用于估計電池老化的方法
【專利說明】用于估計電池老化的方法
[0001]本發(fā)明涉及測試裝置和方法的領(lǐng)域。
[0002]具體地，本發(fā)明涉及一種用于診斷電池老化的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]確定電池老化的問題具有許多應(yīng)用，特別是在安裝在衛(wèi)星上的電池的情況下。在這樣的情況下，當(dāng)提到確定衛(wèi)星壽命結(jié)束時，知道電池狀態(tài)是至關(guān)緊要的。在缺乏關(guān)于電池老化狀態(tài)的準確知識的情況下，衛(wèi)星被過早地停用，從而產(chǎn)生顯著的運營損失。
[0004]圖1示出了根據(jù)電池老化的電池行為,在橫坐標(biāo)上顯示電池的放電深度(電池的最大充電和最小充電之間的間隔)，以及在縱坐標(biāo)上顯示跨電池端子的電壓。正如可以在圖1中看到，對于壽命開始時的電池而言(曲線I)，可用的放電深度是最大的，并且當(dāng)存在電壓的快速下降時，由電池提供的電壓曲線基本是平的，直到幾乎達到最大放電深度為止。對于壽命結(jié)束時的電池而言(曲線2)，情形是一樣的，即正常操作中稍微更低的電池電壓處的穩(wěn)定時期(plateau)和在放電深度附近的電壓快速下降。
[0005]在該曲線圖上的兩個前述曲線之間找到與任何老化的電池相對應(yīng)的曲線3(圖1中用虛線表示)。對于在電池使用開始時的穩(wěn)定時期上觀測的電壓的簡單測量(曲線的左手部分)不足以準確地表征電池老化。這因而導(dǎo)致關(guān)于電池電壓快速下降時間的大量不確定性。
[0006]用于確定電池老化的常規(guī)方法包括電池內(nèi)部電阻的測量和電池容量損失的測量(放電深度的下降)。容量測量是基于恒定電流時的電池的完全放電的。
[0007]因此，這些容量參數(shù)和內(nèi)部電阻不易受例如衛(wèi)星上安裝的嵌入式設(shè)備的影響。此夕卜，衛(wèi)星上的電池的完全放電將導(dǎo)致衛(wèi)星的損耗，并且因此該解決方案不是可考慮的。
[0008]此外，用于適合嵌入式設(shè)備的電池老化診斷方法是已知的。
[0009]專利申請US 2012/0019253 Al “Method for determining an aging condit1nof a battery cell by means of impedance spectroscopy” 描述了基于實際電池的低頻阻抗和作為電池壽命結(jié)束時電池特征的閾值阻抗之間的比較的診斷方法。
[0010]在此，當(dāng)電池經(jīng)歷包括可變頻率的正弦變化的電流注入時，通過測量電池的電壓來執(zhí)行電池的低頻阻抗測量(阻抗譜方法)。
[0011]該方法適用于各種類型的電池:鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等。
[0012]類似地，公開“ImpedanceNoise Identificat1n for State-of-HealthPrognostic”(INL/C0N-08-14101，43rd Power Sources Conference, 2008 年 7 月)描述了一種使用電池阻抗測量的老化診斷方法，其基于注入到電池中的隨機電流(白噪聲和粉紅噪聲)。隨后該方法使用FET(快速傅里葉變換)處理來確定電池的阻抗。再次，所測量的阻抗與參考值相比較。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]首先，本發(fā)明涉及一種用于估計對電力系統(tǒng)進行供電的電池的老化的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0014]100-響應(yīng)于電池的正常工作期間由電力系統(tǒng)的消耗率改變所引起的電流擾動，存儲關(guān)于跨電池端子的電壓和電流的一組數(shù)據(jù)；
[0015]200-在預(yù)定頻率間隔內(nèi)、根據(jù)電壓和電流數(shù)據(jù)來確定電池的阻抗；
[0016]300-根據(jù)在前述步驟中確定的阻抗，通過將所述阻抗與先前存儲的該阻抗隨老化而演變的模型進行比較，來估計電池的年齡。
[0017]電池的老化主要轉(zhuǎn)化為電池內(nèi)部電阻的增加和容量損失。
[0018]在此，電流擾動是系統(tǒng)操作運行期間由系統(tǒng)的消耗率改變所引起的，其中要測試的電池是該系統(tǒng)的一部分。通常，在現(xiàn)有技術(shù)中，通過在電流上注入各種頻率(wobulat1n)的正弦類型的擾動以及測量產(chǎn)生的電壓來確定阻抗。
[0019]在本發(fā)明中，不再需要跨電池端子而注入預(yù)定形式的電流以測試電池的老化。這種布置避免需要攜帶用于該測試的電流生成設(shè)備。
[0020]僅利用用于獲取電池電流和電壓的遙測的系統(tǒng)來進行阻抗測量。因此，能夠在電池整個壽命中執(zhí)行電池診斷，而無需修改系統(tǒng)、無需注入擾動，并且能夠在其中安裝有電池的系統(tǒng)正常工作時執(zhí)行電池診斷。
[0021]由于使用在電池正常工作期間跨電池端子而測量的電流和電壓數(shù)據(jù)遙測，因此對于針對其而持續(xù)存儲這些數(shù)據(jù)的設(shè)備而言，有可能在電池整個壽命中確定電池的老化狀態(tài)。然后還有可能確定電池正常工作期間的老化輪廓(profile)。
[0022]在此通過其幅度和/或其相位來確定阻抗。
[0023]在一些系統(tǒng)中，能夠通過電池和另一電源同時提供電力供應(yīng)。例如，在衛(wèi)星上，這個其他電源是太陽能發(fā)電機。這使得能夠在太陽能發(fā)電機的功率不足時增加可用功率。優(yōu)選的是，在太陽能發(fā)電機不提供任何電流時進行測量，蝕期間就是這樣的情形。在該實施方式中，當(dāng)僅通過電池對電力系統(tǒng)供電時執(zhí)行步驟100。
[0024]根據(jù)特定實施方式，當(dāng)電池是鋰離子類型時，預(yù)定頻率間隔在0.01-3HZ頻帶中。在電池老化期間，對于鋰離子類型的電池而言，作為電池復(fù)阻抗的幅度或相位的最大偏移的突出顯示，已經(jīng)由申請人確定了該頻率間隔。因此，對該間隔內(nèi)的阻抗譜的觀測使得能夠最佳地確定電池的年齡。
[0025]為了根據(jù)電壓和電流數(shù)據(jù)確定電池的低頻阻抗，用于估計電池老化的方法有利地包括以下子步驟:
[0026]210-根據(jù)測量的電壓和電流數(shù)據(jù)來識別預(yù)定模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)；
[0027]220-將識別的模型轉(zhuǎn)換到頻率域；
[0028]230-最后計算電池的低頻阻抗。
[0029]在特定實施方式中，從以下模型之中選擇模型結(jié)構(gòu):ARMAX、ARX、Box Jenkins、Output Error0
[0030]這些已知的模型允許根據(jù)本發(fā)明的方法的簡單實現(xiàn)。
[0031]在方法的特定實現(xiàn)中，方法包括校正所計算的阻抗的步驟，以考慮電池的環(huán)境溫度。
[0032]其次，本發(fā)明涉及一種適于實現(xiàn)所公開的方法的、用于估計電池老化的裝置。
[0033]在另一方面，本發(fā)明涉及一種包括如上所述裝置的衛(wèi)星。
[0034]在又一方面，本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)所公開的方法的計算機程序產(chǎn)品。
【附圖說明】
[0035]由于下面的描述，將更好地認識本發(fā)明的特征和優(yōu)點，該描述是作為非限制性示例應(yīng)用而對公開本發(fā)明特征的描述。
[0036]該描述基于附圖，其中:
[0037]圖1:(已經(jīng)提及):針對各種電池年齡的一系列曲線，其說明了根據(jù)達到的放電深度的電池電壓下降；
[0038]圖2:針對各種數(shù)量的電池使用周期的一系列曲線，其說明了取決于頻率的阻抗幅度的變化；
[0039]圖3:針對各種數(shù)量的電池使用周期的一系列曲線，其說明了取決于頻率的阻抗相位的變化；
[0040]圖4:用于估計電池老化的方法的示例性實現(xiàn)的步驟的流程圖；
[0041]圖5:電池老化參考測試的步驟的細節(jié)的流程圖；
[0042]圖6:識別和確認阻抗模型的步驟的更詳細的流程圖；
[0043]圖7:—系列曲線，其說明了測試電池上的地面測量的低頻阻抗的圖和針對該電池而識別的模型結(jié)構(gòu)的LF阻抗的圖之間的比較；
[0044]圖8:用于在實際使用條件下對關(guān)于跨電池端子的電流和電壓的原始測量數(shù)據(jù)進行后處理的方法的流程圖；
[0045]圖9:估計研宄中的實際電池的年齡的步驟的流程圖。
【具體實施方式】
[0046]在此，將考慮經(jīng)歷一系列充電/放電周期的鋰離子類型的電池。這例如是安裝在衛(wèi)星上的電池的情形，并且無論何時衛(wèi)星移動到地球的陰影中，電池都必須供電。
[0047]申請人已經(jīng)確定低頻電池(典型地在0.0lHz和1Hz之間)的阻抗變化與所述電池的使用周期數(shù)量的曲線(見圖2和3)。