CN102203628A - 确定充电或放电阶段中电池的荷电状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定电池的荷电状态的方法，所述方法包括，在电池充电或放电阶段期间，测量所述电池的电参数和在静置期(t0～t3)期间使所述电池处于开路。在所述静置期(t0～t3)期间，测量所述电池端子处的至少两个电压值。然后基于所述电参数和在所述静置期期间测量的电压值计算指示值，和使用表示基于所述电池荷电状态的指示值的变化的校准曲线确定对应于所述指示值的荷电状态。

Description

确定充电或放电阶段中电池的荷电状态的方法

技术领域

本发明涉及确定电池充电或放电阶段期间电池的荷电状态的方法。

背景技术

在铅蓄电池中，荷电状态(SOC)通常根据电池的开路(零电流)电压在宽范围内变化，例如如图1所示变化超过1伏的幅度(2001年在“Journal of PowerSources”第113-120页中出版的Sabine Piler等人的论文“Methods forstate-of-charge determination and their applications”)。然后可通过简单的电势测量确定这些电池的荷电状态，其精度取决于电压测量的精度和根据电池荷电状态的电池放电曲线的斜率。

荷电状态也可由非零电流处的电压的测量确定。精度则取决于电压以及电流测量的精度、根据电池荷电状态的作为电池放电特性的曲线的斜率、以及在非零电流处的电池电压的估计参数。

通过电势插值的这些方法不适合一些现代的电池，特别是具有由两相材料制成的阴极的、其中充电状态和放电状态之间的电压差小的锂离子型电池。事实上，如图2中所示，作为荷电状态(SOC)函数的电池电压U(单位伏)的变化如此小以至于对于3.3V的电压，不可能知晓荷电状态是否更接近于40％而不是60％。

在已知的方式中，电池的荷电状态也可通过作为时间函数的电流的积分确定。使用这种方法的估计的精度取决于电流测量的精度。还必须知晓电池的初始容量、总的充电容量、和法拉第效率。这种技术的主要缺点之一是一个循环接一个循环后的误差累积，导致越来越大的不可靠性(取决于电池初始容量及其总容量的估计)。因此这种技术不适合于长期电池管理。

发明内容

本发明的目的是提供精确和容易实施的用于确定荷电状态的方法。

该目的通过如下事实实现：所述方法包括在所述阶段过程中的下列相继步骤：

-测量所述电池的电参数，

-在静置期期间使所述电池处于开路，

-在所述静置期期间在不同的时间在所述电池端子处测量至少第一和第二电压值，

-根据所述电参数和在所述静置期期间测量的电压值确定指示值(indicator)，

-和通过表示作为充电或放电阶段期间的荷电状态的函数的所述指示值的变化的校准曲线确定对应于所述指示值的荷电状态。

根据改进，所测量的电参数为在使电池处于开路之前流经所述电池的电流I或者在使电池处于开路之前在所述电池端子处的电压U_(t0)。

根据使用在电池端子处的电压U_(t0)作为参数的第一可选择方案，所述指示值ind1由式

给出，其中U_(t1)为所述静置期期间电压的第一测量值，U_(t2)为所述静置期期间电压的第二测量值，和α为在校准阶段期间通过对α进行逐次迭代(successive iteration)以获得单调校准曲线而预先确定的参数。

根据使用电流I作为参数的第二可选择方案，所述指示值由式

给出，其中U_(t1)为所述静置期期间测量的第一电压值，U_(t2)为所述静置期期间测量的第二电压值，和α为在校准阶段期间通过对α进行逐次迭代以获得单调校准曲线而预先确定的参数。

附图说明

由仅出于非限制性实施例目的给出并且示于附图中的本发明具体实施方式的以下描述，其它优点和特征将变得更清楚地明晰，其中：

图1表示根据现有技术通过开路电压测量确定电池的荷电状态的曲线。

图2说明锂离子电池的作为荷电状态函数的开路电压的变化。

图3表示在根据本发明的电池荷电状态确定阶段期间在放电阶段过程中的作为时间函数的电池电压的变化。

图4说明表示在静置期之后确定的作为荷电状态函数的指示值的校准曲线。

图5说明各自与不同α相关的、表示作为荷电状态函数的指示值的值的变化的不同曲线。

具体实施方式

如图3中所示，为了确定电池或蓄电池在充电或放电阶段期间的荷电状态，图3表示对于具有对荷电状态进行确定的步骤的放电阶段，作为时间函数的电池电压的变化。首先在使所述电池在时间t0和t3之间静置之前测量所述电池的电参数。使所述电池静置对应于使所述电池处于开路，这意味着没有电流流经所述电池。该静置导致所述电池端子处电压的变化。典型地，如果所述电池处于放电阶段，则该变化对应于电压升高(图3)，或者如果所述电池处于充电状态，则该变化对应于电压降低(未示出)。静置期(t0～t3)优选短于或等于60秒(期间电压通常达到平台电压的时间)。

在静置期(t0～t3)期间，在至少两个不同的时间t1和t2测量电池端子处的电压值。时间t2可等于时间t3，即刚好在重新开始电池的充电或放电阶段之前测量电压。然后由所述电参数和在所述静置期t0～t3期间测量的电压值U_(t1)和U_(t2)的测量结果确定指示值。

所述指示值可以两种不同方式即通过电流的测量结果作为电参数或者通过电压的测量结果作为电参数获得。

根据第一可选择方案，测量的电参数为在所述静置期之前即在t0处在电池端子处的电压U。在所述静置期期间在时间t1和t2处测量至少两个电压值之后，可通过应用下式确定所述指示值：

$\mathrm{ind}1=\frac{U_{\left(t2\right)}-\mathrm{\α}}{U_{\left(t2\right)}-U_{\left(t1\right)}}\×(U_{\left(t1\right)}-U_{\left(t0\right)})$

其中U_(t1)和U_(t2)分别表示在时间t1和t2处测量的电压，

α为取决于所述电池的充电或放电的参数。

参数α取决于电池的类型。其是在校准阶段通过对α的可能值(例如在0V和所述电池的额定电压之间)进行逐次迭代以获得表示作为荷电状态函数的指示值的单调校准曲线而预先确定的。图5表示对于18650型和1.4Ah容量的LiFePO₄/LiC₆型电池的10个小时的放电阶段，对于分别为2.5V、3.1V、3.2V、3.3V和3.4V的α值，作为荷电状态(SOC)函数的所述指示值的值变化的行为。与α＝3.2V的值相关的曲线是最单调的，即其不呈现任何斜率突变或斜率反向。相反，与α＝2.5V和α＝3.1V相关的曲线在70％的荷电状态水平处呈现斜率的突变和反向。同样地，与α＝3.4V的值相关的曲线呈现大量的斜率突变。关于与α＝3.3V相关的曲线，对于15％的荷电状态得到突变。不呈现单调性的曲线不是令人满意的，因为在这种情况下，对于相同的指示值可存在多个相应的荷电状态值。对于图5中所测试类型的电池，由此所保留的α值为3.2V。

虽然在以上实施例中，α是通过在校准阶段期间的逐次迭代确定的，但应注意当测试的电池具有包括如下材料LiFePO₄/石墨或LiFePO₄/Li₄Ti₅O₁₂的电极时，其值接近于电池的充电或放电的平均电势。对于LiFePO₄/Li₄Ti₅O₁₂，相应的α为1.8V。对于给定的充电或放电速率，所述平均电势通过电池能量(单位W.h)与电池容量(单位A.h)之比定义。

根据第二可选择方案，测量的电参数为在所述静置期之前即在t0处在电池中流动的电流I。在测量了电流I之后，使电池静置一段时间，在此期间分别在时间t1和t2处测量至少两个电压值。然后可通过应用下式确定指示值ind2：

$\mathrm{ind}2=\frac{U_{\left(t2\right)}-\mathrm{\α}}{U_{\left(t2\right)}-U_{\left(t1\right)}}\×I$

其中U_(t1)和U_(t2)分别表示在时间t1和t2处测量的电压，

α为取决于所述电池的充电或放电的参数，其以与上述变量类似的方式确定以获得单调校准曲线。

然后使用该指示值，由预先由基准电池获得的校准曲线(图4)确定电池的荷电状态(SOC)，该曲线表示作为充电或放电阶段期间的电池荷电状态的函数的指示值的变化。所述校准曲线优选地提供对于预定的α在所述指示值与电池荷电状态之间的关系。所用校准曲线优选为使得能够确定最佳α的曲线。图4的曲线表示对应于其中测量在电池中流动的安培数(ind2)作为电参数的变型的校准曲线。必须绘制两条校准曲线，因为涉及电池充电还是放电阶段，校准曲线实际上是不同的。如图4中所示，校准曲线表示作为放电阶段期间的电池荷电状态函数的指示值ind2的变化。该曲线是在校准阶段期间通过已经在前文中描述的α的逐次迭代得到的。对相同牌号的三个基准电池上进行的测试显示结果的小的离散，其使得能够以小于5％的标准偏差得到高的测量再现性。

因此，根据一个实施方式，对于18650型和在放电阶段中1.4Ah容量的圆柱形LiFePO₄/LiC₆电池和对于具有t2＝t3的30秒的静置，ind2的计算如下：

$\mathrm{ind}2=\frac{U_{\left(30s\right)}-3.2}{U_{\left(30s\right)}-U_{\left(1s\right)}}\×I$

其中对于20小时的电池放电阶段，U_(30s)＝3.25V，U_(1s)＝3.21V且I＝0.07A。由此得到0.0875A的ind2值。

通过阅读图4的曲线，得到25％的荷电状态(SOC)估计值。

对于在t2＝1s而不是t2＝30s处测量的第二电压进行的该相同的计算也显示荷电状态的具有小于20％的标准偏差的校准曲线的良好单调性。

根据本发明的方法适合用于电池化学，特别是可确定具有包括一个或全部两个由两相材料制成的一对电极的电池的荷电状态。所述方法更特别适合于包含LiFePO₄和Li₄Ti₅O₁₂电极材料的电池。以具有小于10％的不可靠性的高精度实现这种电池的荷电状态的确定，而使用现有技术的方法，不可靠性超过15％。而且无需集成根据与电池之前的充电和放电相关的数据进行校正的电路和存储器。

该特别有意义的方法可应用于光伏领域。其也可应用于便携式设备如电话和计算机的领域，或者其中关键是使用精确的荷电指示器(charge gauge)的混合动力车和电动车的领域。

Claims (6)

1.确定电池充电或放电阶段期间所述电池的荷电状态的方法，特征在于，其包括在所述阶段过程中的下列相继步骤：

-测量所述电池的电参数，

-在静置期(t0～t3)期间使所述电池处于开路，

-在所述静置期(t0～t3)期间在不同的时间(t1，t2)在所述电池端子处测量至少第一和第二电压值，

-根据所述电参数和在所述静置期期间测量的电压值确定指示值(ind1，ind2)，

-和通过表示作为充电或放电阶段期间的荷电状态的函数的所述指示值的变化的校准曲线确定对应于所述指示值的荷电状态。

2.权利要求1的方法，特征在于，所述电参数是在使所述电池处于开路之前流经所述电池的电流I。

3.权利要求1的方法，特征在于，所述电参数是在使所述电池处于开路之前在所述电池端子处的电压U_(t0)。

4.权利要求2的方法，特征在于，所述指示值由式

给出的，其中U_(t1)为在所述静置期期间测量的第一电压值，U_(t2)为在所述静置期期间测量的第二电压值，且α为在校准阶段期间通过对α进行逐次迭代以获得单调校准曲线而预先确定的参数。

5.权利要求3的方法，特征在于，所述指示值ind1由式

给出，其中U_(t1)为在所述静置期期间测量的第一电压值，U_(t2)为在所述静置期期间测量的第二电压值，且α为在校准阶段期间通过对α进行逐次迭代以获得单调校准曲线而预先确定的参数。

6.权利要求1～5中任一项的方法，特征在于所述静置期具有小于或等于60秒的持续时间。

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