CN107045104A - 一种钛酸锂电池容量的在线估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钛酸锂电池容量的在线估计方法。该方法的实施过程完全基于车载充电设备对电池系统的充电过程，无需将待测钛酸锂电池从轨道车辆中的供电回路中断开或者设定额外的放电工况，就可以准确的在线估算待测钛酸锂电池容量值，有效降低了轨道车辆用电池系统的维护成本，并为轨道交通用钛酸锂电池运行过程中的能量管理策略提供理论依据，提升整车的能量利用效率。

Description

一种钛酸锂电池容量的在线估计方法

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆的电池管理领域，特别是涉及一种钛酸锂电池容量估计方法,尤指轨道交通用钛酸锂电池容量估计方法。

背景技术

传统地铁、轻轨、机车等轨道车辆上的蓄电池电源普遍采用铅酸电池和镍镉电池，这两类电池在生产、使用和回收过程中易产生重金属污染，对生态环境和人体健康均有破坏作用。由于在能量密度和循环性能等方面的缺陷，这两类电池的使用也增加了车辆维护的复杂程度。与上述两款电池相比，锂离子电池尤其是钛酸锂电池，具有体积小、重量轻、能量密度高、无污染、无记忆效应、放电性能好、自放电率低、充电迅速、循环寿命长、工作环境稳定范围宽等特点，所以在轨道交通车辆的蓄电池电源部分具有广泛的应用前景。

随着使用时间的累积，尤其是在温度过高的运行条件下，电池本身的物理和化学特性会发生变化，并最终造成电池容量的下降。为了保证蓄电池系统的可靠工作，通常会周期性地对电池系统进行离线容量测试，将电池系统从轨道车辆中的供电回路中断开，之后以恒流放电法测试电池容量，虽然该方法保证了测量结果的准确度，但耗费时间且操作复杂。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种钛酸锂电池容量的在线估计方法,该方法无需将钛酸锂电池从轨道车辆中的供电回路中断开就可以准确的在线估算钛酸锂电池容量，进而为轨道交通用钛酸锂电池运行过程中的能量管理策略提供理论依据，提升整车的能量利用效率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钛酸锂电池容量的在线估计方法，包括如下步骤：

S1、记录在线的待测钛酸锂电池检测初始时刻电压数据和容量数据；

S2、实时采集充电过程中在线的待测钛酸锂电池电压数据(具体可通过车载充电设备对电池系统的充电过程中记录得到)，并基于预设阈值ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S3；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S3、对满足步骤S2判断条件的在线的待测钛酸锂电池电压数据进行电池容量增量峰值计算，记录并存储该电压数据和容量增量峰值数据；

S4、基于前一时刻的容量增量峰值对当前容量增量峰值进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S5；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S5、将该时刻在线的待测钛酸锂电池荷电状态设定为特征荷电状态，并记录后续充电容量直至在线的待测钛酸锂电池充满为止；

S6、根据特征荷电状态和后续充电容量计算在线的待测钛酸锂电池容量值。

在上述技术方案基础上，所述检测初始时刻为在线的待测钛酸锂电池开始充电的时刻。

在上述技术方案基础上，所述预设阈值ΔV根据实际工程中电池管理系统或其他记录电池数据设备的对在线的待测钛酸锂电池电压的采样精度和实际工况进行设定，预设阈值ΔV越小，计算在线的待测钛酸锂电池容量值越准确。

在上述技术方案基础上，所述步骤S2中根据|V₂-V₁|≥ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断；其中，V₂为当前待判断的在线的待测钛酸锂电池电压数据，V₁为前一时刻记录的在线的待测钛酸锂电池电压数据。

在上述技术方案基础上，所述步骤S3中根据计算电池容量增量峰值数据；其中，P₂为V₂的容量增量峰值数据，Q₂和Q₁分别为V₂和V₁的电池容量数据。

在上述技术方案基础上，所述步骤S4中的判断条件为：若当前电池容量增量峰值大于前一时刻的电池容量增量峰值，则记T₁为正，否则记T₁为负；当T₁首次为负时即视为满足条件。

在上述技术方案基础上，所述步骤S5中的特征荷电状态根据在线的待测钛酸锂的容量增量曲线所确定。

在上述技术方案基础上，所述步骤S6中根据计算在线的待测钛酸锂电池容量值；其中，Q为在线的待测钛酸锂电池容量值，SOC₁为特征荷电状态(％)，Q₃为自特征荷电状态对应时刻至在线的待测钛酸锂电池充满的容量数据。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案的实施过程完全基于车载充电设备对电池系统的充电过程，无需将待测钛酸锂电池从轨道车辆中的供电回路中断开或者设定额外的放电工况，就可以准确的在线估算待测钛酸锂电池容量，有效降低了轨道车辆用电池系统的维护成本，并为轨道交通用钛酸锂电池运行过程中的能量管理策略提供理论依据，提升整车的能量利用效率。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为钛酸锂电池容量的在线估计方法示意图；其中的“工作过程”指充电过程。

图2为钛酸锂电池容量的估计值与实验数据的对比示意图；

图3为钛酸锂电池容量的估计值与实验数据的误差分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种无需将电池从轨道车辆中的供电回路中断开的钛酸锂电池容量在线估计方法，包括如下步骤：

S1、记录在线的待测钛酸锂电池检测初始时刻电压数据和容量数据；

S2、实时采集充电过程中在线的待测钛酸锂电池电压数据(具体可通过车载充电设备对电池系统的充电过程中记录得到)，并基于预设阈值ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S3；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S3、对满足步骤S2判断条件的在线的待测钛酸锂电池电压数据进行电池容量增量峰值计算，记录并存储该电压数据和容量增量峰值数据；

S4、基于前一时刻的容量增量峰值对当前容量增量峰值进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S5；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S5、将该时刻在线的待测钛酸锂电池荷电状态设定为特征荷电状态，并记录后续充电容量直至在线的待测钛酸锂电池充满为止；

S6、根据特征荷电状态和后续充电容量计算在线的待测钛酸锂电池容量值。

在上述技术方案基础上，所述检测初始时刻为在线的待测钛酸锂电池开始充电的时刻。

在上述技术方案基础上，所述预设阈值ΔV根据实际工程中电池管理系统或其他记录电池数据设备的对在线的待测钛酸锂电池电压的采样精度和实际工况进行设定，预设阈值ΔV越小，计算在线的待测钛酸锂电池容量值越准确。

在上述技术方案基础上，所述步骤S2中根据|V₂-V₁|≥ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断；其中，V₂为当前待判断的在线的待测钛酸锂电池电压数据，V₁为前一时刻记录的在线的待测钛酸锂电池电压数据。

在上述技术方案基础上，所述步骤S3中根据计算电池容量增量峰值数据；其中，P₂为V₂的容量增量峰值数据，Q₂和Q₁分别为V₂和V₁的电池容量数据。

在上述技术方案基础上，所述步骤S4中的判断条件为：若当前电池容量增量峰值大于前一时刻的电池容量增量峰值，则记T₁为正，否则记T₁为负；当T₁首次为负时即视为满足条件。

在上述技术方案基础上，所述步骤S5中的特征荷电状态根据在线的待测钛酸锂的容量增量曲线所确定。

在上述技术方案基础上，所述步骤S6中根据计算在线的待测钛酸锂电池容量值；其中，Q为在线的待测钛酸锂电池容量值，SOC₁为特征荷电状态(％)，Q₃为自特征荷电状态对应时刻至在线的待测钛酸锂电池充满的容量数据。

下面通过一组实例对本发明作进一步说明：

实施例1、钛酸锂电池容量的在线估计

本实施例的实验对象为在保证实际运行环境和测试对象的完整性和一致性的前提下的一块从全新状态至实验条件下充放电循环8000次的钛酸锂电池。

1、钛酸锂电池容量值的实验数据

对上述全新状态以及实验条件下每充放电循环1000次的钛酸锂电池(用于模拟从轨道车辆中的供电回路中断开的情况)，按照如下步骤的方法进行容量值测试：

对钛酸锂电池进行恒流放电，并静置1小时，之后对钛酸锂电池以恒流-恒压模式进行充电，并静置1小时，此为1次充放电循环。

其中，该钛酸锂电池容量值的实验数据通过至少3次充放电循环得到，充放电电流为1C；容量值结果如图2中的“实验数据”所示。

2、钛酸锂电池容量的在线估计

将步骤1的钛酸锂电池在全新状态以及实验条件下每充放电循环1000次时，接入轨道车辆中的供电回路中，采用充电电流值为1C进行在线充电，当钛酸锂电池电压达到充电截止电压时该充电过程结束，并按照如下方法进行容量估计：

S1、记录充电初始时刻钛酸锂电池的电压数据和容量数据；

S2、实时采集充电过程中钛酸锂电池电压数据(通过车载充电设备对电池系统的充电过程中记录得到)，并基于预设阈值ΔV(此处选为4mV)对当前钛酸锂电池电压数据进行判断；

若满足判断条件，则执行步骤S3；

若不满足判断条件，则重复本步骤；

根据|V₂-V₁|≥ΔV对当前电池电压数据进行判断；

其中，V₂为当前待判断的电压数据，V₁为前一时刻记录的电压数据；

S3、对满足条件的电池电压数据进行容量增量峰值计算，记录并存储该电压数据和容量增量峰值数据；

根据计算电池容量增量峰值数据；其中，P₂为V₂的容量增量峰值数据，Q₂和Q₁分别为V₂和V₁的电池容量数据；

S4、基于前一时刻的容量增量峰值对当前容量增量峰值进行判断，

若满足判断条件，则执行S5；

若不满足判断条件，则重复本步骤；

判断条件为：若当前电池容量增量峰值大于前一时刻的电池容量增量峰值，则记T₁为正，否则记T₁为负；当T₁首次为负时即视为满足条件；S5、将该时刻电池荷电状态设定为特征荷电状态(根据钛酸锂电池的容量增量曲线确定为20％)，并记录后续充电容量直至钛酸锂电池充满为止；

S6、根据特征荷电状态和后续充电容量计算电池容量值：

根据计算钛酸锂电池容量值；其中，Q为钛酸锂电池容量值，SOC₁为特征荷电状态(％)，Q₃为自特征荷电状态对应时刻至电池充满的容量数据。

按照步骤S1—S6的方法得到的估计结果如从图2中的估计值，将估计值与实验数据对比得到估计误差结果如图3所示。

结果表明，钛酸锂电池容量在线估计结果与实验数据具有高度的一致性，整体误差小于15％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、记录在线的待测钛酸锂电池检测初始时刻电压数据和容量数据；

S2、实时采集充电过程中在线的待测钛酸锂电池电压数据，并基于预设阈值ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S3；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S3、对满足步骤S2判断条件的在线的待测钛酸锂电池电压数据进行电池容量增量峰值计算，记录并存储该电压数据和容量增量峰值数据；

S4、基于前一时刻的容量增量峰值对当前容量增量峰值进行判断：

若满足该判断条件，则执行步骤S5；

若不满足该判断条件，则重复本步骤；

S5、将该时刻在线的待测钛酸锂电池荷电状态设定为特征荷电状态，并记录后续充电容量直至在线的待测钛酸锂电池充满为止；

S6、根据特征荷电状态和后续充电容量计算在线的待测钛酸锂电池容量值。

2.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述检测初始时刻为在线的待测钛酸锂电池开始充电的时刻。

3.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述预设阈值ΔV根据实际工程中电池管理系统或其他记录电池数据设备的对在线的待测钛酸锂电池电压的采样精度和实际工况进行设定，预设阈值ΔV越小，计算在线的待测钛酸锂电池容量值越准确。

4.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述步骤S2中，根据|V₂-V₁|≥ΔV对当前在线的待测钛酸锂电池电压数据进行判断；其中，V₂为当前待判断的在线的待测钛酸锂电池电压数据，V₁为前一时刻记录的在线的待测钛酸锂电池电压数据。

5.如权利要求4所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据计算电池容量增量峰值数据；其中，P₂为V₂的容量增量峰值数据，Q₂和Q₁分别为V₂和V₁的电池容量数据。

6.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述步骤S4中的判断条件为：若当前电池容量增量峰值大于前一时刻的电池容量增量峰值，则记T₁为正，否则记T₁为负；当T₁首次为负时即视为满足条件。

7.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述步骤S5中的特征荷电状态根据在线的待测钛酸锂电池的容量增量曲线所确定。

8.如权利要求1所述的钛酸锂电池容量的在线估计方法，其特征在于，所述步骤S6中根据计算在线的待测钛酸锂电池容量值；其中，Q为在线的待测钛酸锂电池容量值，SOC₁为特征荷电状态(％)，Q₃为自特征荷电状态对应时刻至在线的待测钛酸锂电池充满的容量数据。