CN110208708A - 一种采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，获取被测电池常温倍率放电的电压‑时间实验数据，根据被测电池的参数建立被测电池的三维电化学‑热耦合模型，并进行常温倍率放电仿真获取常温倍率放电的电压‑时间仿真数据，比较被测电池的电压‑时间实验数据与三维电化学‑热耦合模型的电压‑时间仿真数据对三维电化学‑热耦合模型进行修正得到修正后的三维电化学‑热耦合模型，利用修正后的三维电化学‑热耦合模型，设置被测电池的初始电压、充放电停止条件与计算时间，采用二分法进行极限充放电仿真；通过仿真测试极限充放电电流，不仅缩短测试时间，而且节约实验成本。
Description
技术领域
本发明属于锂电池管理技术领域，具体涉及一种采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法。
背景技术
随着科技的不断发展以及环境和能源危机的不断加重，新能源汽车的应用也越来越广泛。动力电池是新能源汽车中常用的动力来源，是汽车中最重要的部件之一，动力电池性能的好坏直接影响汽车的续航能力和安全性。电动汽车在急加速或急刹车时，需要电池在短时间内放出或吸收很大的功率，将导致流过电池的电流瞬间增大或减小，有可能引起电池的过充、过放等滥用行为。为了实现电池冲放电功率的优化管理，需要准确估计电池的极限冲放电电流，以及时对电池的冲放电电流进行限制，防止电池发生过充或过放。电池的极限充放电电流一般用一段时间内(如10s)电池能充入或放出的最大电流来表示。
目前电池极限冲放电电流的确定方法主要有两种，一种是实验测试方法，对电池进行不同温度和不同荷电状态下的充放电测试，得到电池在不同状态下的极限充放电电流，这种方法需要的实验量很大，实施起来需要的测试资源很多，此外还受电池一致性的影响。另外一种方法是基于模型的估计方法，如中国发明专利(申请号201611201357.1)提出了一种基于扩展等效电路模型的电池极限充放电电流估计方法，此方法的主要思路是比较等效电路模型计算得到的电池电压与截止电压，放电若小于截止电压就减小电流，反之就增大电流，充电则与之相反。此种方法，充电与放电各需要一个模型；此外，电流增大与减小的程度没有具体的控制方法，会影响估计效率。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种既能缩短测试时间又能节约实验成本的采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，既可用于充电极限电流仿真，也可用于放电极限电流仿真。
为实现上述目的，本发明所设计的采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，包括如下步骤：
S1)获取被测电池常温倍率放电的电压-时间实验数据，并在恒温箱中对被测电池进行不同温度下的SOC-OCV实验，获取被测电池在不同温度下的SOC-OCV实验数据；
S2)根据被测电池的参数建立被测电池的三维电化学-热耦合模型，并进行常温倍率放电仿真获取常温倍率放电的电压-时间仿真数据；
S3)比较步骤S1)中被测电池的电压-时间实验数据与步骤S2)中三维电化学-热耦合模型的电压-时间仿真数据对三维电化学-热耦合模型进行修正得到修正后的三维电化学-热耦合模型；
S4)利用修正后的三维电化学-热耦合模型，设置被测电池的初始电压、充放电停止条件与计算时间，采用二分法进行极限充放电仿真；
其中，被测电池的初始电压为被测电池的开路电压，为步骤S1)SOC-OCV实验数据中测的开路电压OCV值；充电的停止条件为被测电池的电压大于被测电池上限截止电压，放电的停止条件为被测电池的电压小于被测电池下限截止电压；计算时间为实验要求极限充电持续时间t1和实验要求极限放电持续时间t1’，记充电仿真计算停止时实际计算时间为t2和放电仿真计算停止时实际计算时间为t2’，充电时满足t2＝t1的电流I为Imin、满足t2<t1的电流I为Imax，预设的停止标准Imax-Imin<a，充电电流I在[Imin,Imax]之间取值，放电时满足t2’＝t1’的电流I’为Imin’、满足t2’<t1’的电流I’为Imax’，预设的停止标准Imax’-Imin’<a，放电电流I’在[Imin’,Imax’]之间取值。
进一步地，所述步骤S4)中，利用修正后的三维电化学-热耦合模型采用二分法进行极限充电仿真具体过程为：首先预设一个I0进行充电仿真计算，根据计算停止时实际计算时间t2与t1的大小关系，来减小或增大I0，若t2＝t1，则增大I0，直到t2<t1时停止；若t2<t1，则减小I0直到t2＝t1时停止，这些I0值中，最后两个中的较小者为Imin、较大者为Imax；然后将[Imin,Imax]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-1与Imin-1，n+1个I值所对应的t2中最后一个满足t2＝t1的I为新的Imin即Imin-1、第一个满足t2<t1的I为新的Imax即Imax-1；依次重复进行，然后继续将[Imin-1,Imax-1]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-2与Imin-2，直至新的Imax-i与Imin-i满足Imax-i-Imin-i<a停止计算，最后一次得到的Imin-i即为所需状态下充电的极限电流值，n取值为大于等于2的整数；
放电的极限电流值的仿真方法同充电的极限电流值的仿真方法。
进一步地，所述步骤S2)中，参数包括设计参数、电极动力学参数、热物性参数等，设计参数包括被测电池的长、宽、高等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，通过仿真测试极限充放电电流，不仅缩短测试时间，而且节约实验成本；本发明提供的方法只需一个模型，即可用于充电极限电流仿真，也可用于放电极限电流仿真，且采用二分法的思想，极大提高测试效率。
附图说明
图1为本发明采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法流程图；
图2为本发明实施例23度10s极限电流放电仿真结果与实验结果的比较图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示一种采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，包括如下步骤：
S1)获取被测电池常温倍率放电的电压-时间实验数据，并在恒温箱中对被测电池进行不同温度下的SOC-OCV实验，获取被测电池在不同温度下的SOC-OCV实验数据；
S2)根据被测电池的参数建立被测电池的三维电化学-热耦合模型，并进行常温倍率放电仿真获取常温倍率放电的电压-时间仿真数据；其中，参数包括设计参数、电极动力学参数、热物性参数等，设计参数包括被测电池的长、宽、高等；
S3)比较步骤S1)中被测电池的电压-时间实验数据与步骤S2)中三维电化学-热耦合模型的电压-时间仿真数据对三维电化学-热耦合模型进行修正得到修正后的三维电化学-热耦合模型；
S4)利用修正后的三维电化学-热耦合模型，设置被测电池的初始电压、充放电停止条件与计算时间，采用二分法进行极限充放电仿真；其中，被测电池的初始电压为被测电池的开路电压，为步骤S1)SOC-OCV实验数据中测的开路电压OCV值；充电的停止条件为被测电池的电压大于被测电池上限截止电压，放电的停止条件为被测电池的电压小于被测电池下限截止电压；计算时间为实验要求极限充电持续时间t1和实验要求极限放电持续时间t1’，记充电仿真计算停止时实际计算时间为t2和放电仿真计算停止时实际计算时间为t2’，且充电时满足t2＝t1的电流I为Imin、满足t2<t1的电流I为Imax，预设的停止标准Imax-Imin<a，充电电流I在[Imin,Imax]之间取值，放电时满足t2’＝t1’的电流I’为Imin’、满足t2’<t1’的电流I’为Imax’，预设的停止标准Imax’-Imin’<a，放电电流I’在[Imin’,Imax’]之间取值
利用修正后的三维电化学-热耦合模型采用二分法进行极限充电仿真具体过程为：利用修正后的三维电化学-热耦合模型采用二分法进行极限充电仿真具体过程为：首先预设一个I0进行充电仿真计算，根据计算停止时实际计算时间t2与t1的大小关系，来减小或增大I0，若t2＝t1，则增大I0，直到t2<t1时停止；若t2<t1，则减小I0直到t2＝t1时停止，这些I0值中，最后两个中的较小者为Imin、较大者为Imax；然后将[Imin,Imax]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-1与Imin-1，n+1个I值所对应的t2中最后一个满足t2＝t1的I为新的Imin即Imin-1、第一个满足t2<t1的I为新的Imax即Imax-1；依次重复进行，然后继续将[Imin-1,Imax-1]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-2与Imin-2，直至新的Imax-i与Imin-i满足Imax-i-Imin-i<a停止计算，最后一次得到的Imin-i即为所需状态(温度与SOC)下充电的极限电流值，本实施例中，n取值为大于等于2的整数；
放电的极限电流值的仿真方法同充电的极限电流值的仿真方法，在此不再赘述。
下面以48Ah三元锂离子电池的23度10s极限电流放电(10％、20％、35％、50％、65％、80％、95％SOC)为例，进行说明。
S1)获取被测电池常温倍率放电的电压-时间实验数据，并在恒温箱中对被测电池进行不同温度下的SOC-OCV实验，获取被测电池在不同温度下的SOC-OCV实验数据；
S2)根据被测电池的参数建立被测电池的三维电化学-热耦合模型，并进行常温倍率放电仿真获取常温倍率放电的电压-时间仿真数据；其中，参数包括设计参数、电极动力学参数、热物性参数等，设计参数包括被测电池的长、宽、高等；
S3)比较步骤S1)中被测电池的电压-时间实验数据与步骤S2)中三维电化学-热耦合模型的电压-时间仿真数据对三维电化学-热耦合模型进行修正得到修正后的三维电化学-热耦合模型；
S4)利用修正后的三维电化学-热耦合模型，设置被测电池的初始电压、充放电停止条件与计算时间，采用二分法进行极限放电仿真；其中，被测电池的初始电压为23度SOC-OCV实验测试得到的OCV值；放电的停止条件为被测电池的电压小于被测电池下限截止电压3v；实验要求极限放电持续时间t1’为10s，记计算停止时实际计算时间为t2’，放电时满足t2’＝t1’的电流I’为Imin’、满足t2’<t1’的电流I’为Imax’，预设的停止标准Imax’-Imin’≤0.5。
以25度50％SOC 10s极限放电电流为例进行具体说明，设置被测电池的初始电压为23度SOC-OCV实验测试得到的50％SOC状态的OCV值3.635V，首先通过尝试找到一个Imin与Imax，分别为470A与502A；然后I在[470、502]之间取值，把[470、502]均分为4份得到5个I值：470、478、486、494、502，依次对这5个I值进行仿真计算，得到停止计算时实际计算时间t2’分别为10s、10s、10s、9s、8s，判断得出新的Imin与Imax分别为486A、494A；然后I在[486、494]之间取值，把[486、494]均分为4份得到5个I值：486、488、490、492、494，依次对这5个I值进行仿真计算，得到停止计算时实际计算时间t2’分别为10s、10s、9s、9s、9s,判断得出新的Imin与Imax分别为488A、490A；然后I在[488、490]之间取值，把[488、490]均分为4份得到5个I值：488、488.5、489、489.5、490，依次对这5个I值进行仿真计算，得到停止计算时实际计算时间t2’分别为10s、10s、10s、9s、9s,判断得出新的Imin与Imax分别为489A、489.5A，此时Imax-Imin＝0.5,满足预设的停止标准，停止计算。得到待测电池在25度50％SOC状态下的10s极限放电电流为489A。按照这种方法，依次计算得到待测电池在23度其它SOC状态下的10s极限放电电流。
图2为实施例23度10s放电的极限电流仿真结果与实验结果的比较图，两者结果基本一致，因此，通过仿真测试极限充放电电流，不仅缩短测试时间，而且节约实验成本；另外，本发明提供的方法既可用于充电极限电流仿真，也可用于放电极限电流仿真。
Claims (3)
1.一种采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1)获取被测电池常温倍率放电的电压-时间实验数据，并在恒温箱中对被测电池进行不同温度下的SOC-OCV实验，获取被测电池在不同温度下的SOC-OCV实验数据；
S2)根据被测电池的参数建立被测电池的三维电化学-热耦合模型，并进行常温倍率放电仿真获取常温倍率放电的电压-时间仿真数据；
S3)比较步骤S1)中被测电池的电压-时间实验数据与步骤S2)中三维电化学-热耦合模型的电压-时间仿真数据对三维电化学-热耦合模型进行修正得到修正后的三维电化学-热耦合模型；
S4)利用修正后的三维电化学-热耦合模型，设置被测电池的初始电压、充放电停止条件与计算时间，采用二分法进行极限充放电仿真；
其中，被测电池的初始电压为被测电池的开路电压，为步骤S1)SOC-OCV实验数据中测的开路电压OCV值；充电的停止条件为被测电池的电压大于被测电池上限截止电压，放电的停止条件为被测电池的电压小于被测电池下限截止电压；计算时间为实验要求极限充电持续时间t1和实验要求极限放电持续时间t1’，记充电仿真计算停止时实际计算时间为t2和放电仿真计算停止时实际计算时间为t2’，充电时满足t2＝t1的电流I为Imin、满足t2<t1的电流I为Imax，预设的停止标准Imax-Imin<a，充电电流I在[Imin,Imax]之间取值，放电时满足t2’＝t1’的电流I’为Imin’、满足t2’<t1’的电流I’为Imax’，预设的停止标准Imax’-Imin’<a，放电电流I’在[Imin’,Imax’]之间取值。
2.根据权利要求1所述采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，其特征在于：所述步骤S4)中，利用修正后的三维电化学-热耦合模型采用二分法进行极限充电仿真具体过程为：首先预设一个I0进行充电仿真计算，根据计算停止时实际计算时间t2与t1的大小关系，来减小或增大I0，若t2＝t1，则增大I0，直到t2<t1时停止；若t2<t1，则减小I0直到t2＝t1时停止，这些I0值中，最后两个中的较小者为Imin、较大者为Imax；然后将[Imin,Imax]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-1与Imin-1，n+1个I值所对应的t2中最后一个满足t2＝t1的I为新的Imin即Imin-1、第一个满足t2<t1的I为新的Imax即Imax-1；依次重复进行，然后继续将[Imin-1,Imax-1]均分为n份获得n+1个电流值，对这n+1个电流值依次进行充电仿真，根据每个电流值充电仿真持续时间t2与t1的大小关系，判断得出新的Imax-2与Imin-2，直至新的Imax-i与Imin-i满足Imax-i-Imin-i<a停止计算，最后一次得到的Imin-i即为所需状态下充电的极限电流值，n取值为大于等于2的整数；
放电的极限电流值的仿真方法与充电的极限电流值的仿真方法相同。
3.根据权利要求1所述采用二分法仿真锂离子电池极限充放电电流的方法，其特征在于：所述步骤S2)中，参数包括设计参数、电极动力学参数、热物性参数等，设计参数包括被测电池的长、宽、高等。
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