CN101975927A - 一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法和系统。该方法通过记录充电过程中电流值和充电所用的时间，采用安时积分法计算锂离子电池开始放电时的总的可用容量，从而得到锂离子电池总的可用容量的值A；记录放电过程中开路电压和电压降ΔV，通过电压降ΔV来选择计算剩余可用容量百分率所用的曲线函数，得到锂离子电池剩余可用容量的百分率a；利用温度与剩余可用SOC之间的关系，得到当前温度下电池剩余可用容量SOC的使用效率

；所有电池的A*a*

相加即为锂离子电池组的剩余可用容量。实现该方法的系统为包含用于监测电池组信息的电压、电流和温度监控模块，此监控模块将监测到的信息反馈至MCU，MCU将估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量输出。

Description

一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法和系统

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，特别涉及一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法和系统。

背景技术

目前，锂离子动力电池组剩余可用容量的估算方法有：

(1)测量电池电解液的有效质量

通过测量电池电解液的有效质量计算SOC(剩余容量)值。该方法对于可直接测量电解液质量的铅酸电池比较适合，理论上可以精确测量SOC。但目前纯电动及混合动力应用场合主要使用镍氢电池和锂电池，均为封闭结构，没有有效的手段能在线精确测量出电池电解液的有效质量，不存在实际应用价值。

(2)安时积分计算方法

这是测量SOC的基本方法，计算公式为：

${\mathrm{SOC}}_k={\mathrm{SOC}}_{k-1}+{\∫}_{k-1}^k\mathrm{\η}\×i\left(t\right)\mathrm{dt}$

通过精确测量在k-1至k时刻流经电池组的电流(i(t))，可以计算该时间段内电流积分值，加上充电效率或放电倍率

的修正，与电池组初始状态相加(假定充电电流方向为正，放电电流方向为负)，即得到电池组当前的SOC值。在实际应用场合，由于存在安时积分的累计误差，并且随着使用时间的增加误差会逐渐增加，属于“开环”的估算方法，缺少必要的反馈修正机制，所以单独采用该方法对电池的SOC进行估算并不能取得很好的效果。

(3)测量交流阻抗

通过在电池组两端叠加一个交流信号，测量电池组的电压变化，计算电池组的交流阻抗，以此作为计算SOC的标准。这种方法存在以下几个方面的问题：①电池组的交流阻抗只是在电池SOC很低或很高的时候变化率比较大，在SOC处于中间段时变化率很小，如果测量不够精确，计算误差会比较大；②电池的交流阻抗受很多非线性因素的影响，如温度、前一时刻充放电状态、是否充分静置等，在相同的SOC下可能存在不同的交流阻抗值，或相同的交流阻抗值下可能存在不同的SOC值，不能找到确定的一一对应关系；③电池组的交流阻抗值不仅由电池的化学特性决定，不同的极板结构、电解液配方的电池会表现出不同的交流阻抗值，同时电池的制作工艺也起到很重要的作用，即便同一生产工艺的不同批次电池之间交流阻抗与SOC之间的对应关系也存在差异；④在不同的电流频率下计算出来的交流阻抗可能存在比较大的差异。在纯电动和混合动力场合，基本不可能使用某一固定频率的交流电流对电池进行充放电，因此实际应用意义不大。

(4)测量开路电压(OCV)

通过建立OCV--SOC之间的关系(一般通过试验测定)，在测量电池的开路电压之后，计算SOC。该方法对OCV--SOC之间的关系测量较严格。OCV--SOC之间存在单调、稳定的关系，但是，由于开路电压法的基本原理是将电池充分静置，使电池端电压恢复至开路电压，静置时间一般在1小时以上，不适合电动汽车的实时在线检测。

(5)测量零负载电压

该方法是在开路电压法的基础上，为实时检测需要作修改得来。通过建立电池模型和测定开路电压，在电池充放电过程中，测量电池端电压和电流，计算开路电压，从而得到SOC。通过建立电池模型，可以在有电流的情况下计算零负载电压，并认为这个电压即为电池的开路电压。这种方法弥补了“开路电压法”不能实时在线测量的缺陷，但存在以下缺点，不能够达到准确计算SOC的目的：①需要准确测得OCV--SOC曲线；②要求准确地建立电池模型；③要求准确计算电池模型中的各阻抗参数，通常这些参数受温度、电流、充放电状态等非线性因素的影响，很难计算精确，而这些参数的微小变化会对OCV的计算造成较大的误差，从而影响到SOC的估算精度。

(6)建立在线辨识电池的准确模型

利用人工智能、模糊控制、神经网络等方法辨识电池的准确模型，将影响SOC的各种因素综合到电池模型中，提高SOC的估算精度。目前国内外绝大多数成果停留在计算机仿真结果阶段，离具体实际应用还有距离。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法。锂离子电池在充放电过程当中，不同的电极材料具有不同的充放电容量效率，同一款材料，效率值又根据材料不同的组成配方而不同，但总体而言，都具有很高的充放电效率(＞99％)，因此在计算当中，可以忽略其充放电容量效率带来的影响。

本发明的再一目的在于提供实现所述方法的系统。

该发明的目的通过下述技术方案实现：一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法，包含以下步骤：

(1)得到锂离子电池总的可用容量的值A：在锂离子电池的充电阶段，不断地检测电池模块中的每一节锂离子电池充电的电流以及记录相应的锂离子电池充电所用的时间；采用安时积分法计算锂离子电池开始放电时的总的可用容量，从而得到锂离子电池总的可用容量的值A；

安时积分法计算公式为

其中，a表示开始充电的时刻，b表示充电结束的时刻，i表示某时刻下的充电电流，t表示充电时间，dt表示时间积分；

(2)得到锂离子电池剩余可用容量的百分率a：在锂离子电池放电过程中，不断地检测每节锂离子电池的开路电压和电压降ΔV；通过开路电压确定电池所处的使用阶段：使用初期、使用中期、使用末期，通过电压降ΔV来选择计算剩余可用容量百分率所用的曲线函数：使用初期和使用末期选择抛物线曲线函数，使用中期选择斜率直线函数；得到锂离子电池剩余可用容量的百分率a；

(3)得到锂离子电池剩余可用容量的使用效率

：不断地检测电池模块中的每个锂离子电池当前所处的温度，利用温度与剩余可用容量之间的关系(温度越高，剩余可用容量的使用效率越高，温度越低，剩余可用容量的使用效率越低，之间存在比例关系)得到当前温度下电池剩余可用容量SOC的使用效率

；

(4)得到锂离子电池的剩余可用容量；锂离子电池总的可用容量值A、剩余可用容量的百分率a、剩余可用容量的使用效率

，三个值的乘积得到锂离子电池当前的剩余可用容量；

(5)得到电池组剩余可用总容量；电池组中的剩余可用总容量为电池组中的每个电池剩余可用容量之和。

所述温度与剩余可用容量之间的关系优选通过如下所示的公式计算：

y为温度值；

实现上述方法的系统，包含MCU(微控制器或单片机)中央控制单元，均衡放电模块，均衡充电模块和电池组模块，其中，还包含用于监测电池组信息的电压、电流和温度监控模块，电压、电流和温度监控模块与电池组模块中每节电池通过检测电路连接；电压、电流和温度监控模块将监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元将估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量值输出。

所述的MCU中央控制单元集成有安时积分集成芯片；

所述的检测电路包括温度传感器、电压传感器和电流传感器，温度传感器贴在每节锂离子电池的壁上，电压传感器和电流传感器与锂离子电池并联，电压传感器与电流传感器再与PWM(脉冲宽度调制)串联；

所述反馈的方式优选为红外通信或光纤通信；

所述的系统还含有用于显示估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量值的显示模块，显示模块与MCU中央控制单元的数据输出端相连。

本发明的原理：在长期的电池制备的性能测试过程当中，发明人发现电池在放电过程中，电池的温度越高，造成电池的活性增加，从而能量得到更加有效的发挥以及电池的容量被利用得更充分。电池在低温时，活性明显降低，电池的欧姆内阻和极化内阻增加，放电能力下降，放电平台变低以及电池更加容易达到放电截至电压，使得电池的实际可用容量减小、能量利用效率下降。当电池的放电电流大的时候，电池可用剩余容量的可用剩余时间缩短，但对电池可用剩余容量的值没有影响，因此可以忽略电池在放电中的电流大小对电池的剩余可用容量值的影响。电池在放电过程中的荷电电压，尤其是其开路电压，对电池的剩余可用容量SOC之间存在单调的稳定的对应关系，随着电池的使用，其开路电压越低，剩余可用容量的值越低。不同的电极材料，其开路电压与电池的SOC之间的关系曲线图的形式不完全一样，但曲线的分布，大致可以分为三个阶段，放电初期、放电中期、放电末期。每个时期的ΔV(电压降)的变化值不同，在放电初期和放电后期，其ΔV的值较大，曲线的分布近似于抛物线，在放电中期，其ΔV的变化值较小，曲线的分布近似于斜率直线分布。因此在估算其SOC的过程当中，通过测量电池的开路电压V及一定时间段内的ΔV的值的大小，加上电池当前的放电温度的剩余可用容量的使用效率

，与电池开始放电时的总容量的乘积，就得到电池剩余可用容量的值。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明利用充电电流和充电时间估算电池开始放电时的总的可用容量。在长期的电池制备的性能测试过程当中，发明人发现随着电池循环次数的增加，电池的可用容量单调递减。不同的电极正负极材料，其变化值不同。相同的电极材料，其变化值，又根据装配电池时调浆料所用的配方(如助导剂、溶剂、碳材)的各个值的比例的不同而不同。但通过检测电池充电的电流，及电池完成充电所用的时间，利用安时积分法，计算出电池在开始放电阶段所具有的总容量，从而避开了复杂的材料性能讨论，使计算结果更精确。

(2)本发明充分考虑温度对电池放电效率的影响。在放电过程中，电池的温度越高，使得电池的活性增加，能量可得到更加有效的发挥以及电池的容量利用得更充分。电池在低温时，活性明显降低，电池的欧姆内阻和极化内阻增加，放电能力下降，放电平台变低以及电池更加容易达到放电截至电压，使得电池的实际可用容量减小、能量利用效率下降。因此不同的电池组温度，具有不同的使用效率。由温度来确定能量使用的效率值。

(3)本发明利用开路电压V及一定时间内的ΔV来确定电池放电的阶段及相应的计算曲线函数。不同的电极材料，其开路电压与电池的SOC之间的关系曲线图的形式不完全一样，但曲线的分布，大致可以分为三个阶段，放电初期、放电中期、放电末期。每个时期的ΔV的变化值不同，在放电初期和放电后期，其ΔV的值较大，曲线的分布近似于抛物线，在放电中期，其ΔV的变化值较小，曲线的分布近似于斜率直线分布。将ΔV代入不同的曲线函数，得到剩余可用容量的百分率。

附图说明

图1是本发明所述系统的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明所提供的系统含有MCU中央控制单元(1)，电压、电流和温度监控模块(2)，显示模块(3)和电池组模块(5)。电压、电流和温度监控模块(2)和电池组模块(5)通过线路与每个电池并联，电压、电流和温度监控模块(2)与MCU中央控制单元(1)通过红外放射器连接，MCU中央控制单元(1)的数据输出端与显示模块(3)连接。

在锂离子电池的充电阶段，不断地检测电池模块中的每一个锂离子电池充电的电流以及记录相应的锂离子电池充电所用的时间，采用安时积分法，计算锂离子电池开始放电时的总的可用容量，从而得到锂离子电池总的可用容量的值A；在锂离子电池放电过程中，不断地检测电池模块中的每一个锂离子电池的开路电压和电压降ΔV，通过开路电压确定电池所处的使用阶段：使用初期、使用中期、使用末期，通过电压降ΔV来选择计算剩余可用容量百分率所用的曲线函数：使用初期和使用末期选择抛物线曲线函数，使用中期选择斜率直线函数，得到剩余可用容量的百分率值a；不断地检测电池模块中的每个锂离子电池当前所处的温度，利用温度与剩余可用SOC之间的关系，得出当前温度下电池剩余可用容量SOC的使用效率。锂离子电池总的可用容量值A、剩余可用容量的百分率a、剩余可用容量的使用效率，三个值的乘积得到电池当前的剩余可用容量。电池组的剩余可用总容量为电池组中每个电池的剩余可用容量之和。所得数值通过MCU中央控制单元的输出端，送外显示模块显示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种估算锂离子动力电池组剩余可用容量的方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)得到锂离子电池总的可用容量的值A：在锂离子电池的充电阶段，不断地检测电池模块中的每一节锂离子电池充电的电流以及记录相应的锂离子电池充电所用的时间；采用安时积分法，计算锂离子电池开始放电时的总的可用容量，从而得到锂离子电池总的可用容量的值A；

安时积分法计算公式为

其中，a表示开始充电的时刻，b表示充电结束的时刻，i表示某时刻下的充电电流，t表示充电时间，dt表示时间积分；

(2)得到锂离子电池剩余可用容量的百分率a：在锂离子电池放电过程中，不断地检测每节锂离子电池的开路电压和电压降ΔV；通过开路电压确定电池所处的使用阶段：使用初期、使用中期、使用末期；通过电压降ΔV来选择计算剩余可用容量百分率所用的曲线函数：使用初期和使用末期选择抛物线曲线函数，使用中期选择斜率直线函数；得到锂离子电池剩余可用容量的百分率a；

(3)得到锂离子电池剩余可用容量的使用效率

：不断地检测电池模块中的每个锂离子电池当前所处的温度，利用温度与剩余可用容量之间的关系，得到当前温度下电池剩余可用容量的使用效率

；

(4)得到锂离子电池的剩余可用容量；锂离子电池总的可用容量值A、剩余可用容量的百分率a、剩余可用容量的使用效率

，三个值的乘积得到锂离子电池当前的剩余可用容量。

(5)得到电池组剩余可用总容量；电池组中的剩余可用总容量为电池组中的每个电池剩余可用容量之和。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述温度与剩余可用容量之间的关系能通过如下所示的公式确定：y为温度值。

3.实现权利要求1所述方法的系统，包含MCU中央控制单元和电池组模块，其特征在于：该系统还包含用于监测电池组信息的电压、电流和温度监控模块，电压、电流和温度监控模块与电池组模块中每节电池通过检测电路连接；电压、电流和温度监控模块将监测到的信息反馈至MCU中央控制单元，MCU中央控制单元将估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量输出。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的MCU中央控制单元集成有安时积分集成芯片。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的检测电路包括温度传感器、电压传感器和电流传感器，温度传感器贴在每节锂离子电池的壁上，电压传感器和电流传感器与锂离子电池并联，电压传感器和电流传感器再与PWM串联。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述反馈的方式为红外通信或光纤通信。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述的系统还含有用于显示估算得到的锂离子动力电池组剩余可用容量值的显示模块。