)指標(biāo)。普通來(lái)說(shuō)，新動(dòng)力電池的SOH被設(shè)定為100%，對(duì)于以動(dòng)力電池容量需求為主的純電動(dòng)汽車而言，可認(rèn)為動(dòng)力電池容量達(dá)成初始容量的80%時(shí)動(dòng)力電池不能滿足正常需求；而對(duì)于以動(dòng)力電池功率需求為主的混合動(dòng)力汽車而言，則常采用2倍的初始內(nèi)阻值作為動(dòng)力電池終止使用條件。SOH預(yù)計(jì)辦法可分為兩大類，即實(shí)驗(yàn)分析法與基于模型的辦法，如圖4-13所示。前者指通過(guò)對(duì)采集到的動(dòng)力電池電流、電壓、溫度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相對(duì)直接地獲取某些能反映動(dòng)力電池衰退的特性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定，根據(jù)所選動(dòng)力電池參數(shù)的不同，它又可分為直接測(cè)量法與間接分析法；而后者則需采用動(dòng)力電池模型對(duì)所選動(dòng)力電池參數(shù)進(jìn)行預(yù)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定，根據(jù)所選預(yù)計(jì)算法的不同，它又可分為自適應(yīng)狀態(tài)預(yù)計(jì)算法與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的辦法。圖4-13SOH預(yù)計(jì)辦法分類1.直接測(cè)量法直接測(cè)量法指通過(guò)直接測(cè)量動(dòng)力電池某些特性參數(shù)，并以此來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力電池SOH，重要涉及容量/能量測(cè)量法、歐姆內(nèi)阻測(cè)量法、阻抗測(cè)量法以及循環(huán)周期計(jì)數(shù)法。(1)容量/能量測(cè)量法指通過(guò)動(dòng)力電池容量或能量的精確、直接測(cè)量，來(lái)擬定動(dòng)力電池SOH。顯然，容量和能量的精確測(cè)量最少需要兩個(gè)前提條件：①確保充放電過(guò)程的完整性。②確保采集精度足夠高，這就意味著此辦法只能在實(shí)驗(yàn)室或其它相對(duì)穩(wěn)定的條件下使用。對(duì)于實(shí)車環(huán)境而言，則往往需要用到容量在線辨識(shí)的辦法。（2）歐姆內(nèi)阻測(cè)量法指通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)力電池歐姆內(nèi)阻來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力電池SOH，計(jì)算辦法如式(4-34)所示，即動(dòng)力電池電壓變化量與電流變化量之比。相對(duì)動(dòng)力電池容量而言，歐姆內(nèi)阻更容易測(cè)量，在實(shí)車過(guò)程中忽然制動(dòng)或者加速均會(huì)引發(fā)較大的動(dòng)力電池電流與電壓的變化。但是，除了動(dòng)力電池SOH與溫度的影響外，歐姆內(nèi)阻也會(huì)隨著SOC的變化而變化，且它受電流、電壓采樣間隔的影響較為明顯，即采樣間隔越小，越靠近于歐姆內(nèi)阻真實(shí)值。同時(shí)，在計(jì)算歐姆內(nèi)阻時(shí)，應(yīng)限定ΔiL的最小絕對(duì)值，否則會(huì)造成成果的激烈波動(dòng)。式中，ΔUt為動(dòng)力電池脈沖電壓；ΔiL為動(dòng)力電池脈沖電流。（3）阻抗測(cè)量法則需要借助電化學(xué)工作站或其它相似功效的交流電激勵(lì)設(shè)備來(lái)測(cè)量動(dòng)力電池EIS。圖2-32給出了不同老化狀態(tài)下的動(dòng)力電池EIS，能夠發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池EIS與動(dòng)力電池老化狀態(tài)之間存在著明顯的關(guān)系。并且在不同頻率的激勵(lì)下，動(dòng)力電池的反饋也有所不同。對(duì)于高頻階段，動(dòng)力電池布線與多孔構(gòu)造的誘導(dǎo)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，即阻抗更多體現(xiàn)為歐姆特性；而在低頻階段，電容效應(yīng)則會(huì)變得更為明顯。因此，在獲取動(dòng)力電池EIS后，即可通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池EIS中某些特性參數(shù)的提取來(lái)標(biāo)定動(dòng)力電池SOH。2.間接分析法間接分析法是一種典型的多步推導(dǎo)辦法，它不會(huì)直接計(jì)算出動(dòng)力電池容量或內(nèi)阻值，而是通過(guò)設(shè)計(jì)或測(cè)量某些能反映動(dòng)力電池容量或內(nèi)阻衰退的過(guò)程參數(shù)，來(lái)標(biāo)定動(dòng)力電池SOH。普通將這些過(guò)程參數(shù)稱為健康因子，重要涉及SEI膜阻抗、動(dòng)力電池容量-OCV-SOC響應(yīng)面、電壓響應(yīng)軌跡或恒壓階段充電時(shí)間、增容(IncrementalCapacity,IC)曲線或差分電壓(differentialVoltage,DV)曲線、超聲波響應(yīng)特性等。固然，也能夠選用兩個(gè)及兩個(gè)以上的健康因子共同評(píng)價(jià)動(dòng)力電池SOH。①動(dòng)力電池端電壓響應(yīng)直接反映了動(dòng)力電池內(nèi)部反映特性，因而可基于控制變量法，分析特定SOC、溫度以及電流輸入下的電壓響應(yīng)軌跡，從而完畢SOH的標(biāo)定。這一辦法即為電壓響應(yīng)軌跡法。同時(shí)考慮到動(dòng)力電池放電工況較為復(fù)雜、多變，因而這一辦法慣用相對(duì)穩(wěn)定的充電過(guò)程作為分析對(duì)象?，F(xiàn)在，最為常見的充電辦法為恒流恒壓充電，如圖2-11所示。它分為兩個(gè)階段，即先采用恒定電流充電至上截止電壓(CC階段)，然后采用恒壓充電的方式降電流直至設(shè)定的最小閾值(CV階段)。對(duì)于相似材料的動(dòng)力電池而言，此充電辦法的總體充電時(shí)間基本保持不變，而CV階段的充電時(shí)間會(huì)隨著動(dòng)力電池的老化而明顯增加。因而，若能獲取動(dòng)力電池完整CV階段的充電曲線，即能精確計(jì)算出動(dòng)力電池SOH。②容量增量法(ICAnalysis,ICA)與差分電壓法(DVAnalysis,DVA)指分別運(yùn)用IC曲線與DV曲線分析動(dòng)力電池的衰退過(guò)程與老化機(jī)理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SOH的標(biāo)定。IC曲線與DV曲線均可由恒流充放電數(shù)據(jù)變換得到，前者是描述的dQ/dV-V的關(guān)系，而后者則為dV/dQ-Q的關(guān)系。這兩種辦法將會(huì)在4.2.4節(jié)中具體描述。3.自適應(yīng)算法自適應(yīng)算法普通需要借助電化學(xué)模型或等效電路模型，它通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，完畢SOH的標(biāo)定。這類辦法的特點(diǎn)在于閉環(huán)控制與反饋，以實(shí)現(xiàn)預(yù)計(jì)成果隨動(dòng)力電池電壓的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，其涉及聯(lián)合預(yù)計(jì)法、協(xié)同預(yù)計(jì)法以及融合預(yù)計(jì)法等。（1）聯(lián)合預(yù)計(jì)法聯(lián)合預(yù)計(jì)法需要同時(shí)在線預(yù)計(jì)動(dòng)力電池的模型參數(shù)和SOC，因而所用的自適應(yīng)算法普通涉及兩個(gè)及其以上的濾波器或觀察器，其中模型參數(shù)重要涉及內(nèi)阻、阻抗、OCV等。鑒于動(dòng)力電池SOC與容量親密有關(guān)，在獲取相對(duì)精確的SOC值后，可根據(jù)SOC預(yù)計(jì)值來(lái)擬定動(dòng)力電池容量，進(jìn)而完畢動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定?；赟OC預(yù)計(jì)值的動(dòng)力電池容量預(yù)計(jì)辦法將在第4.2.2節(jié)具體敘述。（2）協(xié)同預(yù)計(jì)法協(xié)同預(yù)計(jì)法同樣需要實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池模型參數(shù)與SOC的同時(shí)在線預(yù)計(jì)，但是這里模型參數(shù)相比聯(lián)合預(yù)計(jì)法增加了動(dòng)力電池容量一項(xiàng)，即直接完畢了動(dòng)力電池容量與SOC的同時(shí)預(yù)計(jì)。從通用的算法基本框架來(lái)看，協(xié)同預(yù)計(jì)法與聯(lián)合預(yù)計(jì)法的區(qū)別重要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①對(duì)于兩類預(yù)計(jì)算法，新息(輸出預(yù)測(cè)電壓誤差)序列的使用模式是不同的。協(xié)同預(yù)計(jì)法中的兩個(gè)預(yù)計(jì)器共用同一種新息序列。但在聯(lián)合預(yù)計(jì)法中，兩個(gè)預(yù)計(jì)器的電壓誤差則是不有關(guān)的。②參數(shù)預(yù)計(jì)與狀態(tài)預(yù)計(jì)的關(guān)系是不同的。在協(xié)同預(yù)計(jì)法中，狀態(tài)預(yù)計(jì)與參數(shù)預(yù)計(jì)兩部分之間會(huì)互相影響，但聯(lián)合預(yù)計(jì)法則沒有明顯的互相作用效應(yīng)。協(xié)同預(yù)計(jì)法的具體計(jì)算過(guò)程將在第4.3節(jié)中介紹。4.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的辦法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOH預(yù)計(jì)辦法不依賴精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述動(dòng)力電池老化原理與演變過(guò)程，它只依賴于歷史老化數(shù)據(jù)，即通過(guò)特定的學(xué)習(xí)算法提取歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)的核心老化信息。①經(jīng)驗(yàn)/擬正當(dāng)指通過(guò)使用現(xiàn)有老化數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)動(dòng)力電池壽命，且不必具體理解動(dòng)力電池的構(gòu)造與材料特性。多項(xiàng)式、指數(shù)、冪律、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)是慣用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿M合模型，其計(jì)算量普通較小，計(jì)算速度較快。如Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程，不僅十分簡(jiǎn)潔，并且精確描述了化學(xué)反映速率的溫度依賴性，因而常被用于模擬由溫度引發(fā)的擴(kuò)散系數(shù)、蠕變率和其它熱過(guò)程的變化。Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程也能夠用于描述動(dòng)力電池依賴于溫度的老化速率，其基本方程為式中，dC/dn是相對(duì)于老化循環(huán)的動(dòng)力電池容量變化率；Λ是指數(shù)前因子；

Rg是通用氣體常數(shù)，即8.314J/（mol·K）；ΔE是活化能（J/mol）；

T是以K為單位的絕對(duì)溫度；Λ和λ=ΔE/Rg

是需要校準(zhǔn)的兩個(gè)未知參數(shù)。對(duì)式（4-35）的等號(hào)兩端進(jìn)行積分：式中，Cr為批示動(dòng)力電池老化的容量減少閾值；nc為動(dòng)力電池循環(huán)壽命。取兩個(gè)不同溫度點(diǎn)T1和T2(T1>T2)，有式中，Δnc是壽命偏差，定量描述了溫度變化對(duì)動(dòng)力電池壽命影響。在完畢Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程中參數(shù)的辨識(shí)后，即可基于這一方程實(shí)現(xiàn)變溫度下的動(dòng)力電池SOH評(píng)定。②樣本熵(SampleEntropy,SampEn)能夠用于評(píng)定時(shí)間序列的可預(yù)測(cè)性，并且還能夠量化數(shù)據(jù)序列的規(guī)律性。因此，可采用樣本熵分析動(dòng)力電池放電電壓數(shù)據(jù)，并批示動(dòng)力電池SOH。樣本熵算法流