CN103884993B - 锂离子电池在充电过程中的soc在线检测与修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，该方法提出了一种不依赖于充电倍率的SOC在线检测与修正方法。通过对不同倍率充电曲线的处理，获得统一的判定条件，并据此对电池SOC估计值进行修正。采用该方法，能够准确地估算电池SOC，判定电池过充特征点，在充分利用电池电量的同时延长电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车电源设备技术领域及电池管理系统，特别是涉及锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法。
背景技术
为了应对能源危机与日益严重的环境污染，世界各国相继提出了节能减排和发展低碳经济的政策。电动汽车凭借其高效、清洁、安全等优点进入人们的视野，受到各国政府的推广。电动汽车的常用电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池及锂离子电池。锂离子电池凭借其能量密度高、自充电小、循环寿命长、环境污染低、无记忆效应等优点，成为越来越多电动汽车蓄电池的首选。
荷电状态（StateofCharge，SOC）是电池使用过程中一个十分重要的指标，通常定义为电池当前状态下实际所能提供的电量与额定容量之比。电动汽车的动力全部来自于蓄电池。由于蓄电池的续航能力有限，电动汽车需要经常充电。对电池过充电，会导致电池性能衰降、降低电池使用寿命，损害电动汽车使用性能，甚至引发爆炸等安全事故。因此，准确掌握电池在充电过程中的SOC是十分必要的。
目前电池SOC估算方法包括开路电压法、安时积分法、内阻法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。其中安时积分法具有操作简便，可实时在线测量等优点，常被采用。但其无法给出SOC初值，且在高温状态和电流波动剧烈时，误差较大。因此，人们常将安时积分法与其他方法相结合，对SOC估计值进行修正，从而提高SOC估算的准确度。
在对电动汽车进行充电时，为了提高充电效率，不一定采用恒流充电的方式，而是采用变电流间歇快速充电法。这种方法可以使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气在间歇停充时有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然消除，减轻蓄电池的内压，使蓄电池可以吸收更多的电量。考虑到这种变电流的复杂充电模式，应该有一种不依赖于充电倍率的SOC在线检测与修正方法，判断电池过充特征点并修正其SOC值，以保障电池性能的充分发挥和使用安全。
另有中国专利号为：CN201210365260.X一种纯电动汽车充电过程SOC修正方法，该方法包括充电模式、充电预修正模式、恒流充电阶段以及恒压降流充电阶段。其针对电池组中由于电池单体不一致性导致一些特性差的单体电池在充电时无法充满，进而导致后续SOC估计存在误差的问题，提出了一种SOC修正方法。其通过充电模式中电池组中最低单体电压的值对电池SOC初始值进行修正，随后进入恒流转恒压充电模式，并在最后将SOC值修正至100%。在放电过程中动态修正SOC的基础上，加上了充电过程中的SOC修正，增加了剩余电量估算的准确性。该方法存在如下不足：1、仅依靠最低单体电压值作为判断条件对SOC进行修正，误差较大，特别是对于那些电压值对SOC不敏感的电池体系，如磷酸铁锂电池；2、仅考虑了1C充电的情况，对于其它倍率充电时的SOC修正方法未提及。
还有中国专利号为：CN201210557164.5公开了一种利用电池充电曲线修正SOC的方法，该方法抓住磷酸铁锂电池充电曲线中低端线性区与高端充满点两个特征区域，对磷酸铁锂电池的SOC进行修正，增加了SOC修正的机会。为由于过于平坦的充放电平台而导致开路电压法无法有效修正磷酸铁锂电池SOC的问题提供了一种方法。但其存如下问题：1、该专利仅针对磷酸铁锂电池，并非通用于所有锂电池；2、SOC修正值是通过充电倍率、温度及电池单体电压查表估算的，需要事先对电池进行大量测量，包括不同温度、不同倍率的测量，以建立足够详细的表单以供查询；3、该专利中的SOC修正仅针对低端线性区与高端充满点，即只能对低SOC值以及SOC=100%处进行修正，而对中间段的SOC值无法进行修正。
发明内容
本发明针对电池充电过程中充电倍率不恒定导致SOC估算不准确的问题，提供了锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，该方法提出了一种不依赖于充电倍率的SOC在线检测与修正方法。通过对不同倍率充电曲线的处理，获得统一的判定条件，并据此对电池SOC估计值进行修正。采用该方法，能够准确地估算电池SOC，判定电池过充特征点，在充分利用电池电量的同时延长电池使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
A．获取不同充电倍率下的V-SOC曲线，所述V-SOC曲线是以纵轴为电压，横轴为容量构建的电压－容量曲线；
B．以A步骤中获得的不同充电倍率的V-SOC曲线为基础，对相邻采样点的电压值进行差值计算，得到各倍率相应的DV-SOC曲线，对所述DV-SOC曲线进行平移和纵坐标变换，并移至重合，将重合后的曲线标记为3rdDV-SOC曲线；
C．根据获得的3rdDV-SOC曲线，选取适当的3rdDV值，标记出A点和B点作为SOC低值点与SOC高值点，从而得到V-SOC曲线中各区域的SOC阀值范围；
D．采用安时积分法对电池SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录电池电压Vi，并计算相应的3rdDV值；
E．依据步骤D中的Vi、3rdDV及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi值进行修正，最终输出修正后的SOC。
所述的步骤A中的不同充电倍率下的V-SOC曲线的获得，包括以下步骤：
a1．放空电池电量，电压达到最低电压；
a2．使用电池测试柜，测量并记录放空的电池在不同充电倍率下电池电压随充电时间的变化情况，以及电池充入电量随充电时间的变化情况；
a3．根据上述电池充入电量随充电时间的变化情况，结合SOC的计算公式：，得到SOC随充电时间的变化情况；
a4．根据上述电池电压随充电时间的变化情况，以及SOC随充电时间的变化情况，得到不同充电倍率下的V-SOC曲线。
所述步骤B中3rdDV-SOC曲线的获得包括如下步骤：
b1．计算不同充电倍率下的DV-SOC曲线，其中DV=k′(Vi+1-Vi)，DV为V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系，k为任意常数，Vi为前一时刻测量的电压值，Vi+1为后一时刻测量的电压值；
b2．将不同充电倍率下的DV-SOC曲线，以1C充电倍率的DV-SOC曲线为基准作平移，使各倍率DV-SOC曲线的平台区域重合，将平移后的曲线标记为levelDV-SOC曲线；其中levelDV为DV经平移变换后的值，所述平台区域为DV随SOC值变化极小的区域；
b3．将不同充电倍率下的levelDV-SOC曲线，以1C充电倍率的levelDV-SOC曲线为基准将纵坐标缩小，缩小公式为：，得不同充电倍率下的3rdDV-SOC曲线；其中I为电池充电电流，C0为电池的额定容量，3rdDV为levelDV经纵坐标缩小后的值。
所述的步骤E中对SOCi值的修正过程，包括以下步骤：
c1．根据检测的Vi值及相应的3rdDV计算值判断电池在步骤A所述的V-SOC曲线中的所处区域；
c2．比较安时积分法检测的SOCi值与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
c3．若SOCi值在阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC=SOCi；
c4．若SOCi值不在阈值范围内，则根据上述步骤c1所述的电池在V-SOC曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
(1)电池处在B点右侧，修正值SOC=SOC1；
(2)电池处在B点左侧，修正值SOC=SOCi-a；
(3)电池处在A点左侧，修正值SOC=SOC0；
(4)电池处在A点右侧，修正值SOC=SOCi+b；
上面所述的SOC1和SOC0为电池的SOC高点阈值与SOC低点阈值，a和b为SOC修正量。
本发明的优点：
现有专利中的SOC修正方法均是针对某一充电倍率的情况进行考虑和修正的。然而，实际应用中，电池充电时不可避免地会面临充电倍率不恒定的问题。本发明针对这种情况提出了一种不依赖于充电倍率的SOC在线估算与修正方法。本发明以不同充电倍率的V-SOC曲线为基础，对相邻采样点的电压值进行差值计算，获取各倍率相应的DV-SOC曲线，并通过进一步的平移操作和纵坐标变换，将各倍率的DV-SOC曲线重合到一起，从而寻找到不依赖于充电倍率的统一判定条件，为后续电池SOC修正提供重要依据。本发明易于操作、计算简便；相对于只利用电池电压值对SOC进行修正的方法，准确度更高；不依赖于充电倍率，因此数据库小，前期测量的工作量小。本发明仅需要对充电曲线进行简单处理，即可获得准确有效的判定条件，对电池SOC值进行在线检测与修正，能够有效解决电池充电过程中充电倍率不恒定导致SOC估算不准确的问题，防止电池过充，提高电池使用安全。
附图说明
图1是MT电池在不同充电倍率下的V-SOC曲线；
图2是MT电池在不同充电倍率下的DV-SOC曲线；
图3是MT电池在不同充电倍率下的levelDV-SOC曲线；
图4是MT电池在不同充电倍率下的3rdDV-SOC曲线；
图5是利用标定的A点与B点划分V-SOC曲线的示意图；
图6是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明。
实施例锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，包含以下步骤：
A、获取不同充电倍率下的V-SOC曲线，通过以下步骤实现：
（1）采用恒流放电方式将11Ah的锰酸锂钛酸锂（MT）电池的电量放空，恒电流值为11A（1C放电），最低电压阈值为1.8V；
（2）使用电池测试柜，测量并记录放空电的电池在不同充电倍率（1C、2C、3C、4C、5C）下电池电压随充电时间的变化情况，以及电池充入电量随充电时间的变化情况，数据采集时间间隔为10s，充电过程采用恒流转恒压方式，最高电压阈值为2.8V，最小电流为0.15A；
（3）根据上述电池充入电量随充电时间的变化情况，利用公式，计算电池SOC，得到SOC随充电时间的变化情况；
根据上述电池电压随充电时间的变化情况，以及SOC随充电时间的变化情况，得到不同充电倍率下的V-SOC曲线，即以纵轴为电压，横轴为容量构建的电压－容量曲线；如图1所示。
B、依据步骤A中不同充电倍率下的V-SOC曲线（图1），计算不同充电倍率下的DV-SOC曲线，其中所述DV=k′(Vi+1-Vi)，k为任意常数，（此例中取k=104），Vi为前一时刻测量的电压值，Vi+1为后一时刻测量的电压值，（例如：如Vi+1为与Vi间隔10秒后的电压值），DV为V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系，如图2所示；
将上述不同充电倍率下的DV-SOC曲线以1C充电倍率DV-SOC曲线的平台为基准作平移，使各倍率DV-SOC曲线的平台区域重合，所述平台区域为DV随SOC值变化极小的区域，将平移后的曲线标记为levelDV-SOC曲线，此例中平移公式为：
其中所述I为电池充电电流，levelDV为DV经上述平移变化后的数值，由此获得不同充电倍率下的levelDV-SOC曲线，如图3所示；
将上述不同充电倍率下的levelDV-SOC曲线以1C充电倍率的levelDV-SOC曲线为基准将纵坐标缩小，缩小公式为：
其中所述I为电池充电电流，3rdDV为levelDV经上述变换后的数值，从而获得不同充电倍率下的3rdDV-SOC曲线，如图4所示。
C、从3rdDV-SOC曲线（图4）可看出，各倍率充电曲线在经上述系列处理后充电平台较为接近，平台两侧拐点相对集中。为了寻找统一的特征点以有效修正不同倍率充电时的电池SOC，平台拐点的选取应满足各倍率曲线重合度较高且尽量接近平台端点。由图4可知平台拐点的3rdDV的有效取值范围为10到12。这里选取3rdDV=10为例，从而可在图4中标定出不同充电倍率下的SOC低值特征点与SOC高值特征点（A点与B点）。图4中各倍率曲线A点与B点的SOC值如表1中1#电池所示。
表1显示了4只电池（编号为1#、2#、3#、4#）在不同充电倍率下A点与B点的SOC值（均是以3rdDV=10为例标定出的）。表中不同电池、不同充电倍率下A点与B点的SOC值偏差较小，表明以本发明所述方法标定的A点与B点具有较好的一致性。这为寻找不依赖于充电倍率的统一判定条件提供了可靠基础。
表2显示了4只电池在不同充电倍率下的恒流段充电容量。可见，恒流段的充电容量率均高于相应B点的SOC值。因此，不论电池是恒流充电，还是恒流转恒压充电，均可以B点作为SOC高值特征点，有效防止电池过充。
依据步骤C中标定的A点和B点将步骤A中所述的V-SOC曲线划分为三个区域，如图5所示。
参考表1的数据，为有效防止电池过充，选取SOC低点阈值为6.5%，SOC高点阈值为85%，则三个区域的SOC阈值范围分别为：I区，0%￡SOC￡6.5%；II区，6.5%<SOC<85%；III区，85%￡SOC￡100%。
D、采用常规安时积分法对电池SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录电池电压Vi，并计算相应的3rdDV值。
E、依据步骤D中的Vi、3rdDV及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi值进行修正，最终输出修正后的SOC。
所述的对SOCi值的修正过程，包括以下步骤：
（1）根据检测的Vi值及相应的3rdDV计算值判断电池在步骤A所述的V-SOC曲线中的所处区域；
（2）比较安时积分法检测的SOCi值与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
（3）若SOCi值在阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC=SOCi；
（4）若SOCi值不在阈值范围内，则根据上述步骤（1）所述的电池在V-SOC曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
a)电池处在B点右侧，修正值SOC=85%；
b)电池处在B点左侧，修正值SOC=SOCi-2%；
c)电池处在A点左侧，修正值SOC=6.5%；
d)电池处在A点右侧，修正值SOC=SOCi+4%；
以上所述的判断条件和修正方法，可用以下判断语句综合描述：
1.IFVi<2.60and3rdΔV310andSOCi￡6.5%,SOC=SOCi;
2.IFVi<2.60and3rdΔV310andSOCi>6.5%,SOC=6.5%;
3.IFVi<2.60and3rdΔV<10andSOCi>6.5%,SOC=SOCi;
4.IFVi<2.60and3rdΔV<10andSOCi￡6.5%,SOC=SOCi+4%;
5.IFVi32.60and3rdΔV310andSOCi385%,SOC=SOCi;
6.IFVi32.60and3rdΔV310andSOCi<85%,SOC=85%;
7.IFVi32.60and3rdΔV<10andSOCi<85%,SOC=SOCi;
8.IFVi32.60and3rdΔV<10andSOCi385%,SOC=SOCi-2%;
9.Others,error.
本发明的基本原理：
预先对锂离子电池进行测量，获得不同充电倍率下的V-SOC曲线；对V-SOC曲线进行系列处理，获得3rdDV-SOC曲线，从而找到不依赖于充电倍率的统一判定条件，将V-SOC曲线划分为三个区域并给出各区域的SOC阈值范围。锂离子电池工作时，采集电池的充电电流I和电池电压Vi，并通过常规安时积分法估算电池荷电状态SOCi。通过测量所得的Vi值和相应的3rdDV计算值判定电池在预先获得的V-SOC曲线中的所处区域，并根据该区域的SOC阈值范围对估算的SOCi值进行修正，最终输出修正后的电池SOC值，总体工作流程如图6所示。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优先实施方式进行描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作的各种变形和改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.获取不同充电倍率下的V-SOC曲线，所述V-SOC曲线是以纵轴为电压，横轴为容量构建的电压－容量曲线；
B.以A步骤中获得的不同充电倍率的V-SOC曲线为基础，对相邻采样点的电压值进行差值计算，得到各倍率相应的△V-SOC曲线，对所述△V-SOC曲线进行平移使各倍率曲线的平台区域重合，再进行纵坐标变换，并将所得曲线标记为3rd△V-SOC曲线；
C.根据获得的3rd△V-SOC曲线，选取适当的3rd△V值，标记出A点和B点作为SOC低值点与SOC高值点，从而得到V-SOC曲线中各区域的SOC阀值范围；
D.采用安时积分法对电池SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录电池电压Vi，并计算相应的3rd△V值；
E.依据步骤D中的Vi、3rd△V及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi值进行修正，最终输出修正后的SOC。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述的步骤A中的不同充电倍率下的V-SOC曲线的获得，包括以下步骤：
a1.放空电池电量，电压达到最低电压；
a2.使用电池测试柜，测量并记录放空的电池在不同充电倍率下电池电压随
充电时间的变化情况，以及电池充入电量随充电时间的变化情况；
a3.根据上述电池充入电量随充电时间的变化情况，结合SOC的计算公式：
得到SOC随充电时间的变化情况；
a4.根据上述电池电压随充电时间的变化情况，以及SOC随充电时间的变
化情况，得到不同充电倍率下的V-SOC曲线。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述步骤B中3rd△V-SOC曲线的获得包括如下步骤：
b1.计算不同充电倍率下的△V-SOC曲线，其中△V＝k×(Vi+1-Vi)，△V为V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系，k为任意常数，Vi为前一时刻测量的电压值，Vi+1为后一时刻测量的电压值；
b2.将不同充电倍率下的△V-SOC曲线，以1C充电倍率的△V-SOC曲线为基准作平移，使各倍率△V-SOC曲线的平台区域重合，将平移后的曲线标记为level△V-SOC曲线；其中level△V为△V经平移变换后的值，所述平台区域为△V随SOC值变化极小的区域；
b3.将不同充电倍率下的level△V-SOC曲线，以1C充电倍率的level△V-SOC曲线为基准将纵坐标缩小，缩小公式为：得不同充电倍率下的3rd△V-SOC曲线；其中I为电池充电电流，C0为电池的额定容量，3rd△V为level△V经纵坐标缩小后的值。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池在充电过程中的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述的步骤E中对SOCi值的修正过程，包括以下步骤：
c1.根据检测的Vi值及相应的3rd△V计算值判断电池在步骤A所述的V-SOC曲线中的所处区域；
c2.比较安时积分法检测的SOCi值与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
c3.若SOCi值在阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC＝SOCi；
c4.若SOCi值不在阈值范围内，则根据上述步骤c1所述的电池在V-SOC
曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
(1)电池处在B点右侧，修正值SOC＝SOC1；
(2)电池处在B点左侧，修正值SOC＝SOCi-a；
(3)电池处在A点左侧，修正值SOC＝SOC0；
(4)电池处在A点右侧，修正值SOC＝SOCi+b；
上面所述的SOC1和SOC0为电池的SOC高点阈值与SOC低点阈值，a和b为SOC修正量。
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