CN110031771A - 一种描述电池一致性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种描述电池一致性的方法，其包含如下步骤：S1、对目标锂离子电池中所有单体电池的实时充电曲线，进行曲线处理，提取所有单体电池的特征值，并记录特征值对应点的充电容量；S2、将S1得到的特征值对应点的充电容量作为算法模型输入参量，计算出电池包中所有单体电池SOC分布值；S3、将S2中得到的电池包中所有单体电池SOC分布值作为电池一致性描述输入参量，对电池一致性进行描述。与现有技术相比，本发明方法在电池组正常充电过程中适用，不影响电池工作输入输出；不需要对电池进行测试获得任何参数；在电池包全生命工作期间内，都可以实时实现对电池一致性进行描述。

Description

一种描述电池一致性的方法
技术领域
本发明涉及一种描述电池一致性的方法，特别是通过在线计算单体电池SOC 分布值描述电池包一致性的方法。
背景技术
本发明与电池包的一致性计算方法有关，特别是通过SOC分布值在线计算由多个单体电池相串联所构成的电池包的一致性。锂离子电池因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已经在电动汽车领域、电化学储能领域、3C电子产品等领域得到广泛的应用。
一致性是电池众多性能的表现形式之一，电池的一致性主要是指同一规格型号的单体电池组组成电池组后，其电压、荷电状态、容量及其衰减率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。根据不一致性的原因以及电池性能的影响方式，可以把电池分为容量一致性、内阻一致性和电压一致性。在电池组的使用过程中，电池的一致性会越来越差，严重影响电池组的寿命与安全。例如某些电池单体可能会发生过充电或过放电，使得电池组其它电池在使用过程中无法充分利用，造成容量利用率降低、使用寿命缩短数倍甚至十几倍，导致整个电池组提前失效，进一步可能会引发安全问题。
中国发明专利(专利号：CN 108732510 A，专利名称：基于内部特征的锂离子电池一致性筛选分组方法)，该专利通过锂离子电池电化学模型进行参数辨识，得到电化学模型参数的多条电压曲线，提取特征向量，利用权重修正敏感参数特征向量，得到修正后的矩阵，根据该矩阵和聚类算法得到电池的分类数以及每个电池单体的分组信息。该方法只能对电池成组前描述电池的一致性，无法适用于在线计算电池的一致性。
中国发明专利(专利号：CN109143106A，专利名称：一种通过交流阻抗测试快速检测电池一致性的方法)，该专利通过在电池规定的电压或者容量下进行交流阻抗测试，再利用直流放电法测试方法来测试电池的直流内阻，最后，根据根据电池交流阻抗的平行样数据采集和直流内阻阻值大小计算进行数据处理，分析 Nyquist图谱的重合图，综合评价电池的一致性好坏。该方法只能对电池成组前描述电池的一致性，无法适用于在线计算电池的一致性。
中国发明专利(专利号：CN107907836A，专利名称：一种锂离子动力电池一致性评价方法及系统)，该专利提出基于容量范围、容差、压差和内阻差参数对电池静态一致性评价和通过特定的测试条件，取得电池系统一系列参数来描述电池的动态一致性。该方法需要进行特定的测试来描述电池的一致性，无法适用与在线计算电池的一致性。
发明内容
本发明的目的是基于电池充电曲线，提出一种在线计算电池包中所有单体电池SOC分布值的方法，来描述电池包的一致性，便于对电池组进行精确管理，安全性能更高。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种描述电池一致性的方法，其包含如下步骤：
S1、对目标锂离子电池中所有单体电池的实时充电曲线，进行曲线处理，提取所有单体电池的特征值，并记录特征值对应点的充电容量；
S2、将S1得到的特征值对应点的充电容量作为算法模型输入参量，计算出电池包中所有单体电池SOC分布值；
S3、将S2中得到的电池包中所有单体电池SOC分布值作为电池一致性描述输入参量，对电池一致性进行描述。
其中，所述步骤S1对目标锂离子电池中所有单体电池的实时充电曲线，进行曲线处理，提取所有单体电池的特征值，并记录特征值对应点的充电容量具体步骤为：在电池包充电过程中记录满足ΔV≥X条件的数据；由计算公式为 确定特征值，并记录特征值对应点的充电容量；其中：Q为电池的充电容量，dQ为容量的微分，ΔQk为相邻采样点间容量的差值，V为电池的电压，dV为电压的微分，ΔVk为相邻采样点间电压的差值，对于每个采样点k，ΔQk＝Qk-Qk-1，ΔVk＝Vk-Vk-1；对于磷酸铁锂电池特征值位置是容量增量曲线中值达到最大值的位置，三元电池的特征值位置是指容量增量曲线中值的极大值位置。
其中，所述X的取值范围为1mV≤X≤10mV。
其中，所述S2步骤为以电池包中的某个单体电池i的特征值位置充电容量作为基准点；并记i号单体电池SOC分布值为SOCi＝1，计算其他所有单体电池特征值位置容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，计算公式为ΔQj＝Qj-Qi；其中：ΔQj为第j号单体电池特征值位置的充电容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，Qj为第j号单体电池特征值位置的充电容量，j取值从1开始递增，Q1为第1号单体电池特征值位置的充电容量；计算其他所有单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，计算公式为SOCj＝SOCi+ΔQj/Qa；
其中：SOCj为第j号单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，Qa是电池包的总容量值；
其中，所述目标锂离子电池包含磷酸铁锂电池和三元材料电池。
其中，所述电池包可以是由多个电芯先并联后再串联的电池包系统。
其中，所述某个单体电池i可以是电池包中任何一个单体电池。
其中，所述数据包括所有单体电池的电压值，电池包的充电时间和电池包的充电容量值。
本发明的有益效果在于：1.本发明方法在电池组正常充电过程中适用，不影响电池工作输入输出；2.不需要对电池进行测试获得任何参数；3.在电池包全生命工作期间内，都可以实时实现对电池一致性进行描述；4.本发明方法得出的SOC分布值来描述电池的一致性能与容量一致性较吻合。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是磷酸铁锂锂离子电池容量增量曲线；
图3是三元锂离子电池容量增量曲线；
图4是电池包中所有单体电池SOC分布值直方分布图；
图5是电池包中所有单体电池容量直方分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种描述电池一致性的方法，所述目标锂离子电池包含磷酸铁锂电池和三元材料电池；电池包可以是由多个电芯先并联后再串联的电池包系统。在电池包充电过程中记录满足ΔV≥X条件的数据。数据包括所有单体电池的电压值，电池包的充电时间和电池包的充电容量值等。X的取值范围为1mV≤X≤10mV。利用容量增量分析法，求取出容量增量曲线，计算公式为其中： Q为电池的充电容量，dQ为容量的微分，ΔQk为相邻采样点间容量的差值，V为电池的电压，dV为电压的微分，ΔVk为相邻采样点间电压的差值，对于每个采样点k，ΔQk＝Qk-Qk-1，ΔVk＝Vk-Vk-1；记录特征值位置的充电容量Qj(Qj为第j号单体电池特征值位置充电容量)，磷酸铁锂电池特征值位置是容量增量曲线中值达到最大值的位置，三元电池的特征值是指容量增量曲线中值的极大值位置。
将上述步骤得到的特征值位置充电容量作为算法模型输入参量，计算出电池包中所有单体电池SOC分布值：以电池包中的某个单体电池i的特征值位置充电容量作为基准点；并记i号单体电池SOC分布值为SOCi＝1，计算其他所有单体电池特征值位置容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，计算公式为ΔQj＝ Qj-Qi；其中：ΔQj为第j号单体电池特征值位置的充电容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，Qj为第j号单体电池特征值位置的充电容量，j取值从1开始递增，Q1为第1号单体电池特征值位置的充电容量；计算其他所有单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，计算公式为SOCj＝SOCi+ΔQj/Qa；
其中：SOCj为第j号单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，Qa是电池包的总容量值；
将上述步骤中得到的电池包中所有单体电池SOC分布值作为电池一致性描述输入参量，对电池一致性进行描述。
实施例1
目标锂离子电池是CATL的磷酸铁锂电池，该单体电池组装的电池包，是由 240个单体电池串联组成的商业化储能系统，总容量Q＝40Ah，图2的充电数据条件是电池包在以0.35C，63A电流进行恒流充电至任一个单体电池电压达到3.6V，即停止充电。在电池包充电过程中记录满足ΔV≥1mV条件的数据。对电池包中各单体电池求取充电数据处理成容量增量曲线，第1、10、24、69号单体电池的容量增量曲线如图2所示，图2是以充电容量为横坐标，容量增量dQ/dV为纵坐标，图中A点为第1号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为22.6Ah，图中B点为第10号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为20.4Ah，图中C点为第24号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为17.3Ah，图中D点为第69号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为16.1Ah。
以第10号单体电池的特征点位置作为充电容量基准点位置，并记10号电池 SOC分布值为SOC10＝1，则第1号单体电池SOC分布值为 同样方法计算出第24号单体电池电池SOC分布值为0.982，同样方法计算出第69号单体电池电池SOC分布值为0.976，表1中为具体的计算数值。同样的计算方法计算出电池包中其他的单体电池的SOC分布值，并绘制成直方分布图，如图4所示，并通过求得的所有单体电池的SOC分布值来描述电池的一致性。图5是电池包中所有单体电池容量直方分布图。比较图4和图 5可得出通过该发明方法得出的SOC分布值来描述电池的一致性能与容量一致性相吻合。
表1.磷酸铁锂锂离子电池包中部分单体电池的SOC分布值
单体电池序号 特征值位置充电容量(Ah) SOC分布值
1 22.6 1.012
10 20.4 1
24 17.3 0.982
69 16.1 0.976
实例2：
目标锂离子电池是力神的21700三元锂离子电池，该单体电池组装的电池包，是由16个电芯通过串联组成的，总容量Q＝4.5Ah，图2的充电数据条件是电池包在以0.35C，63A电流进行恒流充电至任一个单体电池电压达到4.2V，即停止充电。在电池包充电过程中记录满足ΔV≥5mV条件的数据。对电池包中各单体电池求取充电数据处理成容量增量曲线，第1、5、12、16号单体电池的容量增量曲线如图 3所示，图3是以充电容量为横坐标，容量增量dQ/dV为纵坐标，图中E点为第1 号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为2.41Ah，图中F点为第5号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为2.26Ah，图中G点为第12号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为2.63Ah，图中H点为第16号单体电池的特征点位置，对应的充电容量为2.11Ah。
以第1号单体电池的特征点位置作为基准点位置，并记1号电池SOC分布值为SOC1＝1，则第5号单体电池SOC分布值为： SOC5＝SOC1+(Q5-Q1)/Q＝1+(2.26-2.41)/4.5＝0.967，同样方法计算出第12号单体电池电池SOC分布值为1.048，同样方法计算出第16号单体电池电池SOC分布值为 0.933，表2中为具体的计算数值。同样的计算方法计算出电池包中其他的单体电池的SOC分布值，并通过求得的所有单体电池的SOC分布值来描述电池的一致性。
表2.三元锂离子电池包中部分单体电池的SOC分布值
单体电池序号 特征值位置充电容量(Ah) SOC分布值
1 2.41 1
5 2.26 0.997
12 2.63 1.048
16 2.11 0.933
实例3：
实施案例3与实施案例1、实施案例2不同的是，除了实施案例1、实施案例 2中所阐述的技术方案外，目标锂离子电池包是由多个电芯通过多并多串组成的电池包系统，例如2并20串、4并100串、5并40串，该方法同样适用多并多串组成的电池包系统。数据记录条件可以是ΔV≥10mV条件的数据。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种描述电池一致性的方法，其特征在于：其包含如下步骤：
S1、对目标锂离子电池中所有单体电池的实时充电曲线，进行曲线处理，提取所有单体电池的特征值，并记录特征值对应点的充电容量；
S2、将S1得到的特征值对应点的充电容量作为算法模型输入参量，计算出电池包中所有单体电池SOC分布值；
S3、将S2中得到的电池包中所有单体电池SOC分布值作为电池一致性描述输入参量，对电池一致性进行描述。
2.如权利要求1所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述步骤S1对目标锂离子电池中所有单体电池的实时充电曲线，进行曲线处理，提取所有单体电池的特征值，并记录特征值对应点的充电容量具体步骤为：在电池包充电过程中记录满足ΔV≥X条件的数据；由计算公式为确定特征值，并记录特征值对应点的充电容量；其中：Q为电池的充电容量，dQ为容量的微分，ΔQk为相邻采样点间容量的差值，V为电池的电压，dV为电压的微分，ΔVk为相邻采样点间电压的差值，对于每个采样点k，ΔQk＝Qk-Qk-1，ΔVk＝Vk-Vk-1；对于磷酸铁锂电池特征值位置是容量增量曲线中值达到最大值的位置，三元电池的特征值位置是指容量增量曲线中值的极大值位置。
3.如权利要求2所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述X的取值范围为1mV≤X≤10mV。
4.如权利要求1所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述S2步骤为以电池包中的某个单体电池i的特征值位置充电容量作为基准点；并记i号单体电池SOC分布值为SOCi＝1，计算其他所有单体电池特征值位置容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，计算公式为ΔQj＝Qj-Qi；其中：ΔQj为第j号单体电池特征值位置的充电容量相对i号单体电池特征值位置容量的差值，Qj为第j号单体电池特征值位置的充电容量，j取值从1开始递增，Q1为第1号单体电池特征值位置的充电容量；计算其他所有单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，计算公式为SOCj＝SOCi+ΔQj/Qa；
其中：SOCj为第j号单体电池相对第i号单体电池的SOC分布值，Qa是电池包的总容量值。
5.如权利要求1所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述目标锂离子电池包含磷酸铁锂电池和三元材料电池。
6.如权利要求1所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述电池包可以是由多个电芯先并联后再串联的电池包系统。
7.如权利要求4所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述某个单体电池i可以是电池包中任何一个单体电池。
8.如权利要求2所述的一种描述电池一致性的方法，其特征在于：所述数据包括所有单体电池的电压值，电池包的充电时间和电池包的充电容量值。
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