CN107271913B - 一种应用于动力电池剩余容量预测的方法 - Google Patents

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Abstract

一种应用于动力电池剩余容量预测的方法涉及动力电池试验及容量预测领域。本方法提出将等效全循环数作为循环计数标准，即将电池在对应SOC区间经历一定循环次数后的累计放电容量等效为该电池随后进行一次全循环(充电过程SOC从0％到100％，放电过程SOC从100％到0％)中放电容量的倍数，将该倍数值视为电池在该SOC区间循环对应次数下的等效全循环数。本方法的应用需要基于实车运行数据或试验数据，因此本发明在等效全循环计数法的基础上提出了相应的实车用户操作方法和实验室内的电池试验方法。本发明对实车数据或试验数据进行拟合，建立电池剩余容量预测模型。本方法统一了不同局部SOC区间动力电池循环计数的标准，优化了动力电池的试验方法及容量预测方法，提高了预测的准确性。

Description

一种应用于动力电池剩余容量预测的方法
技术领域
本发明涉及动力电池试验及容量预测领域
背景技术
能源紧张和环境恶化使电动汽车的发展受到全球关注，其具有结构简单、维护方便、燃油经济性高、噪音小、环保等优点。作为电动汽车尤其是纯电动汽车的核心部件，动力电池性能的好坏直接影响整车动力性能、使用年限和续驶里程，进而影响电动汽车的推广和顾客接受度。
动力电池的性能可由多种指标表征，例如：容量、内阻、功率等。其中容量是电池诸多性能指标的直接体现，准确预测电池的剩余容量，进而评估电池的运行状态(荷电状态SOC、健康状态SOH)对动力电池的安全使用、延长寿命及性能的充分发挥具有重要意义。
在电动汽车实际使用过程中，往往不是进行全充全放循环的，而是在局部SOC区间内进行充放电循环，而针对这种充放电循环，在循环计数方面就不能沿用传统计数方法，即一次充电加一次放电视为一个循环。本方法的核心内容就是引入等效全循环数的概念，并以此提出相应的实车用户操作方法及实验室动力电池试验方法。将实车数据及试验所得不同局部SOC变化区间的电池数据进行处理，建立统一的循环计数方法。并在等效全循环数计数方法及试验方法的基础上，实现针对不同局部SOC变化区间动力电池剩余容量的预测。
发明内容
本发明提出一种针对电动汽车实际应用中动力电池在局部SOC区间充放电情况下的剩余容量预测方法。本方法的核心是提出等效全循环数的概念并将其应用于不同SOC区间电池循环计数，统一了计数方法。并运用分步曲线拟合的思想和方法逐步确定电池容量预测模型中的参数值。除此之外，结合等效全循环数的概念，本发明还提出了面向实车用户的操作方法及实验室情况下动力电池的试验方法。
1.等效全循环数
等效全循环数是指将电池n次(可取任意正整数值，下同)放电过程中的累计放电容量等效为电池做一次全循环时放电过程中所放出的容量(即电池从100％SOC放电至0％SOC期间的放电容量)的倍数。计算方法为将电池n次放电过程中累计放电容量与一次全循环放电过程中所放出容量作商，所得比值即为等效全循环数。计算公式如下式所示：
式中Ccum为n次循环累计放电容量之和；Cdis为电池在n次充放电循环后进行一次全循环中放电过程所放出的容量。
等效全循环数可以有效地将不同局部SOC变化区间内电池循环计数统一起来，即针对不同局部SOC区间均将电池n次循环累计放电容量之和除以在n次循环后进行的一次全循环中的放电容量。也就是说将某SOC变化区间内的累计放电容量等效看成其进行全循环充放电，在达到相同累计放电容量时所进行的全循环次数。这种方法相比较传统的一次充电加一次放电计为一次循环更加科学，电池在不同局部SOC变化区间内分别进行一次充放电循环所放出的容量显然是不同的。而按照传统的计数方法均计为1次循环，并不能体现出区别。而采用等效全循环计数方法后，由于累计的放电容量之和不同，因此等效为全循环的次数也不同，这样就可以体现出动力电池在不同局部SOC区间循环的差异性。
2.基于等效全循环数的实车用户操作方法
电动汽车在实际使用过程中其动力电池的容量是逐步衰减的，这会导致电池实际的SOC工作区间是变化的。由于电池SOC的定义为电池剩余容量与额定容量的比值，而电池的额定容量是固定不变的，所以电池实际容量的衰减会导致其工作的SOC区间发生变化。例如电池原始的SOC工作区间为20％-80％，经过一段时间充放电循环后其SOC工作区间可能变为18％-75％，再经过一段时间后可能变为16％-72％。但由于电池的容量衰减是一个相对缓慢的过程，因此在一定时间内,即一定循环次数内，电池的SOC工作区间可以近似看为是固定不变的，而不同时间段内，即不同循环次数区间电池的SOC范围是改变的。从整个电池的寿命周期来看，电池的SOC工作区间可以看为是呈阶梯状变化的。基于以上分析，本发明提出一种面向实车用户的操作方法。方法步骤如下：
步骤1:查看用户所购车型的使用说明书，记录该车所用动力电池的额定容量值C。
步骤2:用户在每次开车前记录一下电池的初始SOC值，在下一次充电前记录一下电池的终止SOC值，将两次SOC值做差，再将差值与电池的额定容量值做乘积，即可求出电池在该次放电过程中所放出的容量值，记录该容量值。
步骤3:重复步骤2n次，记录所有循环中的放电容量值，并将所得容量值累加得到n次累计放电容量值Ccum。n取小于等于100的正整数值。
步骤4:在进行完n次循环充放电后，用户需进行一次全充全放循环，即将电池的SOC从0％充至100％，随后通过驾驶汽车将电池的SOC从100％放至0％，计算出电池的放电容量值，将该值记录为Cd。
步骤5:重复步骤2-4k次，k值表示作图的数据点个数，分别记录k次全充全放循环中的放电容量值Cdk及对应局部SOC区间循环的累计放电容量值Ccumk。
步骤6:规定在步骤5中所得到的Cdk值较电池额定容量值C每下降5％，电池的SOC循环区间改变一次。在此之前，电池SOC循环区间视为固定不变。改变后的SOC循环区间的上下限值通过等比例求得，即将改变前的SOC区间上限值乘以95％得到新的SOC区间上限值，将改变前的SOC区间下限值乘以95％得到新的SOC区间下限值。电池的全充全放的容量值每下降5％，电池SOC区间上下限乘的系数减少5％，直至电池按照步骤5中得到的容量Cdk下降为额定容量的80％为止。
步骤7:根据公式(1)，将在步骤5中得到的电池累计放电容量值Ccumk与电池在全充全放循环中的放电容量值Cdk作商，得到电池在对应p次局部SOC区间循环的等效全循环数。
步骤8:将记录的数据进行整理，以电池循环的等效全循环数为横坐标，电池的容量保持率为纵坐标，得到等效全循环数与对应容量保持率的关系图。其中容量保持率通过将电池的剩余容量值Cdk与电池的额定容量值C作商求得。
以上为本发明提出的面向实车用户的操作方法，基于该方法得到的数据点，针对不同SOC区间分别采用不同的函数进行曲线拟合，得到实车动力电池的剩余容量函数模型，该模型为分段函数模型，对应不同的SOC区间，其函数模型不同。这样就得到针对不同SOC区间的动力电池剩余容量预测模型。
3.试验方法
以上是本发明提出的针对实车用户的操作方法，但限于本实验室的条件无法对其进行验证，因此为了对本发明所提方法进行验证，现提出一种实验室条件下的动力电池试验方法，该方法可用于对本发明所提出的方法进行验证。
本发明首先提出了等效全循环数的概念，并将其运用于不同局部SOC区间电池循环计数。结合等效全循环数的概念，本发明设计了一种实验室动力电池试验方法，可进行磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元锂电池等动力电池在任意局部SOC区间的充放电试验。
方法具体步骤如下：
步骤1:准备若干个相同规格、同一批次电池测试样本，具体数量依据研究内容来定。将每m块电池样本分为一组，m取2-3；采用恒流恒压充电，恒流阶段充电电流为Icha，该值为电池规格书中电池样本的标准充电电流。将电池充满，静置30min，然后以基准放电电流Idis进行放电，该值取0.5C。将电池放至放电截止电压Ucut-off，分别记录各个电池的放电容量值Cn0，n为电池的标号，Cn0即为第n块电池样本的初始容量值。
步骤2:进行SOC估计。具体计算公式如下：
式中SOC2、SOC1分别为充放电循环区间的SOC下限值和上限值；t为充放电时间；I为充放电电流；Q为电池的放电容量。最初始的Q值取电池的初始容量值Cn0。式中SOC2、SOC1、I、Q均为已知值，通过式(2)得到在对应局部SOC区间的充放电时间，通过时间来控制电池充放电过程的开始和结束。
步骤3:按步骤1中的充电方法将电池再次充满，静置30min，然后以基准放电电流Idis放电，放电至相应SOC区间下限对应的电压值U1。U1可由累计放电容量C1对应得到，而对应SOC下限的累计放电容量C1'可由电池的初始容量Cn0及对应的SOC放电区间计算获得，具体计算公式如下：
C'1＝Cn0×ΔSOC (3)
步骤4:静置30min，然后根据研究背景及目的设定电池样本在相应SOC区间循环充放电的充电电流I'cha及放电电流I'dis，根据电池充电过程中的SOC变化量ΔSOC1及放电过程中SOC的变化量ΔSOC2，利用式(2)计算得到充放电时间t。通过时间t控制充电过程和放电过程的起始和终止。在对应SOC区间进行1次充放电循环。
步骤5:重复步骤4p次，p取小于等于100的正整数值。充电过程与放电过程之间搁置30min。
步骤6:以基准放电电流Idis将电池电量放尽，静置30min。
步骤7:重复步骤1，分别记录各个电池的放电容量值C'n0，n为电池的标号，C'n0即为第n块电池样本在经过p次充放电循环后的容量值。
步骤8:重复步骤2-7，直到电池在循环若干次后进行的一次全循环充放电中的放电容量值C'n0小于或等于电池初始容量Cn0的80％，即
C'n0≤0.8×Cn0 (4)
试验结束。
需要特别说明的是本试验方法的步骤2中进行电池SOC估计的原因是因为随着电池充放电循环的进行，电池的放电容量是逐步衰减的，也就是说公式(2)中的Q值是变化的。因此在电池循环过程中对应SOC区间上下限的容量值及电压值等都是变化的，循环次数较少时这种变化并不大，但当循环次数达到一定数目后，变化造成的影响就相当可观。为了对电池循环SOC区间进行动态精确控制，本方法中通过每循环p次后对电池样本进行一次全循环充放电，测得在这次全循环充放电过程中电池的放电容量值C'n0，用该值不断地替换式(2)中的电池初始容量值Q。通过该公式计算出对应的电池充放电时长t，每p次循环对电池的充放电时长t修改1次，来实现对电池SOC循环区间的精确控制。
附图说明
图1等效全循环数计算方法示意图。
图2基于等效全循环数的实车用户操作方法示意图
图3本发明提出的试验方法步骤示意图。
图4本发明提出的等效全循环计数法及实验方法基础上的动力电池剩余容量预测方法流程图
图5利用等效全循环计数法对电池数据进行处理，得到的钴酸锂电池在20％-80％SOC区间充放电的数据图
图6利用等效全循环计数法对电池数据进行处理，得到的钴酸锂电池在40％-60％SOC区间充放电的数据图
图7利用等效全循环计数法对电池数据进行处理，得到的钴酸锂电池在40％-100％SOC区间充放电的数据图
图8利用本发明提出的基于等效全循环数及相应试验方法的动力电池剩余容量预测方法对钴酸锂电池在20％-80％SOC区间充放电循环的剩余容量预测图
图9利用本发明提出的基于等效全循环数及相应试验方法的动力电池剩余容量预测方法对钴酸锂电池在40％-60％SOC区间充放电循环的剩余容量预测图
图10利用本发明提出的基于等效全循环数及相应试验方法的动力电池剩余容量预测方法对钴酸锂电池在40％-100％SOC区间充放电循环的剩余容量预测图
具体实施方式
上面叙述的为本专利的发明内容：基于等效全循环数的电池循环计数方法、基于等效全循环数的实车用户操作及数据记录方法以及一种电池试验方法。基于上述发明内容可以实现对动力电池剩余容量的预测，下面以钴酸锂电池为例进行举例说明。
试验对象为额定容量为1.5Ah的钴酸锂电池，标称电压为3.7V。电池的充电截止电压为4.2V，放电截止电压为2.75V。电池的充放电过程均使用带有16个独立通道的ArbinBT2000电池测试仪进行，所有试验均是在室温(25±2℃)下进行的。试验共分为三组，分别为20％-80％SOC、40％-60％SOC、40％-100％SOC。每组SOC变化区间下有两个电池测试样本，以此减少电池单体不一致带来的影响。每组SOC变化区间下分别进行2C和0.5C倍率放电，充电过程均采用0.5C充电。
该方法的具体步骤如下：
步骤1：首先进行电池SOC估计，采用库仑计数方法，具体公式如式(2)式中，I在放电过程中取正值，t为充放电时间，Q为电池的放电容量。由于电池在充放电过程中存在老化现象，导致电池的放电容量值逐渐减小，即Q值逐渐减小。这在SOC估计过程中会带来累计误差，为了减少这种误差，试验方法采取每50次或100次充放电循环后进行一次全循环充放电，其中充电过程为恒流恒压充电，放电过程为恒流放电，充放电电流均为0.5C,充电截止电压为4.2V，放电截止电压为2.75V。将全循环中放电过程中的放电容量作为新的Q值不断对上式的Q值进行修正，这样可以得到更准确的SOC估计，并且可以计算得出在保持所需的SOC区间的情况下电池的充放电时间，从而实现试验过程中的准确控制。
步骤2：在试验过程中，电池均先以0.5C倍率恒流恒压充电至100％SOC，然后根据SOC变化区间以0.5C倍率分别将电池容量放至相应的SOC下限。(例如对于SOC区间为20％-80％这一组，电池容量就放到20％SOC)。随后在所需的SOC区间内进行0.5C恒流充电，0.5C或2C的恒流放电循环，在每次充电或放电过程结束后，电池静置30min。特别说明一下，对于SOC变化区间为40％-100％这组电池，充电采用0.5C恒流恒压模式，放电过程与其他组电池一样，这是为了保证充电过程将电池充满，即SOC达到100％。
另外对于SOC变化区间为20％-80％SOC的电池，在充电过程中有可能出现电池已经达到充电截止电压，但电池SOC还未达到规定上限80％，在这种情况下，为了防止电池过充电，充电过程结束，其它SOC区间不存在这种情况。
步骤3：由于电池的充放电过程不是全循环，因此对于电池的循环数并不能准确定义。本方法引入等效全循环数的概念，有效地解决了这个问题。等效全循环数通过将电池在每50次或100次循环的累计放电容量之和除以在50次或100次循环后做的一次全循环充放电中放电容量值，将这个比值定义为这50次或100
次部分充放电循环的等效全循环数，计算流程如图1所示。这样就建立了一种统一的循环计数方法，为后续建模奠定了基础。此处需要说明的是，由于在试验过程中，每隔50次或100次部分循环后做一次全循环，并且这50次或100次部分循环之前都需将电池充满，并将容量放至对应的SOC下限值，如图2所示。而这部分放电容量也应计入到这50次或100次部分循环的累计放电容量当中去，因为电池只要在循环，就会不断老化衰减，所以也要算进循环计数当中去。
步骤4：计算电池的容量保持率。容量保持率是指电池在充放电循环过程中对容量的保持能力，也就是抵抗容量衰减的能力。定义为电池在第n次循环结束后，其完全放电容量(电池由100％SOC放电至0％SOC)与电池的初始容量的比值，用百分数表示，计算公式如下式所示：
式中Cdis为电池在n次充放电循环后进行一次全循环中放电过程所放出的容量；
C0为电池的初始容量。
在每50次或100次部分循环后，进行一次全充全放循环。用这次循环中的放电容量值除以该电池的初始容量值，所得比值即为这50次或100次部分循环后电池的容量保持率。
步骤5：重复步骤3-4，将每组SOC变化区间下的两个电池样本均作上述处理，这样做的目的是为了尽量减少电池个体差异所带来的误差。
步骤6：将所得数据进行整理，分别作出每组SOC变化区间下，电池等效全循环数与容量保持率的关系图。在数据处理过程中，要将每组SOC变化区间下的两个电池单体对应的等效全循环数和容量保持率均取平均值，这样可以充分利用所有数据，减少误差。
步骤7：利用MATLAB软件的曲线拟合功能，采用幂函数形式对所得数据点进行拟合，拟合公式如下：
式中，CR为容量保持率(Capacity retention)；Neqv为等效全循环数(Equivalentfull cycles)；A,b均为模型参数。将不同局部SOC循环区间的数据均按上述步骤进行曲线拟合。
步骤8:重复步骤6-7，将不同局部SOC循环区间的数据均按上述步骤进行曲线拟合。
拟合结果显示，不同SOC区间的b值相差不大，基本在0.46-0.486之间，相差在0.01-0.02左右，可以近似看为常值，因此将前四组数据拟合出的b值取平均值，即b＝0.47695。
步骤9：将参数A看作平均SOC和SOC变化值的函数，采用如(7)式所示的拟合公式对数据点进行拟合。
A＝a×SOCmean×(1+c×ΔSOC+d×ΔSOC2) (7)
式中SOCmean为平均SOC；ΔSOC为SOC变化值；a,c,d为模型系数。
通过拟合得到模型系数a,c,d的值，并将上式带入到式(6)中去，进而得到所建的电池剩余容量预测模型。
其中步骤1至步骤5为试验过程，试验流程图如图3所示。步骤6至步骤9为针对试验数据的拟合及建模过程，是图4的具体体现。图5至图7为20％-80％SOC、40％-60％SOC、40％-100％SOC三种SOC区间的容量保持率与等效全循环数关系的趋势变化图。图8至图10为基于本发明所提出的方法进行动力电池剩余容量预测的对比图。
表1为基于上述方法建立的钴酸锂电池剩余容量预测模型的预测误差表
表1模型预测误差表

Claims (1)

1.一种动力电池剩余容量预测方法，其特征在于，提出了等效全循环数的概念，等效全循环数计算公式如下式所示:
式中Ccum为n次循环累计放电容量之和；Cdis为电池在n次充放电循环后进行一次全循环充放电中放电过程所放出的容量；全循环充放电是指充电过程将电池电量从0％SOC充至100％SOC，放电过程将电池电量从100％SOC放至0％SOC；
包含以下步骤：
步骤1:查看用户所购车型的使用说明书，记录该车所用动力电池的额定容量值C；
步骤2:用户在每次开车前记录一下电池的初始SOC值，在下一次充电前记录一下电池的终止SOC值，将两次SOC值做差，再将差值与电池的额定容量值做乘积，即可求出电池在该次放电过程中所放出的容量值，记录该容量值；
步骤3:重复步骤2 n次，记录所有循环中的放电容量值，并将所得容量值累加得到累计放电容量值Ccum；n取小于等于100的正整数值；
步骤4:在进行完n次循环充放电后，用户需进行一次全充全放循环，即将电池的SOC从0％充至100％，随后通过驾驶汽车将电池的SOC从100％放至0％，计算出电池的放电容量值，将该值记录为Cd；
步骤5:重复步骤2-4 k次，k值表示作图的数据点个数，分别记录k次全充全放循环中的放电容量值Cdk及对应局部SOC区间循环的累计放电容量值Ccumk；
步骤6:规定在步骤5中获得的放电容量值即Cdk值较电池额定容量值C每下降5％，电池的SOC循环区间改变一次；在此之前，电池SOC循环区间视为固定不变；改变后的SOC循环区间的上下限值通过等比例求得，即将改变前的SOC区间上限值乘以95％得到新的SOC区间上限值，将改变前的SOC区间下限值乘以95％得到新的SOC区间下限值；电池的剩余容量值每下降5％，电池SOC区间上下限乘的系数减少5％，直至电池的剩余容量下降为额定容量的80％为止；
步骤7:根据公式(1)，将在步骤5中得到的电池累计放电容量值Ccumk与电池在全充全放循环中的放电容量值Cdk作商，得到电池在对应n次局部SOC区间循环的等效全循环数；
步骤8:将记录的数据进行整理，以电池循环的等效全循环数为横坐标，电池的容量保持率为纵坐标，得到等效全循环数与对应容量保持率的关系图；其中容量保持率通过将电池的剩余容量值Cdk与电池的额定容量值C作商求得；
步骤9:采用如(2)式所示的拟合公式对数据点进行拟合；
式中，CR为容量保持率；Neqv为等效全循环数；A，b均为模型参数；
步骤10:重复步骤8-9，将不同局部SOC循环区间的数据均按上述步骤进行曲线拟合,其中拟合得到b＝0.47695；
步骤11:将参数A看作平均SOC和SOC变化值的函数，采用如(3)式所示的拟合公式对数据点进行拟合；
A＝a×SOCmean×(1+c×ΔSOC+d×ΔSOC2) (3)
式中SOCmean为平均SOC；ΔSOC为SOC变化值；a,c,d为模型系数；通过拟合得到模型系数a,c,d的值，并将上式代入到(2)中去，进而得到所建的电池剩余容量预测模型。
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