CN111175661A

CN111175661A - 一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法及系统

Info

Publication number: CN111175661A
Application number: CN202010107093.3A
Authority: CN
Inventors: 耿萌萌; 杨凯; 范茂松; 阮一钊; 张明杰; 刘皓; 高飞
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2020-05-19

Abstract

本发明公开了一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法及系统，属于锂离子电池技术领域。本发明方法，包括：对一次静置后的锂离子电池以预设充电倍率的电流进行充电至截止电压；对二次静置后的锂离子电池以预设放电倍率的电流进行放电至截止电压，并获取放电过程中锂离子电池的荷电状态，确定不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗；根据不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗，确定不同荷电状态下的动态阻抗谱图，并根据动态阻抗谱图获取拟合参数；提取拟合参数中的电荷转移电阻，根据电荷转移电阻确定锂离子电池的荷电状态。本发明能够利用电池动态阻抗测试进行荷电状态估算，提高了荷电状态估算的可靠性和准确度，有利于实际工程应用。

Description

一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法及系统

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法及系统。

背景技术

随着能源短缺和环境污染日益严重，新能源汽车发展成为关注焦点，锂离子电池由于其比能量高，循环寿命长，绿色环保等优点，被广泛用于新能源汽车领域。

动力锂离子电池作为新能源汽车的核心，通过新能源汽车的电池管理系统(BMS)对车载动力电池进行有效控制和管理以保障新能源汽车安全可靠行驶，荷电状态(Stateof Charge，SOC)是锂离子电池工作过程中最重要的性能参数之一，精确地估算荷电状态不但能够提高电池的使用寿命，而且还能提高电动汽车的续航能力。

目前，现有技术还没有通过动态阻抗谱估计电池的荷电状态的报道，且现有技术检测效率和估计准确度较低，还有待优化，无法满足快速准确估算动力锂离子电池荷电状态的要求。

发明内容

针对上述问题本发明提出了一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法，包括：

对锂离子电池以第一预设时间于恒温环境中进行一次静置，对一次静置后的锂离子电池以预设充电倍率的电流进行充电至截止电压，以第二预设时间于恒温环境中进行二次静置；

对二次静置后的锂离子电池以预设放电倍率的电流进行放电至截止电压，并获取放电过程中锂离子电池的荷电状态，确定不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗；

根据不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗，确定不同荷电状态下的动态阻抗谱图，并根据动态阻抗谱图获取拟合参数；

提取拟合参数中的电荷转移电阻，根据电荷转移电阻确定锂离子电池的荷电状态。

可选的，获取拟合参数，具体为：

根据动态阻抗谱图建立锂离子电池的等效电路模型，使等效电路模型对动态阻抗谱图中动态阻抗谱进行拟合，获取拟合参数。

可选的，预设充电倍率和预设放电倍率的范围分别为0.1～2C和0.1～5C。

可选的，充电至截止电压和放电至截止电压的截止电压分别为3～5V和1～3V。

可选的，第一预设时间和第二预设时间的范围分别为1～5h和2～4h。

本发明还提出了一种用于确定锂离子电池的荷电状态的系统，包括：

充电模块，对锂离子电池以第一预设时间于恒温环境中进行一次静置，对一次静置后的锂离子电池以预设充电倍率的电流进行充电至截止电压，以第二预设时间于恒温环境中进行二次静置；

放电模块，对二次静置后的锂离子电池以预设放电倍率的电流进行放电至截止电压，并获取放电过程中锂离子电池的荷电状态，确定不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗；

拟合模块，根据不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗，确定不同荷电状态下的动态阻抗谱图，并根据动态阻抗谱图获取拟合参数；

提取模块，提取拟合参数中的电荷转移电阻，根据电荷转移电阻确定锂离子电池的荷电状态。

可选的，获取拟合参数，具体为：

本发明能够对电池进行动态阻抗测试，通过锂离子电池动态特性反映锂离子电池的荷电状态，节约时间的同时，提高了荷电状态估算的可靠性和准确度，有利于实际工程应用。

附图说明

图1为本发明一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法流程图；

图2为本发明一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法锂离子电池放电过程中不同荷电状态下的动态阻抗谱图；

图3为本发明一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法等效电路模型图；

图4为本发明一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法电荷转移电阻与荷电状态的函数关系曲线图；

图5为本发明一种用于确定锂离子电池的荷电状态的系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提出了一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法，如图1所示，包括：

获取拟合参数，具体为：

预设充电倍率和预设放电倍率的范围分别为0.1～2C和0.1～5C。

充电至截止电压和放电至截止电压的截止电压分别为3～5V和1～3V。

第一预设时间和第二预设时间的范围分别为1～5h和2～4h。

下面结合实施例对本发明进行进一步说明：

设定第一预设时间范围为1～5h，恒温环境的温度为-25～60℃，对锂离子电池以第一预设时间于恒温环境中进行一次静置；

对锂离子电池以一定倍率恒流充电至截止电压，静置第二预设时间，充电倍率为0.1～2C，充电截止电压为3～5V，第二预设时间范围为2～4h；

对锂离子电池以一定倍率恒流放电至截止电压，放电过程中每当锂离子电池的SOC值降低设定值后则测试一次电池的动态阻抗；

动态阻抗的测试环境条件为：电流激励模式，频率范围0.1～5000Hz。

设定值为5％～20％，可以理解地，若设定值为10％，则在放电过程中，锂离子电池的SOC值若降低了10％，则在降低10％后测试一次电池的动态阻抗，后续锂离子电池的SOC值每降低10％，就测试一次电池动态阻抗。

其中，SOC(State of Charge),即荷电状态,是指电池剩余容量与其完全充电状态的容量的比值,常用百分数表示，以反映电池的剩余电量情况。

放电倍率为0.1～5C，放电截止电压为1～3V。

获得的电池动态阻抗数据做出不同SOC下的动态阻抗谱，也即Nyqusit图；

根据动态阻抗谱建立锂离子电池的等效电路模型，利用等效电路模型对动态阻抗谱进行拟合得到拟合数据；

对电池动态阻抗进行拟合时采用最小二乘法。

其中，等效电路模型包括电阻和常相位角元件。

提取拟合参数中的电荷转移电阻Rct，并根据电荷转移电阻Rct计算出当前锂离子电池的SOC。

其中，根据电荷转移电阻Rct计算出锂离子电池的SOC的方法为：先作出电荷转移电阻Rct与和SOC的关系曲线，再对该关系曲线进行拟合得到电荷转移电阻Rct与和SOC的函数关系式，然后将电荷转移电阻Rct代入所述关系函数得出锂离子电池的SOC。

下面以额定容量为20Ah的三元锂离子电池为例进行具体说明：

将三元锂离子电池置于25℃的恒温环境中，静置3h，以充电倍率0.3C对其进行恒流充电至截止电压4.2V，然后静置2h；

以放电倍率0.5C对三元锂离子电池恒流放电至截止电压2.75V；

在电池放电过程中，当SOC每降低10％就测试一次电池的动态阻抗，从而最终得到10组动态阻抗数据；

如图2所示，利用上述10组动态阻抗数据做不同SOC下的动态阻抗谱图；

图2中横坐标Z'表示动态阻抗谱的实部，纵坐标Z”表示动态阻抗谱的虚部，100％SOC表示电池SOC达到100％。

如图3所示，根据得到的动态阻抗谱建立等效电路模型，利用最小二乘法对动态阻抗谱进行拟合得到拟合参数。

图3中，Rs表示欧姆电阻，Q1和Q2表示常相位角元件，Rct表示电荷转移电阻；

提取拟合参数中的电荷转移电阻Rct，如图4所示，做出Rct与SOC的关系曲线，并对该关系曲线进行拟合，得到Rct与SOC的函数关系式,该函数关系式如下:

SOC＝-9577.579×Rct+6666.323×〖Rct〗^2-1557.333×〖Rct〗^3+4629.651；

当放电至SOC为46％时，测得Rct为1.1981mΩ，代入上述函数关系式得出SOC＝45.3％，该计算结果的误差仅为0.87％，由此也表明上述估算方法的准确度和可靠性较高。

本发明还提出了一种用于确定锂离子电池的荷电状态的系统200，如图5所示，包括：

充电模块201，对锂离子电池以第一预设时间于恒温环境中进行一次静置，对一次静置后的锂离子电池以预设充电倍率的电流进行充电至截止电压，以第二预设时间于恒温环境中进行二次静置；

放电模块202，对二次静置后的锂离子电池以预设放电倍率的电流进行放电至截止电压，并获取放电过程中锂离子电池的荷电状态，确定不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗，其中，动态阻抗是使用放电模块中动态阻抗测试仪测试得到的不同荷电状态下的动态阻抗。

拟合模块203，根据不同荷电状态下的锂离子电池的动态阻抗，确定不同荷电状态下的动态阻抗谱图，并根据动态阻抗谱图获取拟合参数；

提取模块204，提取拟合参数中的电荷转移电阻，根据电荷转移电阻确定锂离子电池的荷电状态。

获取拟合参数，具体为：

预设充电倍率和预设放电倍率的范围分别为0.1～2C和0.1～5C。

第一预设时间和第二预设时间的范围分别为1～5h和2～4h。

本发明通过测试电池在放电过程中的阻抗，得到电化学动态阻抗谱，再以此为依据建立等效电路模型，利用最小二乘法对数据进行处理，提取电池在放电过程中的电荷转移电阻并建立其与荷电状态的函数关系，提高了荷电状态估算的可靠性，减小了检测误差，缩短了测试时间，数据简单易获得，且可以实现在线检测，利于推广到其他体系的电池。

本发明能够在锂离子电池处于工作状态时对电池进行动态阻抗测试，通过锂离子电池动态特性反映锂离子电池的荷电状态，提高了估算的可靠性和准确度，节约资源的同时，提高了检测效率，便于快速准确估算电池的荷电状态，从而准确获得电池剩余电量，有利于帮助汽车控制系统计算可行驶里程，使得驾驶者可以更好规划行驶路线。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种用于确定锂离子电池的荷电状态的方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，所述获取拟合参数，具体为：

3.根据权利要求1所述的方法，所述预设充电倍率和预设放电倍率的范围分别为0.1～2C和0.1～5C。

4.根据权利要求1所述的方法，所述充电至截止电压和放电至截止电压的截止电压分别为3～5V和1～3V。

5.根据权利要求1所述的方法，所述第一预设时间和第二预设时间的范围分别为1～5h和2～4h。

6.一种用于确定锂离子电池的荷电状态的系统，所述系统包括：

7.根据权利要求6所述的系统，所述获取拟合参数，具体为：

8.根据权利要求6所述的系统，所述预设充电倍率和预设放电倍率的范围分别为0.1～2C和0.1～5C。

9.根据权利要求6所述的系统，所述充电至截止电压和放电至截止电压的截止电压分别为3～5V和1～3V。

10.根据权利要求6所述的系统，所述第一预设时间和第二预设时间的范围分别为1～5h和2～4h。