CN106291366B - 一种锂离子电池等效循环寿命计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，该方法通过统计锂离子电池在不同的实验条件下的理论循环次数、在实际工作中的实际电参数及源数据二维数组中的循环的出现次数，计算所述锂离子电池的寿命损耗与等效循环寿命。该方法将锂离子电池的使用寿命量化，并且直观地将锂离子电池在实际工作中运行复杂工况时的使用寿命等效为现行标准规定的循环寿命；该方法简单且可靠，同时避免了较大误差的产生，便于实现计算锂离子电池状态的在线检测和实时监控；满足了锂离子电池的实际运行需求，保证了锂离子电池在实际应用中的稳定性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及二次电池储能技术领域，具体涉及一种锂离子电池等效循环寿命计算方法。
背景技术
锂离子电池的性能会随着使用出现不同程度的下降趋势，这是一个缓慢、不可逆的变化过程。使用寿命是锂离子电池的一个重要性能参数。现行相关标准通常以全寿命周期循环次数的形式规定锂离子电池的使用寿命，但实际运行中的工作条件与标准的充放电循环试验差别很大，环境条件、工作倍率、充放电深度等常出现波动，因此在实际运行中无法直接以循环次数衡量锂离子电池的使用寿命。
现有方法利用一些复杂的数学模型如电化学模型、经验模型、等效电路模型等尝试利用锂离子电池的某些状态参数计算其健康状态，已达到量化锂离子电池的使用寿命的目的。但利用上述复杂模型量化锂离子电池的使用寿命实施困难，进行简化后又会产生较大误差，因此无法满足实际运行的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，该方法将锂离子电池的使用寿命量化，并且直观地将锂离子电池在实际工作中运行复杂工况时的使用寿命等效为现行标准规定的循环寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1.测量并记录不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数，其中，所述实验条件包括实验的环境温度、所述锂离子电池的实验工作倍率及其实验电参数，所述实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
步骤2.以相同的时间间隔记录时间段内所述锂离子电池的在实际工作中的实际电参数，并将所述实际电参数的极值点与其对应的时间节点保存为源数据二维数组；其中，所述实际电参数为实际SOC值或实际电压值，所述时间节点最少为三个；
步骤3.统计所述源数据二维数组中的每一种循环的出现次数，其中，所述循环由相邻的三个所述极值点组成；
步骤4.根据所述锂离子电池的实际工作倍率及全部的所述循环的出现次数，计算所述锂离子电池的寿命损耗；
步骤5.根据所述实际工作倍率及所述实际电参数，查找所述实验测得的对应的所述理论循环次数；
并根据所述理论循环次数和所述寿命损耗，计算得到所述锂离子电池的等效循环寿命。
优选的，所述步骤1，包括：
1-1.给定一个实验的环境温度，并将所述锂离子电池的容量下降到限定值，其中，所述限定值低于所述锂离子电池的初始容量；
1-2.在所述环境温度下，根据实验要求，改变所述锂离子电池的实验工作倍率及实验电参数，测量并记录每一数值变化时的所述锂离子电池的理论循环次数；其中，所述实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
1-3.改变所述环境温度及所述限定值，重复步骤1-2，直到完成实验要求的全部的实验条件的测量；
1-4.将不同的实验条件下的所述锂离子电池的理论循环次数制成数据表。
优选的，所述步骤2中所述极值点的判定方法为：
从记录的所述实际电参数中的第二个值开始依次判定；其中，所述实际电参数为实际SOC值或实际电压值；
若当前的所述实际电参数均大于其相邻的2个值，则该实际电参数为所述极值点中的极大值点，保留该所述实际电参数；
若当前的所述实际电参数均小于其相邻的2个值，则该实际电参数为所述极值点中的极小值点，保留该所述实际电参数；
若当前的所述实际电参数的大小处于其相邻的2个值之间，则该实际电参数不为极值点，删除该所述实际电参数。
优选的，在所述步骤3之前，包括：
将所述源数据二维数组制成源数据表，从所述源数据表中的前三个所述极值点开始依次判定当前相邻的三个极值点所属的循环的类型，直到完成所述源数据表中的全部的极值点所属的循环类型的判定。
优选的，所述当前相邻的三个极值点所属的循环类型的判定方法为：
当前相邻的三个所述极值点依次为X'n-1、X'n和X'n+1；
若X'n-1＝X'n+1，则判定三个所述极值点构成一个X'n-1～X'n～X'n-1的循环；并继续判定下三个相邻的所述极值点所属的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极大值或若X'n-1<X'n+1且X'n为极小值时，此三点即构成一个X'n-1～X'n～X'n-1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n-1～X'n～X'n-1的循环，并将所述半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极小值或X'n-1<X'n+1且X'n为极大值时，此三点即构成一个X'n+1～X'n～X'n+1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n+1～X'n～X'n+1的循环，并将所述半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型。
优选的，所述步骤4，包括：
4-1.根据所述源数据表中的所述时间节点间的间隔计算得到所述锂离子电池的实际工作倍率；
4-2.将所述实际工作倍率及全部的所述循环的出现次数代入下式中，计算得出所述锂离子电池的寿命损耗Loss：
式中，k＝1…m；m为循环类型的总数；Cj为锂离子电池的实际工作倍率；Xk为实际电参数；n(Cj，Xk)指的是工作倍率为Cj，实际电参数为Xk时的循环的出现次数；N(Cj，Xk)指的是数据表中电池在工作倍率为Cj，实际电参数为Xk下所完成的循环次数。
优选的，所述步骤5，包括：
5-1.在所述数据表中查找与所述实际工作倍率相同的所述实验工作倍率，并找出所述实验工作倍率对应的所述理论循环次数的值集；
5-2.在所述值集中查找与所述实际电参数的相同的所述实验电参数，并找出该实验电参数对应的所述理论循环次数的值；若在所述值集中没有与所述实际电参数相同的所述实验电参数；则将所述实际电参数四舍五入后重新查找；
5-3.将查找到的所述理论循环次数的值和所述寿命损耗值相乘，计算得到所述锂离子电池的等效循环寿命。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，该方法通过统计锂离子电池在不同的实验条件下的理论循环次数、在实际工作中的实际电参数及源数据二维数组中的循环的出现次数，计算所述锂离子电池的寿命损耗与等效循环寿命。该方法将锂离子电池的使用寿命量化，并且直观地将锂离子电池在实际工作中运行复杂工况时的使用寿命等效为现行标准规定的循环寿命；该方法简单且可靠，同时避免了较大误差的产生，便于实现计算锂离子电池状态的在线检测和实时监控；满足了锂离子电池的实际运行需求，保证了锂离子电池在实际应用中的稳定性与可靠性。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
1、本发明提供的技术方案中，通过记录时间段内所述锂离子电池的在实际工作中的实际电参数与统计所述源数据二维数组中的每一种循环的出现次数；将锂离子电池的使用寿命量化，并且直观地将锂离子电池在实际工作中运行复杂工况时的使用寿命等效为现行标准规定的循环寿命；该方法简单且可靠，同时避免了较大误差的产生，便于实现计算锂离子电池状态的在线检测和实时监控；满足了锂离子电池的实际运行需求。
2、本发明提供的技术方案中，通过根据所述实际工作倍率及所述实际电参数，查找所述实验测得的对应的所述理论循环次数计算得到所述锂离子电池的等效循环寿命，直观地将锂离子电池在实际工作中运行复杂工况时的使用寿命等效为现行标准规定的循环寿命；简单且可靠的实现了计算锂离子电池状态的在线检测和实时监控。
3、本发明提供的技术方案中，通过对极值点的判定，完成源数据二维数组的制作，避免了较大误差的产生，保证了对锂离子电池的等效循环寿命的计算的准确性，进而保证了锂离子电池在实际应用中的稳定性与可靠性。
4、本发明提供的技术方案中，通过对源数据二维数组中的相邻的三个极值点所属的循环类型的判定，保证了对锂离子电池的等效循环寿命的计算的准确性。
5、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的锂离子电池等效循环寿命计算方法得流程图；
图2是本发明的计算方法中步骤1的流程图；
图3是本发明的计算方法中相邻的三个极值点所属循环类型的判定方法的示意图；
图4是本发明的计算方法中步骤4的流程图；
图5是本发明的计算方法中步骤5的流程图；
图6是本发明的应用例中的某锂离子电池在实际工作中的实际SOC值与时间的二维表；
图7是本发明的应用例中的某锂离子电池的极值点与时间节点的源数据二维表。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，包括如下步骤：
步骤1.测量并记录不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数，其中，实验条件包括实验的环境温度、锂离子电池的实验工作倍率及其实验电参数，实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
步骤2.以相同的时间间隔记录时间段内锂离子电池的在实际工作中的实际电参数，并将实际电参数中的极值点与其对应的时间节点保存为源数据二维数组；其中，实际电参数为实际SOC值或实际电压值，时间节点最少为三个，SOC为荷电状态；
步骤3.统计源数据二维数组中的每一种循环的出现次数，其中，循环由相邻的三个极值点组成；
步骤4.根据锂离子电池的实际工作倍率及全部的循环的出现次数，计算锂离子电池的寿命损耗；
步骤5.根据实际工作倍率及实际电参数，查找实验测得的对应的理论循环次数；
并根据理论循环次数和寿命损耗，计算得到锂离子电池的等效循环寿命。
如图2所示，步骤1包括：
1-1.给定一个实验的环境温度，并将锂离子电池的容量下降到限定值，其中，限定值低于锂离子电池的初始容量；
1-2.在给定的环境温度下，根据实验要求，改变锂离子电池的实验工作倍率及实验电参数，测量并记录每一数值变化时的锂离子电池的理论循环次数；其中，实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
1-3.改变环境温度及限定值，重复步骤1-2，直到完成实验要求的全部的实验条件的测量；
1-4.将不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数制成数据表。
其中，步骤2中极值点的判定方法为：
从记录的实际电参数中的第二个值开始依次判定；其中，实际电参数为实际SOC值或实际电压值；
若当前的实际电参数均大于其相邻的2个值，则该实际电参数为极值点中的极大值点，保留该实际电参数；
若当前的实际电参数均小于其相邻的2个值，则该实际电参数为极值点中的极小值点，保留该实际电参数；
若当前的实际电参数的大小处于其相邻的2个值之间，则该实际电参数不为极值点，删除该实际电参数。
步骤3之前，包括：
将源数据二维数组制成源数据表，从源数据表中的前三个极值点开始依次判定当前相邻的三个极值点所属的循环的类型，直到完成源数据表中的全部的极值点所属的循环类型的判定；
如图3所示，当前相邻的三个极值点所属的循环类型的判定方法为：
当前相邻的三个极值点依次为X'n-1、X'n和X'n+1；
若X'n-1＝X'n+1，则判定三个极值点构成一个X'n-1～X'n～X'n-1的循环；并继续判定下三个相邻的极值点所属的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极大值或若X'n-1<X'n+1且X'n为极小值时，此三点即构成一个X'n-1～X'n～X'n-1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n-1～X'n～X'n-1的循环，并将半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极小值或X'n-1<X'n+1且X'n为极大值时，此三点即构成一个X'n+1～X'n～X'n+1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n+1～X'n～X'n+1的循环，并将半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型。
如图4所示，步骤4，包括：
4-1.根据源数据表中的时间节点的间隔计算得到锂离子电池的实际工作倍率；
4-2.将实际工作倍率及全部的循环的出现次数代入下式中，计算得出锂离子电池的寿命损耗Loss：
式中，k＝1…m；m为循环类型的总数；Cj为锂离子电池的实际工作倍率；Xk为实际电参数；n(Cj，Xk)指的是工作倍率为Cj，实际电参数为Xk时的循环的出现次数；N(Cj，Xk)指的是数据表中电池在工作倍率为Cj，实际电参数为Xk下所完成的循环次数。
如图5所示，步骤5，包括：
5-1.在数据表中查找与实际工作倍率相同的实验工作倍率，并找出实验工作倍率对应的理论循环次数的值集；
5-2.在值集中查找与实际电参数的相同的实验电参数，并找出该实验电参数对应的理论循环次数的值；若在值集中没有与实际电参数相同的实验电参数；则将实际电参数四舍五入后重新查找；
5-3.将查找到的理论循环次数的值和寿命损耗值相乘，计算得到锂离子电池的等效循环寿命。
以一种锂离子电池的容量下降到限定值为初始容量的80％，并根据实际条件选取工作环境温度为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃，且实验SOC值与实际SOC值为实验SOC值和实际SOC值为例，本发明的应用例提供一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，包括：
第一步：测量并记录不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数，其中，实验条件包括实验的环境温度、锂离子电池的实验工作倍率及其实验SOC值，包括：
1-1.给定一个实验的环境温度20℃，并将锂离子电池的容量下降到限定值80％；
1-2.在当前的环境温度下，根据实验要求，改变锂离子电池的实验工作倍率1C、2C及实验SOC值为20％、60％和100％，测量并记录每一数值变化时的锂离子电池的理论循环次数；
1-3.改变环境温度为25℃、30℃、35℃、40℃，并在每次改变后均重复步骤1-2；
1-4.将不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数制成数据表，即每改变一次温度或限定值，均做一张图表，以环境温度为25℃为例，数据表为：
表1 25℃下电池循环寿命数据表
第二步：如图6所示，以相同的时间间隔记录时间段0至30000s内锂离子电池的在实际工作中的实际SOC值，并保存为二维表；
如图7所示，将二维表中实际SOC值中的极值点与其对应的时间节点保存为源数据二维表；
其中，极值点的判定方法为：
从记录的实际SOC值中的第二个值开始依次判定；
若当前的实际SOC值均大于其相邻的2个值，则该实际SOC值为极值点中的极大值点，保留该实际SOC值；
若当前的实际SOC值均小于其相邻的2个值，则该实际SOC值为极值点中的极小值点，保留该实际SOC值；
若当前的实际SOC值的大小处于其相邻的2个值之间，则该实际SOC值不为极值点，删除该实际SOC值。
第三步：包括：
3-1.将源数据二维数组制成源数据表，从源数据表中的前三个极值点开始依次判定当前相邻的三个极值点所属的循环的类型，直到完成源数据表中的全部的极值点所属的循环类型的判定；
3-2.统计源数据二维数组中的每一种循环的出现次数，其中，循环由相邻的三个极值点组成；
其中，以图7中的前三点为例：当前相邻的三个极值点所属的循环类型的判定方法为：
当前相邻的三个极值点依次为50％、48％和49％；
由于50％>49％且48％为极小值，因此三点即构成一个49％～48％～49％的循环加半个50％～49％～50％的循环；则判定该三点属于49％～48％～49％的循环，并将半个50％～49％～50％的循环与下一个相邻的极值点48％组合继续判定，即继续判定50％～49％与48％的循环类型，以此类推。
第四步：根据锂离子电池的实际工作倍率及全部的循环的出现次数，计算锂离子电池的寿命损耗，包括：
4-1.根据源数据表中的时间节点的间隔计算得到锂离子电池的实际工作倍率；
4-2.将实际工作倍率及全部的循环的出现次数代入下式中，计算得出锂离子电池的寿命损耗Loss：
式中，k＝1…m；m为循环类型的总数；Cj为锂离子电池的实际工作倍率；Xk为实际SOC值；n(Cj，Xk)指的是工作倍率为Cj，实际SOC值为Xk时的循环的出现次数；N(Cj，Xk)指的是数据表中电池在工作倍率为Cj，实际SOC值为Xk下所完成的循环次数。
步骤5.根据实际工作倍率及实际SOC值，查找实验测得的对应的理论循环次数；
并根据理论循环次数和寿命损耗，计算得到锂离子电池的等效循环寿命，包括：
5-1.在数据表中查找与实际工作倍率相同的实验工作倍率对应的理论循环次数的值集；
5-2.在值集中查找与实际SOC值的相同的实验SOC值对应的理论循环次数的值；若在值集中没有与实际SOC值相同的实验SOC值；则将实际SOC值四舍五入后重新查找；
5-3.将查找到的理论循环次数的值和寿命损耗值相乘，计算得到锂离子电池的等效循环寿命；以换算成1C 100％循环次数N1C,100％为例，电池在此条件下工作产生的寿命损耗相当于N1C,100％＝1400·Loss。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (4)
1.一种锂离子电池等效循环寿命计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1.测量并记录不同的实验条件下的锂离子电池的理论循环次数，其中，所述实验条件包括实验的环境温度、所述锂离子电池的实验工作倍率及其实验电参数，所述实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
步骤2.以相同的时间间隔记录时间段内所述锂离子电池的在实际工作中的实际电参数，并将所述实际电参数的极值点与其对应的时间节点保存为源数据二维数组；其中，所述实际电参数为实际SOC值或实际电压值，所述时间节点最少为三个；
步骤3.统计所述源数据二维数组中的每一种循环的出现次数，其中，所述循环由相邻的三个所述极值点组成；
步骤4.根据所述锂离子电池的实际工作倍率及全部的所述循环的出现次数，计算所述锂离子电池的寿命损耗；
步骤5.根据所述实际工作倍率及所述实际电参数，查找所述实验测得的对应的所述理论循环次数；
并根据所述理论循环次数和所述寿命损耗，计算得到所述锂离子电池的等效循环寿命；
所述步骤1，包括：
1-1.给定一个实验的环境温度，并将所述锂离子电池的容量下降到限定值，其中，所述限定值低于所述锂离子电池的初始容量；
1-2.在所述环境温度下，根据实验要求，改变所述锂离子电池的实验工作倍率及实验电参数，测量并记录每一数值变化时的所述锂离子电池的理论循环次数；其中，所述实验电参数为实验SOC值或实验电压值；
1-3.改变所述环境温度及所述限定值，重复步骤1-2，直到完成实验要求的全部的实验条件的测量；
1-4.将不同的实验条件下的所述锂离子电池的理论循环次数制成数据表；
在所述步骤3之前，包括：
将所述源数据二维数组制成源数据表，从所述源数据表中的前三个所述极值点开始依次判定当前相邻的三个极值点所属的循环的类型，直到完成所述源数据表中的全部的极值点所属的循环类型的判定；
所述步骤4，包括：
4-1.根据所述源数据表中的所述时间节点间的间隔计算得到所述锂离子电池的实际工作倍率；
4-2.将所述实际工作倍率及全部的所述循环的出现次数代入下式中，计算得出所述锂离子电池的寿命损耗Loss：
式中，k＝1…m；m为循环类型的总数；Cj为锂离子电池的实际工作倍率；Xk为实际电参数；n(Cj，Xk)指的是工作倍率为Cj，实际电参数为Xk时的循环的出现次数；N(Cj，Xk)指的是数据表中电池在工作倍率为Cj，实际电参数为Xk下所完成的循环次数。
2.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤2中，所述极值点的判定方法为：
从记录的所述实际电参数中的第二个值开始依次判定；其中，所述实际电参数为实际SOC值或实际电压值；
若当前的所述实际电参数均大于其相邻的2个值，则该实际电参数为所述极值点中的极大值点，保留该所述实际电参数；
若当前的所述实际电参数均小于其相邻的2个值，则该实际电参数为所述极值点中的极小值点，保留该所述实际电参数；
若当前的所述实际电参数的大小处于其相邻的2个值之间，则该实际电参数不为极值点，删除该所述实际电参数。
3.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述当前相邻的三个极值点所属的循环类型的判定方法为：
当前相邻的三个所述极值点依次为X'n-1、X'n、X'n+1；
若X'n-1＝X'n+1，则判定三个所述极值点构成一个X'n-1～X'n～X'n+1的循环；并继续判走下三个相邻的所述极值点所属的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极大值或若X'n-1<X'n+1且X'n为极小值时，此三点即构成一个X'n-1～X'n～X'n-1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n-1～X'n～X'n-1的循环，并将所述半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型；
若X'n-1>X'n+1且X'n为极小值或X'n-1<X'n+1且X'n为极大值时，此三点即构成一个X'n+1～X'n～X'n+1的循环加半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环；则判定该三点属于X'n+1～X'n～X'n+1的循环，并将所述半个X'n-1～X'n+1～X'n-1的循环与下一个相邻的极值点组合继续判定，即继续判定X'n-1、X'n+1与X'n+2的循环类型。
4.如权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述步骤5，包括：
5-1.在所述数据表中查找与所述实际工作倍率相同的所述实验工作倍率，并找出所述实验工作倍率对应的所述理论循环次数的值集；
5-2.在所述值集中查找与所述实际电参数的相同的所述实验电参数，并找出该实验电参数对应的所述理论循环次数的值；若在所述值集中没有与所述实际电参数相同的所述实验电参数；则将所述实际电参数四舍五入后重新查找；
5-3.将查找到的所述理论循环次数的值和所述寿命损耗值相乘，计算得到所述锂离子电池的等效循环寿命。
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