CN106680725A - 一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法，包括如下步骤：获取磷酸铁锂电池充电电压曲线；获取微分容量序列‑荷电状态(SOC)曲线；确定SOC特征点；在线计算当次充电积分容量特征值；在线计算当前最优容量估算值。本发明提供的磷酸铁锂电池容量在线估算方法成本低、可操作性强且实时性高。

Description

一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法

【技术领域】

本发明涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法。

【背景技术】

在储能和电动汽车等新能源领域，动力电池得到了广泛的应用，其中磷酸铁锂电池由于优异的安全性以及较长的循环使用寿命等优点得到的广泛的应用。然而，磷酸铁锂电池在使用过程中由于活性材料的损耗，会导致容量的衰减，并且随着电池的不断使用，其可用容量越来越低。

电池的容量参数是电池管理、维护的重要指标之一。现有的磷酸铁锂电池容量估算方法主要有直接放电法以及间接估算法两种。其中直接放电法为首先将电池完全充满，然后使用放电设备将电池电量完全放空，并记录整个放电过程累计放出的电量值，该电量值即为电池的实际容量值。然而，该方法虽然对电池容量的估算精度较高，但需要充电设备的配合、且耗时也较长。此外，还不能进行在线估算，只能离线测量。

间接估算法一般需要进行较大量测试，耗时长且需要额外的特殊测量设备来支持，例如，利用电导值与电池容量的关系，通过电导测试仪在线测量出电池电导值，然后根据电导值与电池容量的关系间接地估算出电池容量的方法。

鉴于此，实有必要提供一种新的磷酸铁锂电池容量在线估算方法以克服上述缺陷。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法，所述磷酸铁锂电池容量在线估算方法成本低、可操作性强且实时性高。

为了实现上述目的，本发明提供一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法，包括如下步骤：

获取磷酸铁锂电池充电电压曲线；

获取微分容量序列-荷电状态(SOC)曲线；

确定SOC特征点；

在线计算当次充电积分容量特征值；

在线计算当前最优容量估算值。

本发明提供的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，经过多次充电后估算出磷酸铁锂电池当前的容量值，从而实现对磷酸铁锂电池老化容量的实时在线跟踪，不必增添额外的测量设备，只需要在电池充电过程中配合电池管理系统，即可在线实时地完成电池实际容量的估算，成本低、可操作性强且实时性高。

【附图说明】

图1为本发明提供的磷酸铁锂电池容量在线估算方法的流程图。

图2为磷酸铁锂电池不同温度下的充电电压曲线图。

图3获取微分容量序列detaQ-SOC曲线的具体流程图。

图4为磷酸铁锂电池不同温度下的detaQ-SOC曲线图。

图5为磷酸铁锂电池全部detaQ数据点的detaQ-序号曲线图。

图6为图5中磷酸铁锂电池部分detaQ数据点的detaQ-序号曲线图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。

请参阅图1，其为本发明提供的一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法的流程图。所应说明的是，本发明的方法并不受限于下述步骤的顺序，且在其他实施例中，本发明的方法可以只包括以下所述步骤的其中部分，或者其中的部分步骤可以被删除。

下面将结合图1对本发明提供的磷酸铁锂电池容量在线估算方法的具体步骤进行详细说明。可以理解，本文中若无特殊说明，所提到的“电池”均为“磷酸铁锂电池”。

S210，获取磷酸铁锂电池充电电压曲线。

具体地，磷酸铁锂电池应用于电动汽车中，所述电动汽车包括电池管理系统(Battery Management System，BMS)以对其进行管理。所述BMS能够实时采集所述磷酸铁锂电池的电压、电流以及温度等数据。

请参图2，其为磷酸铁锂电池在不同温度下的充电电压曲线图。在本实施方式中，所述BMS分别采集20℃以及30℃下的磷酸铁锂电池的充电电压。所述磷酸铁锂电池的容量为20Ah。可以理解，在其他实施方式中，所述BMS还可以采集其他温度下的磷酸铁锂电池的充电电压，并不限于本实施方式中所提供的温度。所述磷酸铁锂电池还可以应用于储能系统中，所述储能系统亦包括电池管理系统。

S220，获取微分容量序列(detaQ)-荷电状态(SOC)曲线，其中SOC为State ofCharge，即荷电状态。

具体地，请再参阅图3，其为获取detaQ-SOC曲线(即微分容量序列-荷电状态曲线)方法的具体流程图。所述获取微分容量序列detaQ-SOC曲线之步骤包括如下步骤：

S01，设定微分容量detaQ的电压间隔detaV以及充电截止电压Vend。

具体地，微分容量序列detaQ为一系列数据点，每个detaQ数据点对应一段电池电压片段，该电压片段的区间长度为detaV。在本实施方式中，设定电压片段的区间长度detaV为4mV且初始电压设为2500mV，则第一个detaQ数据点对应的电压片段为2500～2504mV；充电截止电压设为3.65V，可以理解，当所述磷酸铁锂电池在充电过程中的电压上升至充电截止电压Vend时，则停止充电。所述充电截止电压Vend可以依据所述磷酸铁锂电池的额定电压而设定。

S02，以恒定电流Cur开始充电。

具体地，以恒定电流Cur为所述磷酸铁锂电池进行充电，即在整个充电过程中，充电电流不变。在本实施方式中，所述恒定电流Cur为0.3C，即所述恒定电流Cur为所述磷酸铁锂电池容量值的30％。可以理解，在其他实施方式中，所述恒定电流Cur可以为0.3C-0.9C之间。

S03，记录充电开始时的初始电压V0，并定义微分容量detaQ的序号k。

具体地，将所述磷酸铁锂电池开始充电时的初始电压记为V0；微分容量detaQ序列有多个数据点，定义k为这些数据点的序号，即第k个detaQ数据点记为detaQ(k)，其中k的初始值为1。

S04，设定分隔电压Ve。

由于微分容量detaQ序列为一系列的数据点，其中每个微分容量detaQ数据点对应一段电池电压片段，该电压片段的区间长度为detaV，因此，从V0开始，下一个分隔电压Ve＝V0+detaV，当初始电压为2500mV时，则第一个detaQ数据点对应的分隔电压为2504mV。在本实施方式中，所述电压片段区间长度detaV为4mV。

S05，采集当前电池电压Vt。

具体地，可以通过所述BMS实时采集所述磷酸铁锂电池的电池电压Vt。

S06，计算第k个微分容量detaQ(k)。

充电开始后，电池电压Vt从V0开始缓慢上升，通过库伦累记法累计电池电压Vt从V0上升到分隔电压Ve整个过程的充电电量，并将该电量值作为第K个detaQ值，具体地，计算detaQ(k)的计算公式如下：

detaQ(k)＝∫Curdt

可以理解，若当前电池电压Vt没有达到分隔电压Ve时，则一直积分计算直到当前电池电压Vt达到分隔电压Ve时，记录与当前分隔电压Ve对应的detaQ(k)值。

S07，判断当前电池电压Vt是否大于等于充电截止电压Vend；若当前电池电压Vt大于等于充电截止电压Vend，则进入步骤S08；若当前电池电压Vt小于充电截止电压Vend，则进入步骤S09。

S08，充电结束。

S09，判断当前电池电压Vt是否大于等于分隔电压Ve；若当前电池电压Vt大于等于分隔电压Ve，则进入步骤S10；若当前电池电压Vt小于分隔电压Ve，则进入步骤S05，再次采集当前电池电压Vt。

S10，将当前分隔电压Ve更新为初始电压V0。

S11，计算与第K个微分容量detaQ(k)对应的第K个SOC(k)。

具体地，将k个detaQ值累加以得出总电量sumQ的值，其中，所述总电量sumQ的计算公式如下：

进一步地，依据总电量sumQ的值以及所述磷酸铁锂电池的标称容量值capacity计算得出SOC(k)的值，其中计算SOC(k)值的公式如下：

SOC(k)＝sumQ/capacity。

具体地，请再参阅图4，其为采用以上步骤获得磷酸铁锂电池分别在20℃以及30℃的detaQ-SOC曲线图。其中，所述磷酸铁锂电池的容量为20Ah，以6A(0.3C)的恒定电流Cur进行充电。

S230，确定SOC特征点SOCflag。

具体地，将最高的微分容量detaQ值所对应的SOC值作为SOC特征点SOCflag。若不同温度下的SOC特征点SOCflag不同时，则取多个SOC特征点SOCflag的平均值。例如，从图4中可以看出，在不同的温度工况下的detaQ-SOC曲线均存在两个明显的峰值，并且每个峰值对应的SOC值都相对稳定，选定对应着最高峰值的SOC值作为特征点SOCflag。在本实施方式中，温度为30℃的detaQ-SOC曲线的最高峰值对应的SOC值为0.3994，温度为20℃的detaQ-SOC曲线的最高峰值对应的SOC值为0.4184，因此，取二者的平均值0.4089作为SOC特征点SOCflag。

S240，在线计算当次充电积分容量特征值Ahi。

充电积分容量特征值Ahi为在第i次充电中，从detaQ-SOC曲线的最高峰值开始直至充满电期间累计充入的电量。磷酸铁锂电池在实际使用过程中会随着充电次数增加，将会产生越来越多的充电积分容量特征值Ahi(i＝1,2,3…..)。请参阅图5，其为磷酸铁锂电池两次在不同温度下充电的全部detaQ数据点所对应的detaQ值。从图5中可以看出合计约有780个点，可以理解，所述detaQ数据点的个数由开始充电时的充电电压V0与充电截止电压Vend之间的差值除以电压片段的区间长度为detaV所得。

图6为图5中的部分detaQ数据点。可以看出在30℃下的某次充电时在第209个点detaQ值达到了最大峰值，从这个时刻开始，到充电结束期间累计充入的电量即为此次的充电积分容量特征值。在20℃下的某次充电时在第212个点detaQ值达到了最大峰值，从这个时刻开始，到充电结束期间累计充入的电量即为此次的充电积分容量特征值。经过20℃和30℃的两次充电，产生了两个充电积分容量特征值。

S250，在线计算当前最优容量估算值CAPbest。

通过步骤S240可以得到一系列充电积分容量特征值[Ah1，Ah2，Ah3，Ah4，Ah5,….]，结合步骤S230的SOC特征点SOCflag，根据最小二乘法原理即可计算出当前最优电池容量的估算值CAPbest，计算公式如下：

其中，CAPbest为当前最优容量估算值；Ahi为充电积分容量特征值。

本发明提出了一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法，本方法利用磷酸铁锂电池特殊的电压特性，在日常充电过程中使用库伦积分的方法，结合最小二乘法最优值估算原理，经过多次充电后估算出磷酸铁锂电池当前的容量值，从而实现磷酸铁锂电池老化容量的实时在线跟踪。

本方法在电池日常使用过程中不必增添额外的测量设备，只需要在电池充电过程中配合电池管理系统，即可在线实时地完成电池实际容量的估算，成本低、可操作性强、实时性高。

本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (10)

1.一种磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取磷酸铁锂电池充电电压曲线；

获取微分容量序列-荷电状态曲线；

确定SOC特征点；

在线计算当次充电积分容量特征值；

在线计算当前最优容量估算值。

2.如权利要求1所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：在线计算当前最优容量估算值的公式为：

$CAPbest=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(Ahi\right)}^2}{(1-SOCflag)\·\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}Ahi}$

其中，CAPbest为当前最优容量估算值；Ahi为充电积分容量特征值，所述充电积分容量特征值Ahi为在第i次充电中，所述微分容量序列-荷电状态曲线中从最高微分容量值开始直至所述磷酸铁锂电池充满电期间累计充入的电量。

3.如权利要求1所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：“获取微分容量序列-荷电状态曲线”之步骤还包括如下步骤：

设定微分容量的电压间隔以及充电截止电压；

以恒定电流开始充电；

记录充电开始时的初始电压，并定义所述微分容量的序号；

设定分隔电压；

采集当前电池电压；

计算第k个微分容量值；

判断所述当前电池电压是否大于等于所述充电截止电压；若当前电池电压大于等于所述充电截止电压，则充电结束。

4.如权利要求3所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：在“判断当前电池电压是否大于等于充电截止电压”之步骤中，若所述当前电池电压小于所述充电截止电压，则还包括如下步骤：

判断所述当前电池电压是否大于等于所述分隔电压；若所述当前电池电压大于等于所述分隔电压，则将所述分隔电压更新为所述初始电压；

计算与第k个所述微分容量值对应的第k个SOC。

5.如权利要求4所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：在“判断当前电池电压是否大于等于分隔电压”之步骤中，若所述当前电池电压小于所述分隔电压，则进入“采集当前电池电压”之步骤。

6.如权利要求3所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：所述微分容量序列为一系列数据点，每个数据点对应一段电池电压片段，所述电压间隔为所述电池电压片段的区间长度。

7.如权利要求3所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：所述分隔电压的计算公式如下：

Ve＝V0+detaV

其中，Ve为所述分隔电压，V0为所述初始电压，detaV为所述电压间隔。

8.如权利要求3所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：计算所述第k个微分容量值的公式如下：

detaQ(k)＝∫Curdt

其中，detaQ(k)为所述第k个微分容量值，Cur为所述恒定电流。

9.如权利要求4所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：计算与所述第k个微分容量值对应的所述第k个SOC的方法如下：

首先通过公式计算出k个所述微分容量detaQ值累加得出的总电量sumQ的值；然后通过公式SOC(k)＝sumQ/capacity计算出与所述第k个微分容量值对应的所述第k个SOC(k)，其中capacity为所述磷酸铁锂电池的标称容量值。

10.如权利要求1所述的磷酸铁锂电池容量在线估算方法，其特征在于：所述SOC特征点为所述微分容量序列-荷电状态曲线中最高的微分容量值所对应的SOC值。