CN110031777A - 一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，包含如下步骤：S1、针对目标锂离子电池，获取电池基准曲线数据、电池标称容量Capinitial；S2、对锂离子电池基准曲线数据进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；S3、对电池包充电曲线进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；S4、根据S2和S3步骤中得到的数据，逐一计算出电池包中所有单体电池的阻值。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；只需要提前获取到电池SOC‑OCV曲线数据、电池标称容量，不需要额外测试电池参数；电池组中所有单体电池的所有单体电池的阻值都可实时得出；电池阻值的计算控制在电池同一荷电状态下，误差小。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法。
背景技术
本发明与电池组中所有单体电池的阻值有关，特别是由多个单体电池相串联所构成的电池组中的所有单体电池的阻值。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。电池的有效容量与电池持续工作时间有关，电池阻值与电池瞬间充放电能力密切相关，另外在串联成组的电池包中，单体电池阻值分布与电池包的一致性紧密相关。
锂离子电池的阻值是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。电池内阻大，(在电池正常使用过程中)会产生大量焦耳热(根据公式：E＝I2RT)引起电池温度升高，导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重影响。电池阻值受电池处于的荷电状态(SOC)的影响较大，当无法保证在绝对同一SOC下时，计算出来的阻值无法与历史阻值进行联合分析电池的衰老情况，影响电池运行安全。
中国发明专利(专利号：CN104330636A，专利名称：一种锂离子电池直流内阻推测方法)，该专利通过对一个样板电池做出来直流电阻和交流电阻的测试，并找出其中的关联函数；之后只需要对待测电池作一次交流电阻的测试，就可推算出了其直流电阻，而不需要进行实际测试，从而减少了一次放电。这个方法对于多电芯的电池组，误差太大，并不合适。
中国发明专利(专利号：CN109188292A，专利名称：一种锂离子电池的直流内阻推算方法及系统)，该专利将锂离子电池在多个实验温度下进行直流内阻测试得到对应的直流内阻，结合阿伦尼乌斯方程建立不同温度下对于的直流内阻在模型，推算在任一温度点电池的直流内阻值。该方法需要进行大量测试，而且不能实时的计算出锂离子电池的直流内阻值大小，实用性较差。
中国发明专利(专利号：CN109270353A，专利名称：用于储能系统的内阻、连接内阻和纹波的测量方法和装置)，该专利将幅度、频率、占空比已知的直流或交流电流信号施加于待测的储能系统中，测试储能系统中的连接器及线缆针对电流信号的电压响应信号，计算出储能系统的内阻、连接电阻和纹波。该方法需要外加大电流信号，容易对电池产生不必要的伤害，而且无法得到单体电池的内阻，实用性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电池正常工作中的充电曲线，处理后提取特征值参数，带入模型进行计算，完成实时计算电池包中所有单体电池的阻值。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，包含如下步骤：
S1、针对目标锂离子电池，获取电池基准曲线数据、电池标称容量Capinitial；
S2、对锂离子电池基准曲线数据进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；
S3、对电池包充电曲线进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；
S4、根据S2和S3步骤中得到的数据，逐一计算出电池包中所有单体电池的阻值。
其中，所述步骤S1中所述的电池基准曲线数据可以是从厂家获取电池SOC-OCV曲线数据，也可以是自己标定的电池SOC-OCV曲线数据。
其中，所述步骤S2中所述对锂离子电池基准曲线数据进行处理，记录特征值位置电池的容量或充电容量：根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据，求取出以SOC为横坐标的容量增量曲线，计算公式为 提取出特征值，特征值位置是容量增量曲线中的极大值位置，并记录特征值位置对应的电压V和电流I；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取以电压为横坐标的d2Q/dV2曲线，计算公式为提取特征值，特征值位置是的位置，并记录特征值位置对应的电压V和电流I；Q＝SOC*Capinitial；
其中：Q为电池的容量，dQ为容量的微分，d2Q为容量的二阶微分,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，dV2为电压的二阶微分，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，ΔQk-1＝Qk-1-Qk-2，ΔVk-1＝Vk-1-Vk-2。
其中，所述S3步骤对电池包充电曲线进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流具体为：提取在电池包充电过程中满足ΔV≥X条件的数据。根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据利用容量增量分析法，通过对容量增量曲线提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取d2Q/dV2曲线，提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流；特征值对应的电压和电流包括第1个特征值位置的电压V1j，电流I1j和第2个特征值位置的电压V2j和电流I2j，其中：V1j为第1个特征值位置第j号单体电池电压，I1j为第1个特征值位置第j号单体电池电流，V2j为第2个特征值位置第j号单体电池电压，I2j为第2个特征值位置第j号单体电池电流。
其中，所述步骤S4中根据S2和S3步骤中得到的数据，逐一计算出电池包中所有单体电池的阻值的计算公式为：
Resj＝((V1j-V1)/(I1j-I1)+(V2j-V2)/(I2j-I2))/2；
其中：Resj为为第j号单体电池本次充电曲线线数据对应的阻值，V1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电压，I1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电流，V2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V2为的基准曲线数据第2个特征峰值位置的电压，I2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I2为基准曲线数据第2个特征峰值位置的电流。
其中，所述X的取值范围为1mV≤X≤5mV。
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SOC-OCV曲线数据中SOC取值密度在0.1％～5％之间，包含0.1％和5％
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.只需要提前获取到电池SOC-OCV曲线数据或者一条历史充电曲线、电池标称容量，不需要额外测试电池参数；3.电池组中所有单体电池的所有单体电池的阻值都可实时得出；4.电池阻值的计算控制在电池同一荷电状态下，误差小。
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基准曲线的容量增量曲线；
图3是磷酸铁锂锂离子电池充电数据的容量增量曲线；
图4是三元锂离子电池基准曲线的容量增量曲线和d2Q/dV2曲线；
图5是三元锂离子电池充电数据的容量增量曲线和d2Q/dV2曲线；
图6是电池包中所有单体电池阻值分布图。
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。
图1为本发明流程图。电池包的中电池可以是磷酸铁锂电池或三元材料电池；电池包可以是由多个电芯先并联后再串联的电池包系统。针对目标锂离子电池，获取电池基准曲线数据、电池标称容量Capinitial。该锂离子电池基准曲线数据可以是从厂家获取电池SOC-OCV曲线数据，也可以是自己测量的SOC-OCV曲线数据。SOC取值密度在0.1％～5％之间，包含0.1％和5％。对曲线数据进行处理，根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据利用容量增量分析法，通过对容量增量曲线提取特征值，并记录特征值位置对应的电压V和电流I；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取d2Q/dV2曲线，提取特征值，并记录特征值位置对应的电压V和电流I。
其中：Q＝SOC*Capinitial。
对于磷酸铁锂电池的基准曲线数据进行处理，采取五点三次平滑滤波法(通过选取要进行平滑滤波位置前后各2个数据,总共5个数据，采用3阶多项式进行拟合，求取平滑滤波后的数值)求取出该位置的容量增量值，计算公式为 并以SOC为横坐标，容量增量值为纵坐标绘制出容量增量曲线，提取出特征值，特征值位置是容量增量曲线中的极大值位置；对于三元电池的基准曲线数据进行处理，采取五点三次平滑滤波法(通过选取要进行平滑滤波位置前后各2个数据,总共5个数据，采用3阶多项式进行拟合，求取平滑滤波后的数值)求取d2Q/dV2值，，计算公式为并以电压为横纵标，d2Q/dV2为纵坐标，绘制成特征曲线，提取出特征值，特征值位置是的位置。对于磷酸铁锂或者三元电池，在SOC大于20％，小于100％的区间，其曲线的特征值都为2个。记录第1个特征值位置的电压V1和电流I1，第2个特征值位置的电压V2和电流I2。其中：在SOC-OCV曲线中I1和I2数值为零。Q为电池的容量，dQ为容量的微分，d2Q为容量的二阶微分,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，dV2为电压的二阶微分，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，ΔQk-1＝Qk-1-Qk-2，ΔVk-1＝Vk-1-Vk-2。
提取在电池包充电过程中满足ΔV≥X条件的数据。数据包括所有单体电池的电压值，电池包的充电电压，电流，时间等。X的取值范围为1mV≤X≤5mV。根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据利用容量增量分析法，通过对容量增量曲线提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取d2Q/dV2曲线，提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流。记录下所有电池曲线的第1个特征值位置的电压V1j和电流I1j，记录下所有电池曲线的第2个特征值位置的电压V2j和电流I2j，其中：V1j为第1个特征值位置第j号单体电池电压，I1j为第1个特征值位置第j号单体电池电流，V2j为第2个特征值位置第j号单体电池电压，I2j为第2个特征值位置第j号单体电池电流。
计算出所有单体电池本次充电曲线数据对应的阻值，计算公式为：
Resj＝((V1j-V1)/(I1j-I1)+(V2j-V2)/(I2j-I2))/2；
其中：Resj为为第j号单体电池本次充电曲线线数据对应的阻值，V1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电压，I1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电流，V2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V2为的基准曲线数据第2个特征峰值位置的电压，I2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I2为基准曲线数据第2个特征峰值位置的电流。
实例1：
目标锂离子电池是CATL的磷酸铁锂电池，电池基准曲线数据使用的是SOC-OCV关系曲线数据，数据间隔是ΔSOC＝0.1％。每一个OCV点对应的容量值通过公式：Q＝SOC*180计算得出。
采取五点三次平滑滤波法(通过选取要进行平滑滤波位置前后各2个数据,总共5个数据，采用3阶多项式进行拟合，求取平滑滤波后的数值)求取SOC-OCV关系数据的容量增量曲线，得到的容量增量曲线。如图2中dQ/dV点画线所示，图2是以SOC为横坐标，左纵坐标是电池开路电压OCV，右纵坐标是dQ/dV，第1个特征值位置为图2中的A点位置，对应的电压V1＝3.202V，电流I1＝0，电流第2个特征值位置为图2中的B点位置，对应的电压V2＝3.237V，电流I2＝0；
目标锂离子电池组装的电池包，由240个单体电池串联组成的商业化储能系统，图3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，充电前期的电池包SOC为20％。
充电完成后。提取充电数据中ΔV≥1mV的数据，数据包括每一个单体电池的电压值、电流值和充电电量值，对每一个单体电池的电压值和充电电量值采用五点三次平滑滤波方法求取容量增量曲线，电池包中第1号单体电池的容量增量曲线如图3所示，图3是以SOC为横坐标，左纵坐标是电池电压，右纵坐标是dQ/dV，图中第1个特征值位置为图3中的C点位置，对应电压电流为V11＝3.358V，I11＝63，图中第2个特征值位置为图3中的D点位置，对应的电压电流为V21＝3.393V，I21＝63A；
计算电池包1号单体电池的阻值：
同样的计算方法计算出电池包中第2号单体电池到第240号单体电池的阻值，并把所有的单体电池阻值分别绘制成直方分布图，如图6是电池包中所有单体电池阻值分布图。由此，可在电池组正常充电过程中，不需要额外测试电池参数的情况下快速得到每个单体电池的阻值。
实例2：
目标锂离子电池是力神的21700三元电池，电池基准曲线数据使用的是SOC-OCV关系曲线数据，数据间隔是ΔSOC＝2％。每一个OCV点对应的容量值通过公式：Q＝SOC*4.5计算得出。
采取五点三次平滑滤波方法求取SOC-OCV关系数据的容量增量曲线和d2Q/dV2曲线，得到的容量增量曲线如图4中的dQ/dV点画线所示，d2Q/dV2曲线如图4的虚线所示，图4是以开路电压OCV为横坐标，左纵坐标是电池SOC，右第1个纵坐标是dQ/dV，右第2个纵坐标是d2Q/dV2，图中第1个特征值位置为图4中的E点位置，对应的电压V1＝3.661V，电流I1＝0，图中第2个特征值位置为图4中的F点位置，对应的电压V2＝3.887V，电流I2＝0。
目标锂离子电池以1C，4.5A电流进行恒流充电至电压达到4.2V，即停止充电，充电前期的电池包SOC为15％。
充电完成后。提取充电数据中ΔV≥3mV的数据，数据包括每一个单体电池的电压值、电流值和充电电量值，对每一个单体电池的电压值和充电电量值采用五点三次平滑滤波方法求取容量增量曲线和d2Q/dV2曲线，该电池的充电数据的容量增量曲线和d2Q/dV2曲线如图5所示，图5是以电压为横坐标，左纵坐标是电池SOC，右第1个纵坐标是dQ/dV，右第2个纵坐标是d2Q/dV2，图中第1个特征值位置为图5中的H点位置，对应电压电流为V11＝3.816V，I11＝4.5A，图中第2个特征值位置为图5中的M点位置，对应的电压电流为V21＝4.047V，I21＝4.5A；
计算电池包1号单体电池的阻值：
同样的计算方法计算出电池包中其它单体电池的阻值。由此，可在电池组正常充电过程中，不需要额外测试电池参数的情况下快速得到每个单体电池的阻值。
实例3：
目标锂离子电池是国轩高科的软包三元电池，标称容量为Capinitial＝15Ah，由32个电芯通过2并16串组成电池包，电池基准曲线数据使用的是自己标定的SOC-OCV曲线数据，数据间隔是ΔSOC＝3％。Q＝SOC*30Ah计算得出。
采取五点三次滤波方法求取SOC-OCV关系数据的容量增量曲线和d2Q/dV2曲线，第1个特征值位置对应的电压V1＝3.54V，电流I1＝0，第2个特征值位置对应的电压V2＝3.723V，电流I2＝0。
目标锂离子电池组装的电池包，目标锂离子电池以15A电流进行恒流充电至任一单体电池电压达到4.2V，即停止充电，充电前期的电池包SOC为13％。
充电完成后。提取充电数据中ΔV≥2mV的数据，数据包括每一个单体电池的电压值、电流值和充电电量值，剔除掉SOC小于15％的数据后，对每一个单体电池的电压值和充电电量值采用五点三次平滑滤波法求取容量增量曲线和d2Q/dV2曲线，并记录每一个单体电池第1个特征值位置的充电电压和充电电流值和第2个特征值位置的充电电压和充电电流值，其中第1号单体电池第1个特征值位置对应的电压和电流为V11＝3.616V，I11＝15A，其中第1号单体电池第2个特征值位置对应的电压和电流为V21＝3.811V，I21＝15A；
计算电池包中第1号单体电池的阻值：
同样的计算方法计算出电池包中其它单体电池的阻值。由此，可在电池组正常充电过程中，不需要额外测试电池参数的情况下快速得到每个单体电池的阻值。
实施例4：
实施案例4与实施案例3类似，不同的是，SOC的数据间隔是ΔSOC＝5％，数据提取条件可以是ΔV≥5mV条件的数据，再利用前述公式方法逐一计算出电池包中单体电池阻值。
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)
1.一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：包含如下步骤：
S1、针对目标锂离子电池，获取电池基准曲线数据、电池标称容量Capinitial；
S2、对锂离子电池基准曲线数据进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；
S3、对电池包充电曲线进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流；
S4、根据S2和S3步骤中得到的数据，逐一计算出电池包中所有单体电池的阻值。
2.如权利要求1所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述步骤S1中所述的电池基准曲线数据可以是从厂家获取电池SOC-OCV曲线数据，也可以是自己标定的电池SOC-OCV曲线数据。
3.如权利要求1所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述步骤S2中所述对锂离子电池基准曲线数据进行处理，记录特征值位置电池的容量或充电容量：根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据，求取出以SOC为横坐标的容量增量曲线，计算公式为 提取出特征值，特征值位置是容量增量曲线中的极大值位置，并记录特征值位置对应的电压V和电流I；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取以电压为横坐标的d2Q/dV2曲线，计算公式为提取特征值，特征值位置是的位置，并记录特征值位置对应的电压V和电流I；Q＝SOC*Capinitial；
其中：Q为电池的容量，dQ为容量的微分，d2Q为容量的二阶微分,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，dV2为电压的二阶微分，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，ΔQk-1＝Qk-1-Qk-2，ΔVk-1＝Vk-1-Vk-2。
4.如权利要求1所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述S3步骤对电池包充电曲线进行处理，记录特征值位置电池的电压和电流具体为：提取在电池包充电过程中满足ΔV≥X条件的数据。根据电池材料类型，对于磷酸铁锂电池取SOC大于20％的数据利用容量增量分析法，通过对以SOC为横坐标的容量增量曲线提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流；对于三元材料电池，取SOC大于20％的数据求取以电压为横坐标的d2Q/dV2曲线，提取特征值，并记录特征值位置对应的电压和电流；特征值对应的电压和电流包括第1个特征值位置的电压V1j，电流I1j和第2个特征值位置的电压V2j和电流I2j，其中：V1j为第1个特征值位置第j号单体电池电压，I1j为第1个特征值位置第j号单体电池电流，V2j为第2个特征值位置第j号单体电池电压，I2j为第2个特征值位置第j号单体电池电流。
5.如权利要求1和4所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述步骤S4中根据S2和S3步骤中得到的数据，逐一计算出电池包中所有单体电池的阻值的计算公式为：
Resj＝((V1j-V1)/(I1j-I1)+(V2j-V2)/(I2j-I2))/2；
其中：Resj为为第j号单体电池本次充电曲线线数据对应的阻值，V1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电压，I1j为第1个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I1为基准曲线数据第1个特征峰值位置的电流，V2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电压，V2为的基准曲线数据第2个特征峰值位置的电压，I2j为第2个特征峰值位置第j号单体电池的电流，I2为基准曲线数据第2个特征峰值位置的电流。
6.如权利要求4所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述X的取值范围为1mV≤X≤5mV。
7.如权利要求1所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，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。
8.如权利要求2所述的一种快速得到电池包中所有单体电池阻值的方法，其特征在于：所述SOC-OCV曲线数据中SOC取值密度在0.1％～5％之间，包含0.1％和5％。
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