CN103515661B - 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法 - Google Patents

一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103515661B
CN103515661B CN201310478212.6A CN201310478212A CN103515661B CN 103515661 B CN103515661 B CN 103515661B CN 201310478212 A CN201310478212 A CN 201310478212A CN 103515661 B CN103515661 B CN 103515661B
Authority
CN
China
Prior art keywords
soh
module
current
internal resistance
soc
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310478212.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103515661A (zh
Inventor
张涛
查亚兵
黄卓
黄生俊
雷洪涛
张彦
刘宝龙
郭波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National University of Defense Technology
Original Assignee
National University of Defense Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National University of Defense Technology filed Critical National University of Defense Technology
Priority to CN201310478212.6A priority Critical patent/CN103515661B/zh
Publication of CN103515661A publication Critical patent/CN103515661A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103515661B publication Critical patent/CN103515661B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/448—End of discharge regulating measures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明公开了一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法，目的是在满足负载功率需求的前提下延长电池柜的剩余循环使用寿命。技术方案是先构建由N+1个电流测量仪、N个直流-直流转换器、计算机、1个内阻测量仪组成的并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统；每隔一段时间，并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统检测负载电流需求Itotal，估算各模组SOH值的大小，在保证的前提下，以“性能较优模组以较大电流放电，性能较差模组以较小电流放电”为原则分配各模组的放电电流，以减缓性能较差模组的SOH衰减趋势。采用本发明可使所有模组几乎同时达到循环使用寿命预期结束点，充分发挥每个模组的性能，最大化锂离子电池柜的剩余循环使用寿命。

Description

一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法
技术领域
本发明涉及延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法，具体涉及一种当电池柜中模组损坏被更换为全新模组之后，基于并联模组健康状况SOH(State of Health)的差异性对不同模组的放电电流进行控制，充分发挥新更换模组性能，减缓性能较差模组的SOH衰减趋势，延长电池柜剩余循环使用寿命的方法。
背景技术
锂离子电池作为化学电源中一种重要的能量转换形式，具有高工作电压、高能量密度、无记忆性、重量轻、体积小、安全性好、循环寿命好及绿色环保等优点，目前广泛应用于各行各业。自从1990年SONY公司制造出第一个锂离子电池以来，得到了快速发展。在实际应用中，由于单体电池容量和电压有限，必须采用成组技术，以满足其使用的要求。以电池柜为例，模组的并联可以增大电池柜的电流，串联则相应的增加电池柜的电压等级。
一个典型的并联锂离子电池柜系统如图1所示，其中电池柜由N个模组并联而成，为负载提供功率输出；市电负责维持电压稳定。多个模组并联使用时，由于各模组的输出电压和内阻的差异必然使各模组的输出功率(电流)不平衡，因此，常常在电路中加一个电流均衡控制系统。电流均衡控制系统由1个电流测量仪、N个直流-直流转换器、1台单片机(其中嵌有电流计算控制单元)组成。电流测量仪与负载串联，测量负载电流需求；N个直流-直流转换器分别与一个模组串联，控制与它相连模组的放电电流；电流计算控制单元与电流测量仪、N个直流-直流转换器连接，负责通信与控制。电流均衡控制系统的工作过程为：电流测量仪检测流过负载的电流Itotal并发送给单片机中的电流计算控制单元；电流计算控制单元按照均流公式I＝Itotal/N计算出模组应放出电流的大小，并将I的值分发给每个直流-直流转换器；各直流-直流转换器按照所接收的I调整各模组的放电电流，实现电池柜中各模组的电流均衡。图1中实线表示能量流动线，虚线表示信息传递线，箭头表示信息传递方向。
并联电池柜若不进行均衡控制，随着充放电循环次数的增加，各模组将逐渐分化，使用寿命将大大缩减。电流均衡系统可以使各模组的剩余电量SOC(State of Charge)、端电压、放电电流、内阻等参数的偏差保持在预期的范围内，在一定程度上有助于提高整个电池柜的循环使用寿命。电池的循环使用寿命与健康状况SOH密切相关，SOH由下面公式表示：
SOH以百分比反映了电池当前的容量能力，对于一块新的电池，其SOH往往是大于或等于100％，随着电池的老化，SOH逐渐下降。SOH下降速率与放电电流大小成正比，放电电流越大，SOH衰减越快，衰减曲线如图2中随着循环次数单调递减的实线和虚线所示。IEEE标准1188-1996中规定当电池容量下降到80％，即SOH<80％时，电池就应该被更换。从当前时刻开始到电池柜中任何一个模组需要被更换时结束，期间电池柜完成的循环次数即为电池柜剩余循环使用寿命。
当前，随着工程技术的发展，电池柜已经可以实现模组的“即插即用”。如果某个模组的SOH值低于80％，可立即更换一个全新的模组。此时，该全新模组的SOH值为100％，其他模组因为已经使用过一段时间，其SOH值必然小于100％。图2构造了一个典型的“即插即用”新型应用场景，并给出了电流均衡控制系统运行时各模组的SOH衰减曲线。
图2中，电池柜中的模组在电流均衡控制系统的指导下进行放电，各模组的SOH衰减曲线如最左侧单调递减的实线所示；电池柜运行至O点，某个模组突然损坏并被现场更换，新更换模组的SOH值为100％，而其他未更换模组的SOH值约为87％。若此时仍继续进行均流放电，则新更换模组的SOH将按照图2中最右侧虚线(与最左侧实线平行)进行衰减，其他未更换模组的衰减仍然按照最左侧实线进行。由图2可知，新更换模组的循环使用寿命预期结束点位于D点，其他未更换模组的循环使用寿命预期结束点位于A点，故电池柜的循环使用寿命预期结束点位于A点，剩余循环使用寿命长度为
在A点，新更换模组的SOH值大于80％，没有达到报废标准，由此可以看出，新更换模组的性能没有完全发挥。若在O点采用一种新的均衡控制方法，充分考虑各模组的SOH差异性，基于SOH调整放电电流大小，使得性能较优的模组以较大电流放电(加速SOH衰减)，性能较差的模组以较小电流放电(减缓SOH衰减)，改变各模组后续的SOH衰减趋势，以达到图2中中间两条点虚线所示效果，则可以将电池柜的循环使用寿命预期结束点延长至B点，剩余循环使用寿命长度延长为
该新型控制方法通过改变各模组放电电流大小，不仅能够充分发挥新更换模组的性能，而且可以延长电池柜的剩余循环使用寿命。值得说明的是，图2中如果B、C两点重合，则电池柜中所有模组的性能将可完全发挥，此时电池柜剩余循环使用寿命达到最长。
由上可知，在当前支持“即插即用”的并联电池柜环境下，模组之间性能差异较大时，仅依靠电流均衡控制系统进行控制，将限制状态较好模组的性能发挥，且无法延长电池柜剩余循环使用寿命。所以充分考虑不同模组的SOH，并以此为基础调节模组的放电电流，以延长电池柜剩余循环使用寿命是本领域研究人员关注的技术问题，目前尚未有以SOH差异性为基础的延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法或技术的公开报告。
发明内容
本发明要解决的技术问题是在并联锂离子电池柜中如何根据各模组的SOH确定其放电电流大小，在满足负载功率需求的前提下，尽可能延长电池柜的剩余循环使用寿命。
本发明基于SOH差异性延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的基本思想是：每隔一段时间，检测负载电流需求Itotal，同时估算各模组SOH值的大小，在保证的前提下，以“性能较优模组以较大电流放电，性能较差模组以较小电流放电”为原则分配各模组的放电电流Ii(i＝1,2,…,N)，以减缓性能较差模组的SOH衰减趋势，最终使得所有模组几乎同时达到循环使用寿命预期结束点，充分发挥每个模组的性能，最大化锂离子电池柜的剩余循环使用寿命。
本发明的技术方案为：运用内阻测量仪测量模组放电过程中的内阻值，衡量其健康状态，基于健康状态的差异性和负载电流需求，结合模组SOH衰减曲线，运用快速算法对模组放电电流进行分配与控制，使得性能较差的模组以小电流放电，减缓其SOH衰减趋势，延长电池柜剩余循环使用寿命。
本发明延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的目标通过控制各模组的放电电流，改变SOH衰减曲线实现，具体技术方案包括以下步骤：
第一步构建并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统。该系统在图1所示控制系统的基础上将单片机升级为计算机，将电流计算单元更换为放电电流优化控制软件，并增加了1个内阻测量仪、N个电流测量仪，放电电流优化控制软件由电流计算单元、信号处理单元、SOH估算单元、SOC估算单元组成。第0电流测量仪与负载串联，测量负载电流需求，将负载电流需求传送给计算机；N个直流-直流转换器均与计算机相连，并分别与一个模组串联，控制与它相连模组的放电电流；计算机与第0至第N电流测量仪、N个直流-直流转换器、内阻测量仪连接，负责通信与控制；N为并联电池柜中模组的个数。
1.1内阻测量仪选用可同时测量N个模组内阻数据的多路内阻测试仪，以并联方式连接于N个模组的两端，分辨率为0.01μΩ，数据输出端与SOH估算单元连接，为SOH估算单元传递模组内阻数据。
1.2第1到第N电流测量仪分别串联于N个模组与N个直流-直流转换器之间(即第i电流测量仪串联于第i模组与第i直流-直流转换器之间)，分辨率为0.01mA，各电流测量仪数据输出端与SOC估算单元连接，为SOC估算单元传递模组放电电流数据。
1.3SOH估算单元接收内阻测量仪传递的内阻数据，根据SOH计算模型估算各模组的SOH值，并将各模组的SOH值传递给电流计算单元。SOH计算模型采用中国专利申请公开号CN 102520361 A提出的基于电池内阻的SOH估算模型：
SOH＝(re-rm)/(re-rs)   (2)
其中，re表示模组报废内阻，rm表示模组运行过程中的内阻，rs表示模组出厂内阻。
1.4 SOC估算单元接收N个电流测量仪传递的电流数据，根据SOC计算模型估算各模组的SOC值，并将各模组的SOC值传递给信号处理单元。SOC计算模型采用安时计量模型(见：林成涛,陈全世,王军平等.用改进的安时计量法估计电动汽车动力电池SOC[J].清华大学学报(自然科学版),2006,46(2):247-251)。
1.5电流计算单元接收第0电流测量仪传递的电流数据及SOH估算单元传递的SOH数据，建立并求解基于SOH的电流分配模型得出各模组输出电流大小Ii(i＝1,2,…,N)，步骤如下：
1.5.1确定模组的SOH与恒定放电电流I和循环次数nc之间的关系模型SOH＝f(I,nc)，称为SOH衰减模型，f(I,nc)表示模组以恒定电流I进行放电，循环到nc次时的SOH值。该模型可由以下两种方法获得：
1.5.1.1咨询电池生产公司。电池生产厂家在建立生产线之前，需要设计严格的循环寿命衰减实验或者加速寿命实验，以确定产品的额定循环使用寿命，因此不难获得模组的SOH衰减模型。
1.5.1.2如果电池生产公司出于商业技术保密或其他原因，无法提供模组的SOH衰减模型，也可以在实验室设计实验，运用数据拟合的方法对数据进行处理后获得(见：黎火林,苏金然.锂离子电池循环寿命预计模型的研究[J].电源技术,2008,32(4):242-246)。
1.5.2确定模组的剩余循环使用寿命nl与当前SOH和放电电流I之间的关系模型nl＝g(SOH,I)，g(SOH,I)表示模组当以恒定电流I进行放电，健康状态从当前的SOH衰减至80％时所循环的次数。该模型可由如下步骤获得：
1.5.2.1求SOH＝f(I,nc)的反函数nc＝f′(SOH,I)，f′(SOH,I)表示模组以恒定电流I放电，健康状态从100％衰减至当前SOH值时已经循环的次数；
1.5.2.2根据电池循环使用寿命长度的定义及f′(SOH,I)的含义，确定nl＝g(SOH,I)＝f′(0.8,I)-f′(SOH,I)，其中f′(0.8,I)表示以电流I放电的循环使用寿命(健康状态衰减至80％)。
1.5.3基于关系模型nl＝g(SOH,I)建立基于SOH的电流分配模型。步骤如下：
1.5.3.1根据剩余循环使用寿命nl建立放电电流Ii(i＝1,2,…,N)的关系方程。电池柜剩余循环使用寿命最大化时，所有模组的剩余循环使用寿命相等，故有
nl1＝nl2＝…＝nli＝…＝nlN   (3)
由步骤1.5.2.2中确立的关系模型nl＝g(SOH,I)，可得nli＝g(SOHi,Ii)，故式(3)可改写为：
g(SOH1,I1)＝g(SOH2,I2)＝…＝g(SOHN,IN)   (4)
其中，SOHi和Ii分别表示第i个模组的SOH及放电电流大小。
1.5.3.2根据基尔霍夫电流定律建立放电电流Ii(i＝1,2,…,N)的关系方程，得：
I1+I2+…+IN＝Itotal   (5)
1.5.3.3合并式(4)和式(5)并对其进行改写，可得：
g(SOH1,I1)-g(SOH2,I2)＝0
g(SOH2,I2)-g(SOH3,I3)＝0
.   (6)
g(SOHN-1,IN-1)-g(SOHN,IN)＝0
I1+I2+…+IN-Itotal＝0
其中SOHi(i＝1,2,…,N)和Itotal均为已知量，故式(6)是仅关于放电电流Ii(i＝1,2,…,N)的非线性方程方程组。
1.5.4运用牛顿迭代法(见：齐治昌.数值分析及其应用(第二版)[M].国防科技大学出版社.1995:203-204)求解基于SOH差异性的电流分配模型，计算满足电池柜剩余循环使用寿命最大条件的各模组放电电流大小Ii(i＝1,2,…,N)。牛顿迭代法有三个参数：初值向量X＝(x1,x2,…,xN)T；误差限TOL；最大迭代次数M。
1.6信号处理单元接收SOC估算单元和电流计算单元传递的SOC数据和模组放电电流数据Ii(i＝1,2,…,N)，在所有模组SOC状态允许放电的情况下，分发模组放电电流数据Ii(i＝1,2,…,N)给各直流-直流变换器，即将Ii分发给第i直流-直流变换器。
第二步设置变量初值，包括：
2.1设置SOH估算单元中模组的报废内阻re和出厂内阻rs。该数据均可由电池使用说明书、电池生产厂家或者具体实验检测获得。
2.2设置电流计算单元中模组的SOH衰减模型SOH＝f(I,nc)。
2.3设置电流计算单元中牛顿迭代法的初始向量X＝(x1,x2,…,xN)T为I＝(I1,I2,…,IN)T，其中Ii＝Itotal/N(i＝1,2,…,N)；误差限TOL为0.01；最大迭代次数M为10000。
2.4设置内阻测量仪和电流测量仪的信号采集时间间隔为△t，该时间间隔同时也代表模组放电电流调度时间间隔，△t的设置需与功率需求变化规律保持一致，使得电流能够满足功率需求，在功率平稳的情况下，一般可设为1s左右。
第三步运用并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统对模组放电电流实施控制。
3.1内组测量仪和电流测量仪同时工作采集数据，并将结果传递给计算机，包括：
3.1.1第0电流测量仪检测负载电流需求Itotal，并将值传递给电流计算单元；
3.1.2内阻测量仪检测各模组运行过程中的内阻rmi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给SOH估算单元；
3.1.3第i电流测量仪检测各模组的放电电流IIi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给SOC估算单元。
3.2 SOH估算单元基于内阻测量仪所传递的模组运行内阻rmi(i＝1,2,…,N)及步骤2.1中初始化的模组的报废内阻re和出厂内阻rs，运用步骤1.3中的SOH估算模型SOHi＝(re-rmi)/(re-rs)估算各模组的SOH，并将值SOHi(i＝1,2,…,N)传递给电流计算单元。
3.3 SOC估算单元基于第i电流测量仪所传递的模组放电电流数据IIi(i＝1,2,…,N)，运用步骤1.4描述的SOC估算模型估算各模组的SOC，并将值SOCi(i＝1,2，…,N)传递给信号处理单元。
3.4电流计算单元计算各模组的放电电流Ii(i＝1,2,…,N)，并将结果传递给信号处理单元，包括以下步骤：
3.4.1电流计算单元对第0电流测量仪所传递的负载电流需求Itotal进行判断，若Itotal＝0，则表示负载没有电流需求，令Ii＝0(i＝1,2,…,N)，并将其传递给信号处理单元，转入3.5步；反之若Itotal>0，表示负载具有正常电流需求，转入步骤3.4.2。
3.4.2电流计算单元对SOH估算单元所传递的模组健康状况数据SOHi(i＝1,2,…,N)进行判断，若存在SOHi<0.8，则表示模组i已经达到报废标准，令Ii＝-N，Ij＝0(j＝1,2,…,i-1,i+1,…,N)，并将Ii(i＝1,2,…,N)传递给信号处理单元，转入3.5步；否则表示模组状态正常，转入步骤3.4.3。
3.4.3电流计算单元基于Itotal、SOHi(i＝1,2,…,N)及步骤2.2、2.3中初始化的模组SOH衰减模型SOH＝f(I,nc)、牛顿迭代法相关运行参数，按照步骤1.5所述方法求解各模组的放电电流，并将结果Ii(i＝1,2,…,N)传递给信号处理单元。
3.5信号处理单元对电流计算单元所传递的模组放电电流Ii(i＝1,2,…,N)进行分析，判断电路及电池柜运行情况，针对不同情况进行不同操作。包括如下几种情况：
3.5.1若所有Ii＝0，表示负载没有电流需求，模组不需要提供功率输出，将Ii(i＝1,2,…,N)分发给各直流-直流转换器，即将Ii发给第i直流-直流变换器，并转入3.7步；
3.5.2若存在Ii<0，表示模组i达到报废标准，各模组需停止工作，对模组i进行更换，故令Ii＝0(i＝1,2,…,N)并分发给各直流-直流转换器，即将Ii发给第i直流-直流变换器，转入3.9步；
3.5.3若Ii(i＝1,2,…,N)不属于以上3.5.1和3.5.2的情况，则电路运行正常且电池柜没有损坏，转入3.6步。
3.6信号处理单元对SOC估算单元所传递的模组剩余电量数据SOCi(i＝1,2,…,N)进行判断，若存在SOCi≤0.05，则模组i的剩余电量低于最低限，不能继续放电，故令Ii＝0(i＝1,2,…,N)并分发给各直流-直流转换器，即将Ii发给第i直流-直流变换器，转入3.8步；反之若所有SOCi>0.05，则模组电量能够维持下一个阶段△t的放电，不需进行任何调整，直接将Ii(i＝1,2,…,N)分发给各直流-直流转换器，即将Ii发给第i直流-直流变换器，控制各模组放电电流，改变其SOH衰减曲线，延长电池柜循环使用寿命，转3.7步。
3.7信号处理单元令t＝0并开始计时，当t＝△t时，转3.1步。
3.8结束放电控制，工作人员对电池柜中所有的模组进行充电。
3.9结束放电控制，工作人员对电池柜中损坏的模组进行更换。
采用本发明可以达到如下效果：
1)本发明3.6步按照“性能较优多出力、性能较差少出力”的原则对并联电池组模组放电电流进行优化计算，改变各模组的SOH衰减趋势，达到延长并联电池组剩余循环使用寿命的目的。
2)本发明3.2步通过测量内阻，估算电池SOH值，可以动态跟踪掌握模组的性能变化，确保系统安全可靠。
附图说明
图1是背景技术现有的均流放电控制系统示意图。
图2是背景技术现有的均流放电控制在“即插即用”场景下的应用分析图。
图3是本发明总体流程图。
图4是本发明第一步构建的基于SOH的放电控制系统示意图。
图5是本发明第三步的流程图。
具体实施方式
图1是公布的均流放电控制系统示意图，主要由电池柜、直流-直流转换器、负载、电流测量仪及单片机组成。其中电池柜由N个模组并联而成，为负载提供功率输出；市电负责维持电压稳定；直流-直流转换器串联于各模组正极输出端，用以调节模组放电电流；电流测量仪串联于负载端，测量负载电流需求；单片机内嵌入电流计算控制单元，收集负载电流需求，按照均流策略对模组的放电电流进行分配，并将电流值分发给各直流-直流转换器。图1中实线表示能量流动线，虚线表示信息传递线，箭头表示信息传递方向。
图2是均流放电控制在“即插即用”场景下的应用分析图。图中实线表示均流控制下模组的SOH衰减曲线；O点表示有模组突然损坏，被更换；从O点开始的虚线表示在均流控制下，新更换模组的SOH衰减曲线；两条点虚线表示理想策略下新、旧模组的SOH衰减曲线；A、B、C、D分别表示各种SOH衰减曲线的循环使用寿命预期结束点。
图3是本发明的总流程图，主要包括三个步骤：第一步，构建并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统；第二步，设置变量初值；第三步，运用并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统对模组放电电流实施控制。
图4是本发明第一步构建的基于SOH的放电控制系统示意图。该系统在图1所示控制系统的基础上将单片机升级为计算机，将电流计算控制单元更换为放电电流优化控制软件，并增加了1个内阻测量仪、N个电流测量仪，放电电流优化控制软件由电流计算单元、信号处理单元、SOH估算单元、SOC估算单元组成。内阻测量仪选用可同时测量N个模组内阻数据的多路内阻测试仪，以并联方式连接于N个模组的两端；第1到第N电流测量仪分别串联于N个模组与N个直流-直流转换器之间(即第i电流测量仪串联于第i模组与第i直流-直流转换器之间)；SOH估算单元接收内阻测量仪传递的内阻数据，根据SOH计算模型估算各模组的SOH值，并将结果传递给电流计算控制单元；SOC估算单元接收第1～N电流测量仪传递的电流数据，根据SOC计算模型估算各模组的SOC值，并将结果传递给电流计算控制单元；电流计算单元接收第0电流测量仪传递的电流数据及SOH估算单元传递的SOH数据，运用基于SOH的电流分配模型计算各模组输出电流大小Ii(i＝1,2,…,N)；信号处理单元接收SOC估算单元和电流计算单元传递的SOC数据和模组放电电流数据Ii(i＝1,2,…,N)，在所有模组SOC状态允许放电的情况下，分发模组放电电流数据Ii(i＝1,2,…,N)给各直流-直流变换器。
图5是本发明第三步的流程图，流程如下：
3.1各测量仪采集数据，并将结果传递给计算机，包括：第0电流测量仪检测负载电流需求Itotal，并将值传递给电流计算单元；内阻测量仪检测各模组运行过程中的内阻rmi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给SOH估算单元；第i电流测量仪检测各模组的放电电流IIi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给SOC估算单元。
3.2 SOH估算单元估算各模组的健康状况SOHi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给电流计算单元。
3.3 SOC估算单元估算各模组的荷电状态SOCi(i＝1,2,…,N)，并将值传递给信号处理单元。
3.4电流计算单元计算各模组的放电电流Ii(i＝1,2,…,N)，并将结果传递给信号处理单元，包括以下步骤：
3.4.1电流计算单元对第0电流测量仪所传递的负载电流需求Itotal进行判断，若Itotal＝0，则表示负载没有电流需求，令Ii＝0(i＝1,2,…,N)，并将其传递给信号处理单元，转入3.5步；反之若Itotal>0，表示负载具有正常电流需求，转入步骤3.4.2。
3.4.2电流计算单元对SOH估算单元所传递的模组健康状况数据SOHi(i＝1,2,…,N)进行判断，若存在SOHi<0.8，则表示模组i已经达到报废标准，令Ii＝-N，Ij＝0(j＝1,2,…,i-1,i+1,…,N)，并将Ii(i＝1,2,…,N)传递给信号处理单元，转入3.5步；否则表示模组状态正常，转入步骤3.4.3。
3.4.3电流计算单元基于Itotal、SOHi(i＝1,2,…,N)及步骤2.2、2.3中初始化的模组SOH衰减模型SOH＝f(I,nc)、牛顿迭代法相关运行参数，按照步骤1.5所述方法求解各模组的放电电流，并将结果Ii(i＝1,2,…,N)传递给信号处理单元。
3.5信号处理单元对电流计算单元所传递的模组放电电流Ii(i＝1,2,…,N)进行分析，判断电路及电池柜运行情况，针对不同情况进行不同操作。包括如下几种情况：
3.5.1若所有Ii＝0，表示负载没有电流需求，模组不需要提供功率输出，将Ii(i＝1,2,…,N)分发给各直流-直流转换器，并转入3.7步；
3.5.2若存在Ii<0，表示模组i达到报废标准，各模组需停止工作，对模组i进行更换，故令Ii＝0(i＝1,2,…,N)并分发给各直流-直流转换器，转入3.9步；
3.5.3若Ii(i＝1,2,…,N)不属于以上3.5.1和3.5.2的情况，则电路运行正常且电池柜没有损坏，转入3.6步。
3.6信号处理单元对SOC估算单元所传递的模组剩余电量数据SOCi(i＝1,2,…,N)进行判断，若存在SOCi≤0.05，则模组i的剩余电量低于最低限，不能继续放电，故令Ii＝0(i＝1,2,…,N)并分发给各直流-直流转换器，转入3.8步；反之若所有SOCi>0.05，则模组电量能够维持下一个阶段△t的放电，不需进行任何调整，直接将Ii(i＝1,2,…,N)分发给各直流-直流转换器，控制各模组放电电流，改变其SOH衰减曲线，延长电池柜循环使用寿命，转3.7步。
3.7信号处理单元令t＝0并开始计时，当t＝△t时，转3.1步。
3.8结束放电控制，工作人员对电池柜中所有的模组进行充电。
3.9结束放电控制，工作人员对电池柜中损坏的模组进行更换。

Claims (3)

1.一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，构建并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统：并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统由N+1个电流测量仪、N个直流-直流转换器、计算机、1个内阻测量仪组成，计算机中安装有由电流计算单元、信号处理单元、SOH估算单元、SOC估算单元组成的放电电流优化控制软件；第0电流测量仪与负载串联，测量负载电流需求，将负载电流需求传送给计算机；N个直流-直流转换器均与计算机相连，并分别与一个模组串联，控制与它相连模组的放电电流；计算机与第0至第N电流测量仪、N个直流-直流转换器、内阻测量仪连接，负责通信与控制；N为并联锂离子电池柜中模组的个数，SOC是指剩余电量，SOH指健康状况：
1.1内阻测量仪选用可同时测量N个模组内阻数据的多路内阻测试仪，以并联方式连接于N个模组的两端，分辨率为0.01μΩ，数据输出端与SOH估算单元连接，为SOH估算单元传递模组内阻数据；
1.2第1到第N电流测量仪分别串联于N个模组与N个直流-直流转换器之间，即第i电流测量仪串联于第i模组与第i直流-直流转换器之间，分辨率为0.01mA，各电流测量仪数据输出端与SOC估算单元连接，为SOC估算单元传递模组放电电流数据；
1.3SOH估算单元接收内阻测量仪传递的内阻数据，根据SOH计算模型估算各模组的SOH值，并将各模组的SOH值传递给电流计算单元；SOH计算模型采用基于电池内阻的SOH估算模型：
SOH＝(re-rm)/(re-rs)         (2)
其中，re表示模组报废内阻，rm表示模组运行过程中的内阻，rs表示模组出厂内阻；
1.4SOC估算单元接收N个电流测量仪传递的电流数据，根据SOC计算模型估算各模组的SOC值，并将各模组的SOC值传递给信号处理单元，SOC计算模型采用安时计量模型；
1.5电流计算单元接收第0电流测量仪传递的电流数据及SOH估算单元传递的SOH数据，建立并求解基于SOH的电流分配模型得出各模组输出电流大小Ii,i＝1,2,…,N，步骤如下：
1.5.1确定模组的SOH与恒定放电电流I和循环次数nc之间的关系模型SOH＝f(I,nc)，称为SOH衰减模型，f(I,nc)表示模组以恒定电流I进行放电，循环到nc次时的SOH值；
1.5.2确定模组的剩余循环使用寿命nl与当前SOH和放电电流I之间的关系模型nl＝g(SOH,I)，g(SOH,I)表示模组当以恒定电流I进行放电，健康状态从当前的SOH衰减至80％时所循环的次数，该模型由如下步骤获得：
1.5.2.1求SOH＝f(I,nc)的反函数nc＝f′(SOH,I)，f′(SOH,I)表示模组以恒定电流I放电，健康状态从100％衰减至当前SOH值时已经循环的次数；
1.5.2.2根据电池循环使用寿命长度的定义及f′(SOH,I)的含义，确定nl＝g(SOH,I)＝f′(0.8,I)-f′(SOH,I)，其中f′(0.8,I)表示以电流I放电的循环使用寿命；
1.5.3基于关系模型nl＝g(SOH,I)建立基于SOH的电流分配模型，步骤如下：
1.5.3.1根据剩余循环使用寿命nl建立放电电流Ii的关系方程；电池柜剩余循环使用寿命最大化时，所有模组的剩余循环使用寿命相等，有
nl1＝nl2＝…＝nli＝…＝nlN        (3)
由关系模型nl＝g(SOH,I)，可得nli＝g(SOHi,Ii)，故式(3)改写为：
g(SOH1,I1)＝g(SOH2,I2)＝…＝g(SOHN,IN)       (4)
其中，SOHi和Ii分别表示第i个模组的SOH及放电电流大小；
1.5.3.2根据基尔霍夫电流定律建立放电电流Ii的关系方程，得：
I1+I2+…+IN＝Itotal          (5)
1.5.3.3合并式(4)和式(5)并对其进行改写，可得：
g(SOH1,I1)-g(SOH2,I2)＝0
g(SOH2,I2)-g(SOH3,I3)＝0
.
.                      (6)
.
g(SOHN-1,IN-1)-g(SOHN,IN)＝0
I1+I2+…+IN-Itotal＝0
其中SOHi(i＝1,2,…,N)和Itotal均为已知量，故式(6)是仅关于放电电流Ii(i＝1,2,…,N)的非线性方程组；
1.5.4运用牛顿迭代法求解基于SOH差异性的电流分配模型，计算满足电池柜剩余循环使用寿命最大条件的各模组放电电流大小Ii，牛顿迭代法有三个参数：初值向量X＝(x1,x2,…,xN)T；误差限TOL；最大迭代次数M；
1.6信号处理单元接收SOC估算单元和电流计算单元传递的SOC数据和模组放电电流数据Ii，在所有模组SOC状态允许放电的情况下，将Ii分发给第i直流-直流变换器；
第二步，设置变量初值，包括：
2.1设置SOH估算单元中模组的报废内阻re和出厂内阻rs，该数据均由电池使用说明书、电池生产厂家或者具体实验检测获得；
2.2设置电流计算单元中模组的SOH衰减模型SOH＝f(I,nc)；
2.3设置电流计算单元中牛顿迭代法的初始向量X＝(x1,x2,…,xN)T为I＝(I1,I2,…,IN)T，其中Ii＝Itotal/N(i＝1,2,…,N)；误差限TOL为0.01；最大迭代次数M为10000；
2.4设置内阻测量仪和电流测量仪的信号采集时间间隔为△t，该时间间隔同时也代表模组放电电流调度时间间隔，△t的设置需与功率需求变化规律保持一致，使得电流能够满足功率需求；
第三步，运用并联锂离子电池柜放电电流优化控制系统对模组放电电流实施控制：
3.1内组测量仪和电流测量仪同时工作采集数据，并将结果传递给计算机，包括：
3.1.1第0电流测量仪检测负载电流需求Itotal，并将值传递给电流计算单元；
3.1.2内阻测量仪检测各模组运行过程中的内阻rmi,i＝1,2,…,N，并将值传递给SOH估算单元；
3.1.3第i电流测量仪检测各模组的放电电流IIi，并将IIi传递给SOC估算单元，i＝1,2,…,N；
3.2SOH估算单元基于内阻测量仪所传递的模组运行内阻rmi及初始化的模组的报废内阻re和出厂内阻rs，运用SOH估算模型SOHi＝(re-rmi)/(re-rs)估算各模组的SOH，并将值SOHi传递给电流计算单元，i＝1,2,…,N；
3.3SOC估算单元基于第i电流测量仪所传递的模组放电电流数据IIi，运用SOC估算模型估算各模组的SOC，并将值SOCi传递给信号处理单元，i＝1,2,…,N；
3.4电流计算单元计算各模组的放电电流Ii，i＝1,2,…,N，并将结果传递给信号处理单元，包括以下步骤：
3.4.1电流计算单元对第0电流测量仪所传递的负载电流需求Itotal进行判断，若Itotal＝0，则表示负载没有电流需求，令Ii＝0，并将其传递给信号处理单元，转入3.5步；反之若Itotal>0，表示负载具有正常电流需求，转入步骤3.4.2；
3.4.2电流计算单元对SOH估算单元所传递的模组健康状况数据SOHi进行判断，若存在SOHi<0.8，则表示模组i已经达到报废标准，令Ii＝-N，Ij＝0,j＝1,2,…,i-1,i+1,…,N,，并将Ii传递给信号处理单元，转入3.5步；否则表示模组状态正常，转入步骤3.4.3；
3.4.3电流计算单元基于Itotal、SOHi及步骤2.2、2.3中初始化的模组SOH衰减模型SOH＝f(I,nc)、牛顿迭代法相关运行参数，按照步骤1.5所述方法求解各模组的放电电流，并将结果Ii传递给信号处理单元；
3.5信号处理单元对电流计算单元所传递的模组放电电流Ii进行分析，判断电路及电池柜运行情况，针对不同情况进行不同操作，包括如下几种情况：
3.5.1若所有Ii＝0，表示负载没有电流需求，模组不需要提供功率输出，将Ii发给第i直流-直流变换器，并转入3.7步；
3.5.2若存在Ii<0，表示模组i达到报废标准，各模组需停止工作，对模组i进行更换，故令Ii＝0并分发给第i直流-直流变换器，转入3.9步；
3.5.3若Ii不属于3.5.1和3.5.2的情况，则电路运行正常且电池柜没有损坏，转入3.6步；
3.6信号处理单元对SOC估算单元所传递的模组剩余电量数据SOCi进行判断，若存在SOCi≤0.05，则模组i的剩余电量低于最低限，不能继续放电，故令Ii＝0并将Ii发给第i直流-直流变换器，转入3.8步；反之若所有SOCi>0.05，则模组电量能够维持下一个阶段△t的放电，不需进行任何调整，直接将Ii分发给第i直流-直流变换器，控制各模组放电电流，改变其SOH衰减曲线，延长电池柜循环使用寿命，转3.7步；
3.7信号处理单元令t＝0并开始计时，当t＝△t时，转3.1步；
3.8结束放电控制，工作人员对电池柜中所有的模组进行充电；
3.9结束放电控制，工作人员对电池柜中损坏的模组进行更换。
2.如权利要求1所述的延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法，其特征在于所述SOH衰减模型通过咨询电池生产公司获得或在实验室设计实验，运用数据拟合的方法对数据进行处理后获得。
3.如权利要求1所述的延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法，其特征在于所述△t设为1s。
CN201310478212.6A 2013-10-14 2013-10-14 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法 Active CN103515661B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310478212.6A CN103515661B (zh) 2013-10-14 2013-10-14 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310478212.6A CN103515661B (zh) 2013-10-14 2013-10-14 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103515661A CN103515661A (zh) 2014-01-15
CN103515661B true CN103515661B (zh) 2015-06-17

Family

ID=49898007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310478212.6A Active CN103515661B (zh) 2013-10-14 2013-10-14 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103515661B (zh)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105158698B (zh) * 2015-08-28 2017-12-22 江苏大学 基于充电电压曲线的电池组健康状态在线估算方法
CN105911471B (zh) * 2015-09-17 2019-11-29 北京长城华冠汽车科技股份有限公司 一种计算电动汽车电池的健康状态参数的装置和方法
CN106291380B (zh) * 2016-08-16 2019-09-17 苏州协鑫集成科技工业应用研究院有限公司 电池老化的评估方法及装置
CN109613330A (zh) * 2018-11-19 2019-04-12 创驱（上海）新能源科技有限公司 一种超级电容器最大可用功率预估方法
CN109492832A (zh) * 2018-12-24 2019-03-19 斑马网络技术有限公司 蓄电池的寿命预测方法、装置、设备以及存储介质
JP7031615B2 (ja) * 2019-01-16 2022-03-08 株式会社デンソー 再利用可能な二次電池モジュールの供給設定システム
FR3094841B1 (fr) 2019-04-05 2021-12-17 Accumulateurs Fixes Procede pour une mise au rebut ou un recyclage sans danger d’une batterie
CN110517459B (zh) * 2019-08-28 2022-09-16 广东好太太科技集团股份有限公司 一种晾衣机的电机保护控制电路及方法
CN111276718B (zh) * 2019-11-27 2021-10-29 肇庆理士电源技术有限公司 基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法
CN111596222B (zh) * 2020-04-23 2022-08-05 东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司 一种获得车辆电池的健康状态的方法和相关装置
CN113422402B (zh) * 2021-05-27 2023-06-06 科华数据股份有限公司 电池装置及其供电系统
CN114290959B (zh) * 2021-12-30 2023-05-23 重庆长安新能源汽车科技有限公司 一种动力电池主动寿命控制方法、系统及计算机可读存储介质

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102520361B (zh) * 2011-12-05 2015-03-04 惠州市亿能电子有限公司 一种电池组soh值评估方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN103515661A (zh) 2014-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103515661B (zh) 一种延长并联锂离子电池柜剩余循环使用寿命的方法
Zhang et al. An on-line estimation of battery pack parameters and state-of-charge using dual filters based on pack model
Jiaqiang et al. Effects analysis on active equalization control of lithium-ion batteries based on intelligent estimation of the state-of-charge
CN101917038B (zh) 动力电池组充电均衡控制方法
CN103675706B (zh) 一种动力电池电荷量估算方法
CN107576918B (zh) 锂电池的剩余电量的估算方法及系统
CN105140981B (zh) 锂电池主动均衡控制方法
CN106451592B (zh) 电池充放电的控制方法、电池充放电的控制设备和电动车
CN102608540B (zh) 一种用于动力电池soc估计的库伦效率测定方法
CN105467325A (zh) 电池容量退化解决的方法和系统
CN106154165A (zh) 一种大容量电池储能系统性能的评估方法和评估系统
CN101065876A (zh) 使用荷电状态进行平衡电池电量的方法和系统
CN102231548A (zh) 具有容量动态显示与充电倒计时的电池充电装置及其应用
CN107169170B (zh) 一种电池剩余容量的预测方法
CN110361653B (zh) 一种基于混合储能装置的soc估算方法及系统
JP6327356B2 (ja) 蓄電池システム
CN103760495A (zh) 一种用于bms检测的soc源产生方法及soc估计精度测试方法
CN109991545A (zh) 一种电池包电量检测方法、装置及终端设备
Lv et al. Performance of LiFePO4 batteries in parallel based on connection topology
CN112448434A (zh) 一种充电控制方法及充电控制装置
Sun et al. A remaining charging electric quantity based pack available capacity optimization method considering aging inconsistency
CN102959791B (zh) 用于确定多个蓄电池单元的至少一个状态的方法、蓄电池和机动车
CN107340479A (zh) 一种提高电动汽车动力电池soc计算精度的方法及系统
CN105186590A (zh) 锂电池主动均衡控制装置
CN103513188B (zh) 一种电力系统储能站中电池单体的电量计算方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant