CN111308163B - 一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法 - Google Patents

一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，包括步骤：第一步，采用恒电流脉冲放电法，建立电池脉冲放电的末端电压与放电电流的关系；第二步，建立恒流脉冲放电的直流内阻与放电电流的关系；第三步，建立恒流脉冲放电的放电功率与放电电流的关系；第四步，建立恒流脉冲放电的功率利用率与放电电流的关系；第五步，综合预设的多个限制条件，确定电池脉冲放电最大电流的取值范围。本发明能够方便、可靠地评估电池在不同寿命状态、不同温度、不同荷电状态和不同脉冲放电时间下，在不同脉冲放电电流下的放电末端电压、直流内阻、放电功率、功率利用率与放电电流的关系，并根据这些关系，快速确定电池脉冲放电最大电流的取值范围。

Description

一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法
技术领域
本发明涉及锂离子动力电池技术领域，特别是涉及一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法。
背景技术
目前，新能源车企为安全且高效地使用电池，同时也为电池管理系统对搭载的锂离子电池更好地管理，通常要求电池厂家提供电池在不同寿命状态 (如BOL(寿命初期，Begin of Life)、MOL(寿命中期，Middle of Life)、EOW(寿命质保期，End of Warranty)和EOL(寿命末期，End of Life)等寿命状态)、不同温度、不同荷电状态和不同脉冲放电时间下，电池在最大脉冲电流条件下的功率及直流内阻特性。但是，目前的电池制造商普遍采用的功率测试方法，如HPPC(混合动力脉冲能力特性，Hybrid Pulse Power Characteristic)法或逐点尝试测量的方式，均有其不足之处，其中，前者测试功率值通常偏高且在低温下较实际值有所偏移，后者的测试过程需要的时间长，且不同客户的要求不一，测试任务量极大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法。
为此，本发明提供了一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，包括以下步骤：
第一步，采用恒电流脉冲放电法，分别以不同倍率电流对电池进行相同时间的脉冲放电，记录电池脉冲放电末期的末端电压，然后建立电池脉冲放电的末端电压Vt与放电电流I的关系，形成末端电压Vt与放电电流I之间的关系曲线；
第二步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的直流内阻R与放电电流I的关系，形成直流内阻R与放电电流I之间的关系曲线；
第三步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的放电功率P与放电电流I的关系，形成放电功率P与放电电流I之间的关系曲线；
第四步，基于第一步、第二步和第三步所获得的数据，建立恒流脉冲放电的功率利用率P利用率与放电电流I的关系，形成功率利用率P利用率与放电电流I之间的关系曲线；
第五步，根据用户预先设置的功率利用率P利用率的合格数值范围以及第四步获得的功率利用率P利用率与放电电流I的关系，分别作为第一限制条件和第二限制条件，以及根据用户预先设置的放电功率P的合格数值范围作为第三限制条件，同时根据用户预先设置的末端电压Vt的合格数值范围，作为第四限制条件，综合这四个限制条件，对第一步、第三步和第四步获得的曲线进行放电电流取值的筛选，最终获得放电电流I的最大电流的取值范围。
其中，第一步具体包括以下步骤：
1)将待测试电池在预设测试温度T下保温，至达到热平衡；
2)在该测试温度T下，以预设n*C的电流标定电池容量，并将电池调整至指定SOC状态；其中，n为1/3或者1；
3)选择多个放电电流I，分别对电池进行预设时长t的脉冲放电，并记录电池脉冲放电初始电压和末端电压，初始电压记为V0，末端电压记为Vt；
4)以放电电流I为横坐标，末端电压Vt为纵坐标，绘制Vt-I曲线示意图；
5)对Vt-I曲线进行拟合，建立Vt与I的关系，获得一元二次模型；
一元二次模型具体为：Vt＝a*I2+b*I+c，其中，a,b,c均为常数。
其中，第二步具体包括以下步骤：
1)根据公式
Figure GDA0003550714020000021
计算不同放电电流I对应的直流内阻R；
2)以放电电流I为横坐标，直流内阻R为纵坐标，绘制R-I曲线示意图；
3)对所得的R-I曲线进行拟合，建立直流内阻R与放电电流I的关系，获得一元二次模型R＝d*I2+e*I+f，其中，d,e,f均为常数。
其中，第三步具体包括以下步骤：
1)根据P＝Vt*I，计算不同放电电流I对应的放电功率 P；
2)以放电电流I为横坐标，放电功率P为纵坐标，绘制P-I曲线示意图；
3)对所得的P-I曲线进行拟合，建立放电功率P与放电电流I的关系，获得一元二次模型P＝g*I2+h*I+i，其中，g,h,i均为常数。
其中，第四步具体包括以下步骤：
1)根据电池放电过程因内阻发热造成的功率损失，定义功率损失和功率利用率如下：
功率损失P损＝I2*R；
功率利用率
Figure GDA0003550714020000031
根据以上的功率利用率公式，计算不同放电电流I对应的功率利用率 P利用率；
2)以放电电流I为横坐标，功率利用率P利用率为纵坐标，绘制P利用率-I 曲线示意图；
3)对所得的P利用率-I曲线进行拟合，建立功率利用率P利用率与放电电流I的关系，获得一元二次模型P利用率＝j*I2+k*I+l，其中j,k,l均为常数。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，其能够方便、可靠地评估电池在不同寿命状态(如BOL、MOL、EOW和EOL等寿命状态)、不同温度、不同荷电状态和不同脉冲放电时间下，在不同脉冲放电电流下的放电末端电压Vt、直流内阻R、放电功率P、功率利用率P利用率与放电电流I的关系。
此外，对于本发明，其可以通过综合评估电池的放电末端电压Vt、放电功率P和功率利用率P利用率三者之间的关系，选择出锂离子动力电池在当前状态下合适的脉冲放电最大电流。
附图说明
图1为本发明提供的一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法的流程图；
图2为本发明提供的一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，在实施例中，电池在不同脉冲放电电流下的末端电压Vt与电流I的Vt-I 曲线示意图；
图3为为本发明提供的一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，在实施例中，电池在不同脉冲放电电流下的直流内阻R与电流I的R-I 曲线示意图；
图4为本发明提供的一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，在实施例中，电池不同脉冲放电电流下的放电功率，放电功率利用率与电流的P/P利用率-I曲线示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图4，本发明提供了一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，包括以下步骤：
第一步，采用恒电流脉冲放电法，分别以不同倍率电流对电池进行相同时间的脉冲放电，记录电池脉冲放电末期的末端电压，然后建立电池脉冲放电的末端电压Vt与放电电流I的关系，形成末端电压Vt与放电电流I之间的关系曲线；
第二步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的直流内阻R与放电电流I的关系，形成直流内阻R与放电电流I之间的关系曲线；
第三步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的放电功率P与放电电流I的关系，形成放电功率P与放电电流I之间的关系曲线；
第四步，基于第一步、第二步和第三步所获得的数据，建立恒流脉冲放电的功率利用率P利用率与放电电流I的关系，形成功率利用率P利用率与放电电流I之间的关系曲线。
此外，为了综合评估电池的放电末端电压Vt、放电功率P和功率利用率 P利用率三者之间的关系，本发明在第四步之后，还包括步骤：
第五步，根据用户预先设置的功率利用率P利用率的合格数值范围(即客户需求或使用指标的取值范围，例如80％)以及第四步获得的功率利用率P 利用率与放电电流I的关系，分别作为第一限制条件(即限制条件1)和第二限制条件(即限制条件2)，以及根据用户预先设置的放电功率P的合格数值范围(即客户需求或使用指标的取值范围，例如1200W)作为第三限制条件 (即限制条件3)，同时根据用户预先设置的末端电压Vt的合格数值范围(即客户需求或使用指标的取值范围，例如2.8V)，作为第四限制条件(即限制条件4)，综合这四个限制条件，对第一步、第三步和第四步获得的曲线进行放电电流取值的筛选，最终获得放电电流I的最大电流的取值范围。
也就是说，对于第五步，通过综合评估电池的放电末端电压Vt、放电功率P和功率利用率P利用率三者之间的关系，选择出电池在当前状态下的脉冲放大最大电流。
需要说明的是，对于第五步，根据客户需求或使用指标，若功率利用率需满足x％以上，建立限制条件1和2；根据功率需满足的最小指标要求，建立限制条件3；根据放电末端电压≥下限电压，建立限制条件4(如图4 所示)。综上考虑4个限制条件，则最大电流的选择范围为限制条件3与限制条件2之间，或限制条件3与限制条件4之间。
对于本发明，具体实现上，第一步具体包括以下步骤：
1)将待测试电池在预设测试温度T下保温，至达到热平衡；
2)在该测试温度T下，以预设n*C(n可为1/3，1或者其他数值，具体根据电池的类型来选择)的电流标定电池容量，并将电池调整至指定 SOC状态(电池荷电状态)；
3)选择多个放电电流I(I0,I1,……,Im(m＞3，优选m≥6))，分别对电池进行预设时长t的脉冲放电，并记录电池脉冲放电初始电压和末端电压，初始电压记为V0，末端电压记为Vt(Vt0,Vt1,……,Vtm(m＞3，优选m≥6)))；
4)以放电电流I为横坐标，末端电压Vt为纵坐标，绘制Vt-I曲线示意图；
5)对Vt-I曲线进行拟合，建立Vt与I的关系，获得一元二次模型；
一元二次模型具体为：Vt＝a*I2+b*I+c，其中，a,b,c均为常数。
对于本发明，具体实现上，第二步具体包括以下步骤：
1)根据公式
Figure GDA0003550714020000061
计算不同放电电流I对应的直流内阻R(R0, R1,……,Rm(m＞3，优选m≥6))；
2)以放电电流I为横坐标，直流内阻R为纵坐标，绘制R-I曲线示意图；
3)对所得的R-I曲线进行拟合，建立直流内阻R与放电电流I的关系，获得一元二次模型R＝d*I2+e*I+f，其中，d,e,f均为常数。
对于本发明，具体实现上，第三步具体包括以下步骤：
1)根据P＝Vt*I，计算不同放电电流I对应的放电功率 P(P0,P1,……,Pm(m＞3，优选m≥6))；
2)以放电电流I为横坐标，放电功率P为纵坐标，绘制P-I曲线示意图；
3)对所得的P-I曲线进行拟合，建立放电功率P与放电电流I的关系，获得一元二次模型P＝g*I2+h*I+i，其中，g,h,i均为常数。
对于本发明，具体实现上，第四步具体包括以下步骤：
1)根据电池放电过程因内阻发热造成的功率损失，定义功率损失和功率利用率，如下：
功率损失P损＝I2*R；
功率利用率
Figure GDA0003550714020000071
根据以上功率利用率公式，计算不同放电电流I对应的功率利用率P利用率(P利用率0,P利用率1,……,P利用率m(m＞3，优选m≥6))；
2)以放电电流I为横坐标，功率利用率P利用率为纵坐标，绘制P利用率-I 曲线示意图；
3)对所得的P利用率-I曲线进行拟合，建立功率利用率P利用率与放电电流I的关系，获得一元二次模型P利用率＝j*I2+k*I+l，其中j,k,l均为常数。
为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
实施例。
本实施例以一款78Ah动力电池(电压范围2.8-4.2V，1C＝78A)为例，采用不同电流进行脉冲放电的方法，选择出该电池的脉冲放电最大电流，具体步骤如下：
第一步、采用恒电流脉冲放电法来评估电池脉冲放电的末端电压Vt与电流I的关系；
1)将待测试电池在温度25℃下保温4h，至达到热平衡；
2)在25℃条件下，以1/3C的电流进行3次充放电循环，取三次放电容量平均值为电池的标定容量Cact，之后依据标定容量Cact，以1/3C电流将电池放电至50％SOC状态；
3)选择电流1C、2C、2.5C、3C、4C和5C，分别对50％SOC状态电池进行30s的脉冲放电，并记录电池脉冲放电初始电压(记为V0)和末端电压(记为Vt)，则6次测试的初始电压，末端电压分别记录为V00, V01,……,V06和Vt0,Vt1,……,Vt6；
4)以电流I为横坐标，Vt为纵坐标，绘制Vt-I曲线示意图(如图2 所示)；
5)对所得Vt-I曲线进行拟合，建立Vt与I的关系，得一元二次模型；
一元二次模型具体为：Vt＝a*I2+b*I+c(如图2所示)，其中a＝-1E-08,b＝-0.0013,c＝3.6801；
第二步、基于第一步的数据，建立恒流脉冲放电的直流内阻R与电流 I的关系；
1)根据
Figure GDA0003550714020000091
计算脉冲电流1C，2C，2.5C，3C，4C，5C放电时对应的直流内阻R，记录R0,R1,……,R6；
2)以电流I为横坐标，R为纵坐标，绘制R-I曲线示意图(如图3所示)；
3)对所得R-I曲线进行拟合，建立R与I的关系，得一元二次模型 R＝d*I2+e*I+f(如图3所示)，其中d＝-1E-06,b＝-0.001, c＝1.5026；
第三步、基于第一步的数据，建立恒流脉冲放电的放电功率P与电流 I的关系；
1)根据P＝Vt*I，计算脉冲电流1C、2C、2.5C、3C、 4C和5C放电时对应的放电功率P，记录P0,P1,……,P6；
2)以电流I为横坐标，P为纵坐标，绘制P-I曲线示意图(如图4所示)；
3)对所得P-I曲线进行拟合，建立P与I的关系，得一元二次模型 P＝g*I2+h*I+i(如图4所示)，其中g＝-0.0013,h＝3.6842, i＝-0.3287；
第四步、基于第一步、第二步和第三步的数据，建立恒流脉冲放电的功率利用率P利用率与电流I的关系；
1)根据电池放电过程因内阻发热造成的功率损失，定义功率损失和功率利用率，如下：
功率损失P损＝I2*R；
功率利用率
Figure GDA0003550714020000101
根据以上功率利用率公式，计算脉冲电流1C，2C，2.5C，3C，4C， 5C放电30s末时对应的P利用率，记录P利用率0,P利用率1,……,P利用率6；
2)以电流I为横坐标，P利用率为纵坐标，绘制P利用率-I曲线示意图(如图4)；
3)对所得P利用率-I曲线进行拟合，建立P利用率与I的关系，得一元二次模型P利用率＝j*I2+k*I+l(如图4所示)，其中j＝-2E-07,k＝-0.0003, l＝0.9965。
综上，建立了关于Vt-I，R-I，P/P利用率-I拟合曲线的一元二次模型后，根据客户需求或使用指标，若功率利用率需满足x％(本实施例为80％) 以上，则可建立限制条件1和2；根据功率需满足的最小指标要求(本实施例为1200W)，则可建立限制条件3；根据放电末端电压≥下限电压(本实施例为2.8V)，则可建立限制条件4(如图4)。
综上考虑4个限制条件，则最大电流的选择范围为限制条件3与限制条件2之间，为375～450A之间。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，其能够方便、可靠地评估电池在不同寿命状态(如 BOL、MOL、EOW和EOL等寿命状态)、不同温度、不同荷电状态和不同脉冲放电时间下，在不同脉冲放电电流下的放电末端电压Vt、直流内阻R、放电功率P、功率利用率P利用率与放电电流I的关系。
此外，对于本发明，其可以通过综合评估电池的放电末端电压Vt、放电功率P和功率利用率P利用率三者之间的关系，选择出锂离子动力电池在当前状态下合适的脉冲放电最大电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种锂离子动力电池脉冲放电最大电流的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，采用恒电流脉冲放电法，分别以不同倍率电流对电池进行相同时间的脉冲放电，记录电池脉冲放电末期的末端电压，然后建立电池脉冲放电的末端电压Vt与放电电流I的关系，形成末端电压Vt与放电电流I之间的关系曲线；
第二步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的直流内阻R与放电电流I的关系，形成直流内阻R与放电电流I之间的关系曲线；
第三步，根据第一步获得的数据，建立恒流脉冲放电的放电功率P与放电电流I的关系，形成放电功率P与放电电流I之间的关系曲线；
第四步，基于第一步、第二步和第三步所获得的数据，建立恒流脉冲放电的功率利用率P利用率与放电电流I的关系，形成功率利用率P利用率与放电电流I之间的关系曲线；
第五步，根据用户预先设置的功率利用率P利用率的合格数值范围以及第四步获得的功率利用率P利用率与放电电流I的关系，分别作为第一限制条件和第二限制条件，以及根据用户预先设置的放电功率P的合格数值范围作为第三限制条件，同时根据用户预先设置的末端电压Vt的合格数值范围，作为第四限制条件，综合这四个限制条件，对第一步、第三步和第四步获得的曲线进行放电电流取值的筛选，最终获得放电电流I的最大电流的取值范围。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一步具体包括以下步骤：
1)将待测试电池在预设测试温度T下保温，至达到热平衡；
2)在该测试温度T下，以预设n*C的电流标定电池容量，并将电池调整至指定SOC状态；其中，n为1/3或者1；
3)选择多个放电电流I，分别对电池进行预设时长t的脉冲放电，并记录电池脉冲放电初始电压和末端电压，初始电压记为V0，末端电压记为Vt；
4)以放电电流I为横坐标，末端电压Vt为纵坐标，绘制Vt-I曲线示意图；
5)对Vt-I曲线进行拟合，建立Vt与I的关系，获得一元二次模型Vt＝a*I2+b*I+c，其中，a,b,c均为常数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步具体包括以下步骤：
1)根据公式，计算不同放电电流I对应的直流内阻R；
2)以放电电流I为横坐标，直流内阻R为纵坐标，绘制R-I曲线示意图；
3)对所得的R-I曲线进行拟合，建立直流内阻R与放电电流I的关系，获得一元二次模型R＝d*I2+e*I+f，其中，d,e,f均为常数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步具体包括以下步骤：
1)根据P＝Vt*I，计算不同放电电流I对应的放电功率P；
2)以放电电流I为横坐标，放电功率P为纵坐标，绘制P-I曲线示意图；
3)对所得的P-I曲线进行拟合，建立放电功率P与放电电流I的关系，获得一元二次模型P＝g*I2+h*I+i，其中，g,h,i均为常数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步具体包括以下步骤：
1)根据电池放电过程因内阻发热造成的功率损失，定义功率损失和功率利用率如下：
功率损失P损＝I2*R；
功率利用率
Figure FDA0003550714010000021
根据以上的功率利用率公式，计算不同放电电流I对应的功率利用率P利用率；
2)以放电电流I为横坐标，功率利用率P利用率为纵坐标，绘制P利用率-I曲线示意图；
3)对所得的P利用率-I曲线进行拟合，建立功率利用率P利用率与放电电流I的关系，获得一元二次模型P利用率＝j*I2+k*I+l，其中j,k,l均为常数。
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