動(dòng)力電池SOH估計(jì)

動(dòng)力電池SOH估計(jì)動(dòng)力電池的存儲(chǔ)能力與快速充放電能力均會(huì)隨著老化而不斷下降，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的準(zhǔn)確估計(jì)依賴于精確的SOH值，預(yù)知SOH開(kāi)展的SOC估計(jì)不具有實(shí)用性，僅能為SOC估計(jì)方法提供初步借鑒。4.2.1動(dòng)力電池SOH方法分類動(dòng)力電池的SOH與動(dòng)力電池的老化過(guò)程密切相關(guān)，而老化最直觀的表現(xiàn)為動(dòng)力電池可釋放能量降低和功率等級(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)。一般來(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)到初始容量的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估計(jì)方法可分為兩大類，即實(shí)驗(yàn)分析法與基于模型的方法，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)力電池衰退的特征參數(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)行估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定，根據(jù)所選估計(jì)算法的不同，它又可分為自適應(yīng)狀態(tài)估計(jì)算法與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。1.直接測(cè)量法直接測(cè)量法指通過(guò)直接測(cè)量動(dòng)力電池某些特征參數(shù)，并以此來(lái)評(píng)價(jià)動(dòng)力電池SOH，主要包括容量/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準(zhǔn)確、直接測(cè)量，來(lái)確定動(dòng)力電池SOH。顯然，容量和能量的準(zhǔn)確測(cè)量至少需要兩個(gè)前提條件：保證充放電過(guò)程的完整性。保證采集精度足夠高，這就意味著此方法只能在實(shí)驗(yàn)室或其他相對(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)的方法。(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)算方法如式(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)程中突然制動(dòng)或者加速均會(huì)引起較大的動(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顯著，即采樣間隔越小，越接近于歐姆內(nèi)阻真實(shí)值。同時(shí)，在計(jì)算歐姆內(nèi)阻時(shí)，應(yīng)限定△最小絕對(duì)值，否則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的劇烈波動(dòng)。叫式中，AUt為動(dòng)力電池脈沖電壓；△iL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)工作站或其他相似功能的交流電激勵(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，可以發(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。而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)力電池布線與多孔結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，即阻抗更多表現(xiàn)為歐姆特性；而在低頻階段，電容效應(yīng)則會(huì)變得更為顯著。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中某些特征參數(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)方法，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。通常將這些過(guò)程參數(shù)稱為健康因子，主要包括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)特征等。當(dāng)然，也可以選取兩個(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)部反應(yīng)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，從而完成SOH的標(biāo)定。這一方法即為電壓響應(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，因而這一方法常用相對(duì)穩(wěn)定的充電過(guò)程作為分析對(duì)象。目前，最為常見(jiàn)的充電方法為恒流恒壓充電，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)于相同材料的動(dòng)力電池而言，此充電方法的總體充電時(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，即能準(zhǔn)確計(jì)算出動(dòng)力電池SOH②容量增量法（ICAnalysis,ICA）與差分電壓法（DVAnalysis,DVA）指分別利用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。這兩種方法將會(huì)在4.2.4節(jié)中詳細(xì)描述。自適應(yīng)算法自適應(yīng)算法一般需要借助電化學(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)，完成SOH的標(biāo)定。這類方法的特點(diǎn)在于閉環(huán)控制與反饋，以實(shí)現(xiàn)估計(jì)結(jié)果隨動(dòng)力電池電壓的自適應(yīng)調(diào)整，其包括聯(lián)合估計(jì)法、協(xié)同估計(jì)法以及融合估計(jì)法等。（1）聯(lián)合估計(jì)法聯(lián)合估計(jì)法需要同時(shí)在線估計(jì)動(dòng)力電池的模型參數(shù)和SOC，因而所用的自適應(yīng)算法一般包括兩個(gè)及其以上的濾波器或觀測(cè)器，其中模型參數(shù)主要包括內(nèi)阻、阻抗、OCV等鑒于動(dòng)力電池SOC與容量密切相關(guān)，在獲取相對(duì)準(zhǔn)確的SOC值后，可根據(jù)SOC估計(jì)值來(lái)確定動(dòng)力電池容量，進(jìn)而完成動(dòng)力電池SOH的標(biāo)定?；赟OC估計(jì)值的動(dòng)力電池容量估計(jì)方法將在第4.2.2節(jié)詳細(xì)闡述。2）協(xié)同估計(jì)法協(xié)同估計(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)在線估計(jì)，但是這里模型參數(shù)相比聯(lián)合估計(jì)法增加了動(dòng)力電池容量一項(xiàng)，即直接完成了動(dòng)力電池容量與SOC的同時(shí)估計(jì)。從通用的算法基本框架來(lái)看，協(xié)同估計(jì)法與聯(lián)合估計(jì)法的區(qū)別主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：對(duì)于兩類估計(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)同估計(jì)法中的兩個(gè)估計(jì)器共用同一個(gè)新息序列。但在聯(lián)合估計(jì)法中，兩個(gè)估計(jì)器的電壓誤差則是不相關(guān)的。參數(shù)估計(jì)與狀態(tài)估計(jì)的關(guān)系是不同的。在協(xié)同估計(jì)法中，狀態(tài)估計(jì)與參數(shù)估計(jì)兩部分之間會(huì)相互影響，但聯(lián)合估計(jì)法則沒(méi)有明顯的相互作用效應(yīng)。協(xié)同估計(jì)法的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程將在第4.3節(jié)中介紹?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SOH估計(jì)方法不依賴精確的數(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)的關(guān)鍵老化信息。①經(jīng)驗(yàn)/擬合法指通過(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，且無(wú)須詳細(xì)了解動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)與材料特性。多項(xiàng)式、指數(shù)、幕律、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)是常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿M合模型，其計(jì)算量通常較小，計(jì)算速度較快。如Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程，不僅十分簡(jiǎn)潔，而且精確描述了化學(xué)反應(yīng)速率的溫度依賴性，因而常被用于模擬由溫度引起的擴(kuò)散系數(shù)、蠕變率和其他熱過(guò)程的變化。Arrhenius動(dòng)力學(xué)方程也可以用于描述動(dòng)力電池依賴于溫度的老化速率，其基本方程為二AL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;A是指數(shù)前因子；Rg是通用氣體常數(shù)，即8.314J/(mol?K)；AE是活化能(J/mol)；T是以K為單位的絕對(duì)溫度；A和入二AE/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)彳丁積分:式中，q為指示動(dòng)力電池老化的容量降低閾值；％為動(dòng)力電池循環(huán)壽命。取兩個(gè)不同溫度點(diǎn)(和T2(T1>T2)，有式中，△nc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。在完成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)估。②樣本熵(SampleEntropy,SampEn)可以用于評(píng)估時(shí)間序列的可預(yù)測(cè)性，并且還可以量化數(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)，并指示動(dòng)力電池SOH。樣本熵算法流程見(jiàn)表4-6。表4-6樣本熵算法流程在已有大量離線數(shù)據(jù)的情況下，可直接采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如支持向量機(jī)、相關(guān)向量機(jī)等，學(xué)習(xí)動(dòng)力電池SOH與樣本熵算法輸出的離線映射關(guān)系，進(jìn)而可使用這一離線映射關(guān)系完成實(shí)車過(guò)程中的動(dòng)力電池SOH實(shí)時(shí)估計(jì)。各類SOH估計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及相應(yīng)的適用范圍見(jiàn)表4-7。表4-7各類SOH估計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及相應(yīng)的適用范圍續(xù)）

方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用性操作難度歐姆內(nèi)WI測(cè)肚法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性好易受不確定性岡索影響?如溫度、工況、SoC等對(duì)于采集幡度、采樣間采樣同步性等均有要求一般#凱才尤測(cè)g法能直接地反映動(dòng)力電池的老化狀態(tài)包含借息址大易受不確定性火索周，響.如汕度、1?況、SoCj則址方法與熟練度等爪次%測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)設(shè)備成木通常較高—>循環(huán)周期法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用閑難差一般電壓軌跡法操作簡(jiǎn)單易受不確定性因素影響，如溫度?工況、