动力电池健康状态评估（SOH）之基于电压特性评估

yuxiao2832 2024-07-17 发布于广东

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在对动力电池进行健康状态评估时，通过观察电池的电压特性在不同荷电状态（SOC）、不同温度及不同循环次数下的变化，是被应用较为普遍的技术手段之一。如，随着电池老化，开路电压（OCV）与SOC的关系会发生偏移，特别是在充放电平台区域，电压曲线可能会变缓或者发生形状改变，此时通过分析电压曲线的漂移和形状变化，可以量化评估电池健康状态。如下图所示，为某电池在不同循环次数后的OCV-SOC曲线变化：

图1 不同循环次数后的OCV-SOC曲线

通过电压特性对动力电池的健康状态进行评估时，除了拟合OCV-SOC曲线外，通过端电压在饱和阶段的细微变化也能反映出电池容量的衰减情况，此时可通过比较新老电池在相同条件下的电压响应，对SOH的变化进行推算。如，电池的充电截止电压和放电截止电压的变化，以及峰值电压点的位移，都是判断电池健康状况的有效依据。

在实际应用中，BMS通过实时监测和分析动力电池的电压特性来判断电池的健康状态，其过程会涉及多种电压特性。当评估的电池存在健康状态时，将根据评估结果采取必要的均衡控制、充电策略调整或其他维护措施，以确保电池的安全高效运行和延长使用寿命。

通过电压特性进行SOH评估的过程中，可能会涉及：

1. 单体电压监测

即对每一个电芯进行电压监测，当电池出现老化时，单体电压可能会表现出非线性或偏移现象，这可以作为评估电池健康状态的一个重要指标，也是实现电芯故障准确定位的重要手段；

2. 开路电压（Open Circuit Voltage ，OCV）分析

开路电压是指电池在没有外部负载的情况下，在静置一段时间后的电压，它与电池的荷电状态之间存在对应关系。随着电池的老化，其开路电压曲线会发生偏移，此时通过对比理想状态下的OCV-SOC曲线，可以推算出电池的容量损失和健康状态（如图1），此方式也是当下应用较为普遍的手段。

不过，在实际的新能源汽车应用场景中，动力电池总是连接到车辆的电力系统以满足车辆的持续用电需求，这使得获取电池在严格意义上的无负载条件下的开路电压变得困难。为此，BMS常通过以下方式近似测量或估算开路电压：

静置休眠模式：在车辆停驶且主电源断开一段时间后，电池系统进入低功耗待机状态，在这种状态下，车辆用电系统将尽量减少对电池的电量消耗，这使得电池在相对安静的环境中可以接近无负载状态，此时BMS可以在较长时间（如一夜）后测量电池电压，以将此作为开路电压的近似值；
软关断和唤醒策略：BMS可在系统中设置一个定时任务，在确保安全时，定期短暂地切断所有非必要的负载，仅保留BMS自身的监控功能，然后在短时间内测量电池电压，从而获取一个较为接近开路电压的读数；
基于模型的估算：利用电池的电化学模型，结合实时监测到的电池电压、电流、温度等参数，通过算法估算出电池在无负载条件下的开路电压。不过这种方法需要预先通过大量实验数据训练模型，确保估算结果的准确性；
电池均衡过程中获取：在电池均衡过程中，会存在电池单体间不进行电荷转移的短暂阶段，此时BMS可以捕获到单体电池在相对无负载情况下的电压值。

虽然在实际运行中很难获得电池的严格开路电压，但BMS通过以上方法，结合实际情况，能尽可能准确地评估电池的状态。

3. 动态电压响应

动态电压响应是电池在快速充放电或负载突变时电压的变化特性，健康的电池在电流变化时电压反应迅速并且稳定，而老化的电池因为内阻的增大，可能导致其呈现出更大的压降和恢复时间。这过程中会涉及到如下几个指标：

电压过冲/下冲（Voltage Overshoot/Undershoot）

电压过冲是指在电流突然增加时电压瞬间升高的程度，而电压下冲则是指电流突然减小时电压的瞬时下降程度，这些参数通常以电压的峰值差值或相对于稳定状态电压的百分比来量化；

电压恢复时间（Voltage Recovery Time）

指电池电压从发生过冲或下冲后回到正常稳定状态所需的时间，它是衡量电池动态响应能力的一个重要参数；

瞬态响应速度（Transient Response Speed）

该指标是指电池电压在负载变化时调整到新的稳定状态的速度，此参数可量化为从负载变化到电压波动达到指定限值所需要的时间；

电压纹波（Voltage Ripple）

在连续充放电过程中，由于电流波动导致的电压小幅上下波动，可以量化为电压波动的峰峰值或有效值；

动态电压阻尼因子（Dynamic Voltage Damping Factor）

这是一个描述电池抑制电压波动能力的参数，它反映了电池内部阻尼效应对电压波动衰减的效果。

通过这些动态指标，BMS可以更好地了解动力电池的动态性能，在新能源汽车、储能系统等应用中，准确掌握和管理电池的动态电压响应对于保障系统性能和安全至关重要

4.电压一致性监测

此方式主要针对电池组或区域电池模块进行，在对模组进行电压一致性监测过程中，如果某个模组电压明显偏离平均值，则可能是其组成电池出现了不均衡或局部老化现象；

5.充电截止电压（Charge Cut-off Voltage）与平台电压（Plateau Voltage）

充电截止电压：又称充电限制电压或充电终止电压，是指在充电过程中，电池不能再安全或有效地接受更多充电的电压阈值。当电池的电压上升到这一水平时，继续充电不仅无法显著增加电池的实际容量，反而可能导致电池过充，并对其内部化学结构造成损害。此阶段下，对于充电策略而言，通常已进入涓流充电或即将停止充电阶段。

对于不同类型的电池，其充电截止电压是由电池制造商根据电池材料的特性和安全要求设定的。例如，对于锂离子电池而言，每个单体电池的充电截止电压通常在3.6V~4.2V之间，具体数值视电池化学成分而定。

平台电压：指在电池充电过程中，当电池电压达到一定值后，电压会在一段时间内保持相对稳定的范围。在这个阶段，虽然还在给电池充电，但电池的电压上升速度显著减缓，表现为电压曲线上的平坦部分。这是因为随着充电的进行，电池内部化学反应的活跃度降低，导致电压不再快速上升。此阶段下，对于充电策略而言，即将由恒流切换为恒压。

简而言之，充电截止电压是用来决定何时停止充电以防止电池过充的安全边界，而平台电压则是描述电池在充电过程中电压变化特征的一个术语，它反映了电池内部化学反应的状态。在BMS中，这两个电压参数都被用来精确控制和优化充电过程。但随着电池的老化，充电截止电压可能会降低，平台电压则可能提前到来，这些变化都可以帮助BMS评估电池的SOH。