CN108008316A - 一种锂离子电池soc-ocv曲线的标定方法 - Google Patents

一种锂离子电池soc-ocv曲线的标定方法 Download PDF

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任建明
杨玉萍
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池SOC‑OCV曲线的标定方法，包括如下步骤：将电池充至满电，恒定电流放电至一个电压，静置一段时间，再继续以恒定电流放电至下一个电压，静置一段时间，依次类推，直至恒流放电至电池允许的最低电压。记录当前静态电压下对应的SOC，通过数学模型推导SOC‑OCV的关系。本发明中的锂离子电池SOC‑OCV曲线的标定方法能够降低不同倍率下的SOC‑OCV标定难度，极大的缩短了锂离子电池的SOC‑OCV标定时间，提升设备的使用效率。进一步地，本发明中的锂离子电池SOC‑OCV曲线的标定方法尤其针对三元锂离子电池进行标定，不仅缩短了三元锂离子电池SOC‑OCV的测试周期，而且本发明中的标定方法可以忽略标定电流大小的影响。

Description

一种锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体设计一种锂离子电池的SOC-OCV曲线的标定方法。
背景技术
锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优点，被广泛应用于电动汽车、储能、便携式电子等诸多领域中。电池在使用过程中，其荷电状态是一个重要的指标，即当前状态下实际所能提供的电量与完全充满电所能提供的电量的比值，用SOC（state of charge）表示，可以知道电池当前状态的剩余电量，便于电池管理系统对电池发出各种指令。开路电压，即电池在开路状态下的端电压，用OCV（open circuit voltage）表示，一般认为电池在充电或放电后经过长时间的静置，电池已消除极化影响达到稳定状态，这个时候电池两端的电压即为开路电压，开路电压不受充放电电流影响，与电池材料和荷电状态有关。在一定的温度下，电池的荷电状态与开路电压呈现一一对应的关系。
电动汽车行驶中，SOC是电池管理系统向整车管理系统反应的一个重要信息，整车管理系统根据当前的SOC状态来制定电池的使用策略。对于电池自身，SOC状态反应出电池的某些电性能，如电池的直流内阻在低SOC以及高SOC下有大幅度的增加。电池SOC的准确标定将影响电池的使用寿命，以及电动汽车的动力性和安全性能。目前整车SOC标定大部分采用安时积分法结合电压法进行校准，在进行校准之前都需要动力电池厂家提供准确的充电和放电的SOC-OCV表。目前大部分动力电池厂家都采用容量标定法进行SOC标定，该方法存在标定周期长（单个温度标定需要耗时30h左右），不同倍率下的SOC标定难度大，充电阶段因存在恒压阶段，无法准确标定出恒压段的SOC等问题。采用现有技术中的SOC-OCV曲线标定的方法标定周期长、充电SOC-OCV标定难度大、标定过程中受到大电流影响较大，若能提供一种省时准确的锂离子电池SOC-OCV曲线标定方法，则能够节省锂离子电池SOC测试的时间，提升制造效率。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，该方法能够降低不同倍率下的SOC-OCV标定难度，极大的缩短了锂离子电池的SOC-OCV标定时间，提升设备的使用效率。进一步地，本发明中的锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法尤其针对三元锂离子电池进行标定，不仅缩短了三元锂离子电池SOC-OCV的测试周期，而且本发明中的标定方法可以忽略标定电流大小的影响。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明提供的是一种锂离子动力电池SOC-OCV标定方法，该方法包括：将电池充至满电，恒定电流放电至一个电压，静置一段时间，再继续以恒定电流放电至下一个电压，静置一段时间，依次类推，直至恒流放电至电池允许的最低电压。 记录当前静态电压下对应的SOC，通过数学模型推导SOC-OCV的关系。
本发明中提供的锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，具体包括如下步骤：
S01：将锂电池在25℃温度下，以0.3-0.5C充电至上限电压4.1-4.2V，充电截止电流为0.01-0.03C；
S02：将S01中的满电电池在-20℃-45℃环境中静置2-4h，记录当前的OCV值V0，然后以放电倍率0.33-1C放电至设定的放电电压，该放电电压比上限电压低0.05-0.15V，记录当前的放电容量C1，静置1h后，记录当前的OCV值V1；
S03：在当前温度下继续将S02处理后的电池以放电倍率0.33-1C放电至比S02中设定的放电电压低0.05-0.15V，记录当前的放电容量C2，静置1h后，记录当前的OCV值V2；
S04：在当前温度下重复将上一步骤中处理后的电池以放电倍率0.33-1C放电至设定的放电电压，每一步骤中设定的放电电压均比上一步骤中的放电电压低0.05-0.15V，记录每一步放电后所对应的放电容量Cx，每一步放电后均静置1h，然后记录当前的OCV值Vx；
S05：将上述步骤中得到的OCV值Vx对应的电池容量换算为SOC值SOCx， SOC0=1，SOCx=1-Cx/Cn，其中0＜x≤n，n为整数；
S06：进行SOC-OCV关系的数据拟合，拟合方程式为
Vx=V0+A1×SOCx+A2×SOCx 2+A3×SOCx 3+A4×SOCx 4+A5×SOCx 5+ A6×SOCx 6，其中0＜x≤n，n为整数；其中A1、A2、A3、A4、A5、A6为待拟合参数；根据上述拟合结果得到SOC-OCV数据曲线。
进一步地，所述锂离子电池为三元锂离子电池。
本发明中利用电压截止方法的方法进行锂离子电池的SOC-OCV曲线的标定，尤其适用于充放电平台变化较明显的三元锂离子电池，其他组元的锂离子电池（如磷酸铁锂电池），因充放电平台变化较平缓，受电压取值的影响较大，标定存在一定误差，本发明中的方法尤其适用于Ni-Co-Mn三元锂离子电池。
进一步地，所述锂离子电池为圆柱形18650电池，其电池容量为2.15Ah、2.4Ah、2.75Ah中的一种。
进一步地，S01中，上限电压为4.1V、4.15V、4.2V中的一个值。
进一步地，S02中，为便于控制环境温度，满电电池静置的环境温度为-20℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、45℃中的一个值。
进一步地，所述放电倍率为0.33C、0.5C、1C中的一个值。
进一步地，S04中，所述设定的放电电压最低为2.75V，低于2.15V后，电池放电个体差异较大，取值拟合度低。
进一步地，S05中，n=14。本发明的标定方法中，充放电步骤取14次为最佳次数，从标定准确度上来说可获得拟合效果非常好的SOC-OCV曲线，从标定时长来说，能够节省大量的标定测试的时间。
进一步地，S02、S03、S04中，每一步骤中设定的放电电压均比上一步骤中的放电电压低0.1V。
本发明具有以下优点：
本发明提供了一种锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，该方法能够降低不同倍率下的SOC-OCV标定难度，极大的缩短了锂离子电池的SOC-OCV标定时间，提升设备的使用效率。进一步地，本发明中的锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法尤其针对三元锂离子电池进行标定，不仅缩短了三元锂离子电池SOC-OCV的测试周期，而且本发明中的标定方法可以忽略标定电流大小的影响。
附图说明
图1为本发明中实施例1、2与参照例的放电SOC-OCV测试结果示意图；
图2为本发明的实施例3与参照例的放电SOC-OCV测试结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。
首先，先确定一种SOC-OCV标定方法作为参照例；
N1：以容量截止进行SOC-OCV标定（作为参照例）
1、以圆柱18650 2.75Ah电池为试验对象；电池在25℃下，以0.33C放电至2.75V，0.33C充电至4.15V，截止电流0.025C，分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、45℃下静置3h，再以0.33C放电至2.75V，分别得到不同温度下的放电容量。
2、将电池返还至25℃下静置3h，以0.33C放电至2.75V，0.33C充电至4.15V，截止电流0.025C，分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、45℃下静置3h，再以0.33C放电5%相应温度下的放电容量，静置1h（记录当前静态电压），直至电压低于2.75V；从而得到不同温度下的SOC-OCV关系；
3、改变上述方法中的放电倍率0.5C/1C；得到不同倍率的SOC-OCV关系；
4、改变上述方法中的电压范围2.5-4.2V，截止电流0.01C；得到不同电压区间的SOC-OCV关系。
本发明的实施例1中以锂离子圆柱18650 2.75Ah电池（Ni-Co-Mn三元锂离子电池）为实验对象进行SOC-OCV曲线的标定。具体包括如下步骤：
S01：将锂电池在25℃温度下，以0.33C充电至上限电压4.15V，充电截止电流为0.025C。
S02：将S01中的满电电池在25℃环境中静置3h，记录当前的OCV值V0，然后以放电倍率0.33C放电至4.0V，记录当前的放电容量C1，静置1h后，记录当前的OCV值V1。
S03：在当前温度下继续将S02处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.9V，记录当前的放电容量C2，静置1h后，记录当前的OCV值V2。
S04：在当前温度下继续将S03处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.8V，记录当前的放电容量C3，静置1h后，记录当前的OCV值V3。
S05：在当前温度下继续将S04处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.7V，记录当前的放电容量C4，静置1h后，记录当前的OCV值V4。
S06：在当前温度下继续将S05处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.6V，记录当前的放电容量C5，静置1h后，记录当前的OCV值V5。
S07：在当前温度下继续将S06处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.5V，记录当前的放电容量C6，静置1h后，记录当前的OCV值V6。
S08：在当前温度下继续将S07处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.4V，记录当前的放电容量C7，静置1h后，记录当前的OCV值V7。
S09：在当前温度下继续将S08处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.3V，记录当前的放电容量C8，静置1h后，记录当前的OCV值V8。
S10：在当前温度下继续将S09处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.2V，记录当前的放电容量C9，静置1h后，记录当前的OCV值V9。
S11：在当前温度下继续将S10处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.1V，记录当前的放电容量C10，静置1h后，记录当前的OCV值V10。
S12：在当前温度下继续将S11处理后的电池以放电倍率0.33C放电至3.0V，记录当前的放电容量C11，静置1h后，记录当前的OCV值V11。
S13：在当前温度下继续将S12处理后的电池以放电倍率0.33C放电至2.9V，记录当前的放电容量C12，静置1h后，记录当前的OCV值V12。
S14：在当前温度下继续将S13处理后的电池以放电倍率0.33C放电至2.8V，记录当前的放电容量C13，静置1h后，记录当前的OCV值V13。
S15：在当前温度下继续将S14处理后的电池以放电倍率0.33C放电至2.75V，记录当前的放电容量C14，静置1h后，记录当前的OCV值V14。
S16：将上述步骤中得到的OCV值Vx对应的电池容量换算为SOC值SOCx， SOC0=1，SOCx=1- Cx/C14，其中0＜x≤14，n为整数。
S17：进行SOC-OCV关系的数据拟合，拟合方程式为
Vx=V0+A1×SOCx+A2×SOCx 2+A3×SOCx 3+A4×SOCx 4+A5×SOCx 5+ A6×SOCx 6，其中0＜x≤14，n为整数；其中A1、A2、A3、A4、A5、A6为待拟合参数。利用MATLAB进行拟合，并根据上述拟合结果得到SOC-OCV数据曲线。
实施例2：
本实施例与实施例1的区别在于将环境温度改变。本实施例中，SOC-OCV测试温度由25℃变更为45℃和0℃。
实施例3：
本实施例与实施例1的区别在于将电压范围以及放电倍率改变。本实施例中，截止电流0.01C，放电倍率为0.5C和1C。
如附图所示，图1示出了实施例1、2与参照例的放电SOC-COV测试结果示意图。其中，A2表示电池采用电压截止方法，25℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（实施例1），B2表示电池采用电压截止方法，0℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（实施例2中的测试温度0℃），C2表示电池采用电压截止方法，45℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（实施例2中的测试温度45℃）；A1表示电池采用容量截止方法，25℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（参照例中的测试温度25℃），B1表示电池采用容量截止方法，0℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（参照例中的测试温度0℃），C1表示电池采用容量截止方法，45℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（参照例中的测试温度45℃）。
从图中可见，在相同温度以及相同倍率下，实施例1的放电SOC-OCV与参照例的SOC-OCV曲线相差较小。例如在25℃时，请见曲线A2，实施例1的放电SOC-OCV在20%SOC的静态电压与参照例在100-10%SOC的静态电压几乎重合，说明采用容量标定与电压标定得到的测试结果基本一致，本发明的标定方法由于标定周期短，缩短了电池的SOC-OCV标定时间，提高设备使用效率。
图2示出了实施例3与参照例在25℃不同倍率放电SOC-OCV变化示意图。其中，E2表示电池采用电压截止方法， 25℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（实施例1中的放电倍率0.33C），F2表示电池采用电压截止方法， 25℃下0.5C放电SOC-OCV曲线（实施例3中的放电倍率0.5C），H2表示表示电池采用电压截止方法， 25℃下1C放电SOC-OCV曲线（实施例3中的放电倍率1C）；E1表示电池采用容量截止方法， 25℃下0.33C放电SOC-OCV曲线（参照例中的放电倍率0.33C），F1表示电池采用容量截止方法， 25℃下0.5C放电SOC-OCV曲线（参照例中的放电倍率0.5C），H1表示表示电池采用容量截止方法， 25℃下1C放电SOC-OCV曲线（参照例中的放电倍率1C）；由图中看出，10-100%SOC，E1与E2基本重合，F1与F2基本重合，H1与H2基本重合，说明在相同的温度和倍率下，两种标定方法的结果基本相同，证明本标定方法的可靠性高。
由上述实施例可以看出，本发明提供了一种锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，该方法能够降低不同倍率下的SOC-OCV标定难度，极大的缩短了锂离子电池的SOC-OCV标定时间，提升设备的使用效率。进一步地，本发明中的锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法尤其针对三元锂离子电池进行标定，不仅缩短了三元锂离子电池SOC-OCV的测试周期，而且本发明中的标定方法可以忽略标定电流大小的影响。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于包括如下步骤：
S01：将锂电池在25℃温度下，以0.3-0.5C充电至上限电压4.1-4.2V，充电截止电流为0.01-0.03C；
S02：将S01中的满电电池在-20℃-45℃环境中静置2-4h，记录当前的OCV值V0，然后以放电倍率0.33-1C放电至设定的放电电压，该放电电压比上限电压低0.05-0.15V，记录当前的放电容量C1，静置1h后，记录当前的OCV值V1；
S03：在当前温度下继续将S02处理后的电池以放电倍率0.33-1C放电至比S02中设定的放电电压低0.05-0.15V，记录当前的放电容量C2，静置1h后，记录当前的OCV值V2；
S04：在当前温度下重复将上一步骤中处理后的电池以放电倍率0.33-1C放电至设定的放电电压，每一步骤中设定的放电电压均比上一步骤中的放电电压低0.05-0.15V，记录每一步放电后所对应的放电容量Cx，每一步放电后均静置1h，然后记录当前的OCV值Vx；
S05：将上述步骤中得到的OCV值Vx对应的电池容量换算为SOC值SOCx， SOC0=1，SOCx=1-Cx/Cn，其中0＜x≤n，n为整数；
S06：进行SOC-OCV关系的数据拟合，拟合方程式为
Vx=V0+A1×SOCx+A2×SOCx 2+A3×SOCx 3+A4×SOCx 4+A5×SOCx 5+ A6×SOCx 6，其中0＜x≤n，n为整数；其中A1、A2、A3、A4、A5、A6为待拟合参数；根据上述拟合结果得到SOC-OCV数据曲线。
2.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：所述锂离子电池为三元锂离子电池。
3.如权利要求2所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：所述锂离子电池为Ni-Co-Mn三元锂离子电池。
4.如权利要求2所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：所述锂离子电池为圆柱形18650电池，其电池容量为2.15Ah、2.4Ah、2.75Ah中的一种。
5.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：S01中，上限电压为4.1V、4.15V、4.2V中的一个值。
6.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：S02中，满电电池静置的环境温度为-20℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、45℃中的一个值。
7.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：所述放电倍率为0.33C、0.5C、1C中的一个值。
8.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：S04中，所述设定的放电电压最低为2.75V。
9.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：S05中，n=14。
10.如权利要求1所述锂离子电池SOC-OCV曲线的标定方法，其特征在于：S02、S03、S04中，每一步骤中设定的放电电压均比上一步骤中的放电电压低0.1V。
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