鋰離子電池狀態(tài)估算與壽命預(yù)測綜述

袁方瑩

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130013）

1 BMS技術(shù)

BMS技術(shù)主要是從電池狀態(tài)監(jiān)測角度對鋰離子電池狀態(tài)估算以及壽命預(yù)測進(jìn)行研究的。該方法主要是通過監(jiān)測鋰離子電池狀態(tài)相關(guān)具體參數(shù)，進(jìn)而對該參數(shù)進(jìn)行分析評估，進(jìn)而預(yù)測電池使用壽命，實現(xiàn)對鋰離子電池充電及放電的管控。

1.1 BMS技術(shù)結(jié)構(gòu)

①采集數(shù)據(jù)，采集鋰離子電池電壓、電流以及溫度等方面的數(shù)據(jù)；②存儲數(shù)據(jù)，將BMS檢測采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；③管控電池充電和放電，對鋰離子電池充電和放電的過程進(jìn)行控制和管制，確保充放電的安全性；④溫度控制，對電池溫度進(jìn)行加熱和制冷的管理，使電池溫度保持在正常范圍；⑤平衡電路，對單體電池電能狀態(tài)進(jìn)行平衡；⑥輸出信息，控制各個功能組塊，以數(shù)字的形式進(jìn)行輸出；⑦信息傳輸，BMS結(jié)構(gòu)各個組塊間信息的傳輸；⑧核心控制器，主要是對鋰離子電池狀態(tài)檢測到的參數(shù)進(jìn)行分析處理，并預(yù)估電池當(dāng)前狀態(tài)，進(jìn)而對電池進(jìn)行相應(yīng)管理和控制，同時還具備預(yù)警以及一定程度的電池維護(hù)功能[1]。

1.2 鋰離子電池狀態(tài)SOC和SOH參數(shù)

BMS技術(shù)是通過對鋰離子電池狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控及檢測來展開估計和預(yù)測進(jìn)而管控電池充放電過程的，其核心就是對鋰離子電池狀態(tài)性能參數(shù)的監(jiān)測，即SOC和SOH的估算，這是BMS技術(shù)的關(guān)鍵。

1.2.1 鋰離子電池SOC估算

鋰離子電池SOC指的是電池剩余電池容量與其在充滿電量狀態(tài)下的電池兩者容量的比值，是鋰離子電池重要數(shù)據(jù)參數(shù)，也是BMS技術(shù)的核心參數(shù)，對鋰離子電池使用狀態(tài)和使用壽命有很大影響。SOC估算方法有放電實驗法、電流積分法、開路電流法、負(fù)載電壓法、卡爾曼濾波法以及神經(jīng)網(wǎng)路法，其中電流積分法、卡爾曼濾波法以及開路電壓法這三種方法比較常用。三種方法進(jìn)行對比，電流積分法計算簡便，不受鋰離子電池使用時間的限制，能對任一時間的鋰離子電池電量進(jìn)行估算，缺點是不適合鋰離子電池SOC動態(tài)估算；開路電壓法適合放置時間較長的鋰離子電池SOC參數(shù)估算，與電流計分法類似，不適用動態(tài)鋰離子電池SOC參數(shù)估算，卡爾曼濾波法是一種最小均方最優(yōu)估算的方法，能有效調(diào)整修正鋰離子電池SOC初值[2]。

1.2.2 鋰離子電池SOH估算

SOH是表述電池當(dāng)前性能狀態(tài)的參數(shù)，表示的是鋰離子電池充滿電狀態(tài)容量與額定容量相比數(shù)值。隨著鋰離子電池充放電次數(shù)的增多，SOH數(shù)值將會逐漸減小。目前研究鋰離子電池SOH的方法主要有兩種：①閉環(huán)方法，基于鋰離子電池模型，通過一些方法對鋰離子電池同等條件的模型參數(shù)進(jìn)行辨別以及確定，進(jìn)而實現(xiàn)描述鋰離子電池SOH參數(shù)的目的；②開環(huán)方法從鋰離子電池老化角度通過對相關(guān)電阻和電壓數(shù)據(jù)的描述，進(jìn)而分析電池內(nèi)部產(chǎn)生的變化特性，最后對鋰離子電池容量以及電阻數(shù)據(jù)的變化做出預(yù)測。

1.3 BMS技術(shù)發(fā)展方向

未來BMS技術(shù)發(fā)展方向主要有這幾點：①能有效實現(xiàn)對鋰離子電池狀態(tài)估算與動態(tài)化管理，在運行中實時采集數(shù)據(jù)、控制充放電、傳輸信息以及對電池的管理更加高效、智能；②實現(xiàn)鋰離子電池診斷、預(yù)估以及電池狀態(tài)實時監(jiān)測和管理；③BMS技術(shù)功能進(jìn)一步擴大和復(fù)雜化，如識別鋰離子電池退化狀態(tài)、電池優(yōu)化等[3]。

2 鋰離子電池壽命預(yù)測方法

在實際應(yīng)用中，我們無法直接測量鋰離子電池的壽命，只能借助其他方法間接實現(xiàn)預(yù)測，而且當(dāng)前對于鋰離子電池退化研究還有待深入和完善，本文主要通過介紹RUL預(yù)測方法，來分析鋰離子電池壽命的預(yù)測。

鋰離子電池RUL的預(yù)測，即對鋰離子電池從現(xiàn)在到失效這段時間的預(yù)測，也就是對鋰離子電池剩余壽命的預(yù)測。常用的RUL預(yù)測方法主要有兩種。

2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動法

數(shù)據(jù)驅(qū)動法是依據(jù)電池性能和狀態(tài)測試以及檢測到的數(shù)據(jù)如鋰離子電池運行狀態(tài)下電壓、電流、電阻以及溫度參數(shù)變化，通過分析總結(jié)來找出鋰離子電池性能退化或者失效時各種參數(shù)變化規(guī)律來對鋰離子電池壽命RUL進(jìn)行預(yù)測。該過程主要涉及時間序列、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及高斯過程回歸等。

2.2 模型法

2.2.1 經(jīng)驗退化模型法

經(jīng)驗退化模型法主要是依據(jù)鋰離子電池使用限制、電池的退化或失效機制進(jìn)行鋰離子電池RUL預(yù)測的，通過在鋰離子電池充電與放電機制和原理以及退化的鋰離子電池外在特征基礎(chǔ)上建立相關(guān)的鋰離子電池退化模型，如電化學(xué)退化模型將電池?zé)崮Ｐ团c鋰離子電池充電與放電過程中的容量變化結(jié)合，充分考量熱效應(yīng)、電解質(zhì)膜對鋰離子電池造成的影響，能有效實現(xiàn)鋰離子電池RUL預(yù)測，且準(zhǔn)確值較高。

2.2.2 經(jīng)驗?zāi)Ｐ头?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄊ且罁?jù)鋰離子電池過往使用信息進(jìn)行分析，建立反應(yīng)鋰離子電池性能以及狀態(tài)參數(shù)（包括電池容量、電壓、電阻等參數(shù)）隨時間變化趨勢模型來對鋰離子電池壽命進(jìn)行預(yù)測。如利用參數(shù)退化模型的經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ǎㄟ^無機離子濾波算法來預(yù)測鋰離子電池的剩余壽命。

2.3 RUL預(yù)測方法比較

數(shù)據(jù)驅(qū)動法、經(jīng)驗退化模型法、經(jīng)驗?zāi)Ｐ头ㄈN鋰離子電池RUL預(yù)測方法進(jìn)行對比，其中，經(jīng)驗退化模型法基于電池的化學(xué)及物理反應(yīng)來預(yù)測的，導(dǎo)致模型參數(shù)相對復(fù)雜變化多，而且很容易受環(huán)境因素影響；經(jīng)驗?zāi)Ｐ拖鄬ζ渌麅煞N方式，操作方法更為簡便，但預(yù)測精確度不高，無法對電池容量衰退過程進(jìn)行確切描述；數(shù)據(jù)驅(qū)動法相較于兩種模型法無需建立模型，可操作性更強，更具適用性，然而其以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，容易受初始參數(shù)影響。這三種方法各有其優(yōu)缺點，因而在鋰離子電池RUL預(yù)測中，不妨將三種方法結(jié)合起來應(yīng)用，優(yōu)化組合，實現(xiàn)更好更準(zhǔn)確的預(yù)測。綜合預(yù)測方法應(yīng)用能有效提高鋰離子電池剩余壽命預(yù)測的準(zhǔn)確率，頗具實用性。

3 結(jié)語

綜上所述，本文對鋰離子電池狀態(tài)估算以及壽命預(yù)測方法相關(guān)研究進(jìn)行了詳細(xì)分析和總結(jié)，當(dāng)前鋰離子電池狀態(tài)估算以及壽命預(yù)測已取得一定成績，如BMS技術(shù)以及電池壽命RUL預(yù)測方法的研究。在鋰離子電池狀態(tài)監(jiān)測以及預(yù)估方面，逐漸向智能化和實時評估、管控發(fā)展，而在電池剩余壽命預(yù)測方面，各種單一的方法都有其優(yōu)缺點，因而綜合性的預(yù)測方法應(yīng)是將來鋰離子電池壽命預(yù)測方法發(fā)展的方向。