CN111416411A - 一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，针对传统过放报警方法未考虑温度对电池容量和过放报警点影响或需要地面人工干预问题，通过下位机自主检测锂离子蓄电池组的温度和电池单体电压，采用多级温度区间控制方法，在无人干预的情况下能自动识别电池温度对应的过放报警点，实现自适应过放报警控制，避免了高压锂离子电池在宽温度范围内工作时需人工介入或存在误(欠)过放报警情况，提高了过放报警的环境适应性和自主性。

Description

一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，尤其适用于宽温度范围条件下对航天器用高压锂离子电池组的过放报警保护，属于锂离子电池管理技术领域。

背景技术

由于锂离子电池具有工作温度范围宽、比能量高、自放电率低、安全性高等优点，其已成为主流储能电池广泛应用于航空航天领域，单节锂离子电池单体无法满足航天器高电压、高容量需求，一般都是采用多节电池单体的串并联组合方式来解决这一问题，高压锂离子蓄电池组作为电源系统的重要组成部分，承担着极其重要的任务，它要在阴影区为航天器提供安全可靠、稳定的电能，因此其工作寿命直接影响着航天器的寿命，而影响锂离子蓄电池寿命的一个重要因素为电池过放电。当锂离子电池达到放电终止电压后继续放电，即为过放电。一旦过放电，会使锂离子电池内压升高，正负极活性物质的可逆性受到破坏，即使再充电也只能部分恢复，容量会明显衰减，严重影响电池循环寿命，进而影响航天器寿命。

为延长锂离子电池的使用寿命，有效避免锂电池过放电，保证航天器在轨安全可靠运行，通常航天器电源系统均会采取电池过放报警(保护)措施。目前，国内航天器电源系统中对锂离子电池的过放报警(保护)措施大多固定或注入单个过放报警点，当电池电压达到过放报警点时产生过放报警信号。固定单个过放报警点控制方法虽然逻辑结构简单、成本低，但是控制方式单一，未考虑到温度对锂离子电池容量和过放报警点的影响，锂离子电池在轨工作时对温控范围要求较窄，在宽温度范围内工作时可能存在误报警或欠报警情况。以一种多单体串联组成的额定容量60Ah高压锂离子电池组为例，相同放电深度41.7％条件下，30℃、5℃时电池单体电压分别为3.78V、3.70V，二者相差80mV，可见温度对过放报警点的影响之大。而通过注入方式改变过放报警点方法，需要地面人工介入并实时监视电池工作温度，不能实现自主控制。因此为提高过放报警的环境适应性和自主性，需要设计一种温度自适应过放报警方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，通过下位机自主检测锂离子蓄电池组的温度和电池单体电压，根据电池温度自动识别温度区间对应的过放报警点，并与采集的电池单体电压相比较，当电池单体电压满足过放报警条件时，产生过放报警信号，当电池单体电压恢复至过放报警点以上时，解除过放报警信号。解决了传统过放报警方法受温度影响大或需地面人工干预问题，避免了高压锂离子电池在宽温度范围内工作时可能存在的误报警或欠报警情况，提高了过放报警的环境适应性和自主性，能有效延长锂离子蓄电池的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，包括以下步骤：

1)根据电池环境温度，获得P个温度测试点，任意两相邻温度测试点的温差相同；

2)分别在每个温度测试点进行电池阵容量检测，获得每个温度测试点对应的电池阵放电曲线；

3)提取每根电池阵放电曲线中，电池阵过放容量理论值对应的电压值作为与每个温度测试点对应的电压特征值；进而获得P个电压特征值；

4)判定两相邻温度测试点对应的电压特征值之差是否大于V0，若大于V0，则将两温度测试点划分为不同的温度区间，反之，则将两温度测试点划分在同一个温度区间内；遍历P个温度测试点，获得K个温度区间；其中，V₀取值范围为20mV～30mV；

5)分别确定每个温度区间的过放报警点电压V_Lk，获得K个过放报警点电压V_Lk，方法具体为：

51)对于第k个温度区间，获得第k个温度区间的温度中值并向下取整，作为Tk；k∈[1，K]，k为正整数；

52)获得温度测试点温度为Tk的电池阵放电曲线中电池阵过放容量理论值对应的电压值，作为第k个温度区间的过放报警点电压V_Lk；

6)电池阵中包括n个电池单体，电池阵正常工作时，采集电池阵实时温度Tc和单体实时电压Vc；根据电池阵实时温度Tc，获得电池阵实时温度Tc所在的温度区间m，将温度区间m的过放报警点电压作为判定电压；根据所述判定电压判定电池阵是否需要进行电池过放报警；其中，m∈[1，K]，m为正整数；方法具体为：

当电池阵中j个电池单体实时电压Vc均小于判定电压时，则进行电池过放报警；其中，j为正整数，且j＜n/3；

反之则解除过放报警状态，无需进行电池过放报警。

步骤4)获得K个温度区间的方法，具体的：

41)获得所有两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p；其中，p∈[1，P-1]；

42)将温度测试点的最低值作为第一个温度区间的起始值，由温度测试点的最低值开始，依次判定两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p是否大于V0，若Δ_p大于V0则将T_p+1作为两相邻温度区间的分界值；若Δ_p小于或等于V0，则将相邻温度测试点T_p和T_p+1划分为同一个温度区间，由低温至高温遍历所有温度测试点，直至对所有温度测试点都完成温度区间的划分，获得K个温度区间。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明根据不同温度条件下锂离子蓄电池容量检测放电曲线，设置多个过放报警点，能根据电池实际工作温度自动选择对应的过放报警点，解决了传统过放报警方法受温度影响大问题，可能存在的误过放报警或欠过放报警情况；

2)本发明能在宽温度范围内自主适应控制，无需地面人工干预，提高了电源系统的环境适应性和自主管理能力；

3)本发明逻辑清晰、设计合理，易于工程实现，能有效减轻地面人员参数判读和注入操作的负担。

附图说明

图1为本发明自适应过放报警控制方法流程图；

图2为本发明具体实施例中使用的锂离子蓄电池不同温度条件下容检放电曲线；

图3为本发明具体实施例中过放报警控制方法具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。本发明一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，包括以下步骤：

1)根据电池环境温度，获得P个温度测试点，任意两相邻温度测试点的温差相同；

2)分别在每个温度测试点进行电池阵容量检测，获得每个温度测试点对应的电池阵放电曲线，对应获得P根电池电曲线；

3)提取每根电池阵放电曲线中，电池阵过放容量理论值对应的电压值作为与每个温度测试点对应的电压特征值；进而获得P个电压特征值；

4)判定两相邻温度测试点对应的电压特征值之差是否大于V0，若大于V0，则将两温度测试点划分为不同的温度区间，反之，则将两温度测试点划分在同一个温度区间内；遍历P个温度测试点，获得K个温度区间；其中，V₀取值范围为20mV～30mV；

5)分别确定每个温度区间的过放报警点电压V_Lk，获得K个过放报警点电压V_Lk，方法具体为：

51)对于第k个温度区间，获得第k个温度区间的温度中值并向下取整，作为Tk；k∈[1，K]，k为正整数；

52)获得温度测试点温度为Tk的电池阵放电曲线中电池阵过放容量理论值对应的电压值，作为第k个温度区间的过放报警点电压V_Lk；

6)电池阵中包括n个电池单体，电池阵正常工作时，采集电池阵实时温度Tc和单体实时电压Vc；根据电池阵实时温度Tc，获得电池阵实时温度Tc所在的温度区间m，将温度区间m的过放报警点电压作为判定电压；根据所述判定电压判定电池阵是否需要进行电池过放报警；其中，m∈[1，K]，m为正整数；方法具体为：

当电池阵中j个电池单体实时电压Vc均小于判定电压时，则进行电池过放报警；其中，j为正整数，且j＜n/3；

反之则解除过放报警状态，无需进行电池过放报警。

所述最小的j个电池单体电压均小于所述对应的过放报警点时，才置过放报警信号有效；所述最小的j个电池单体电压均大于或等于所述对应的过放报警点时，才恢复至过放报警信号无效。

步骤4)获得K个温度区间的方法，具体的：

41)获得所有两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p；其中，p∈[1，P-1]；

42)将温度测试点的最低值作为第一个温度区间的起始值，由温度测试点的最低值开始，依次判定两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p是否大于V0，若Δ_p大于V0则将T_p+1作为两相邻温度区间的分界值；若Δ_p小于或等于V0，则将相邻温度测试点T_p和T_p+1划分为同一个温度区间，由低温至高温遍历所有温度测试点，直至对所有温度测试点都完成温度区间的划分，获得K个温度区间。

实施例

一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，包括如下步骤：

第一步，将锂离子电池工作温度范围[T₀，T_k)划分为k个不同的区间[T₀，T₁)、[T₁，T₂)……[T_k-1，T_k)，根据不同温度条件下锂离子蓄电池容量检测放电曲线，分别设定每个温度区间对应的过放报警点为V_L1、V_L2……V_Lk；

第二步，利用下位机系统实时对锂离子电池单体电压和温度进行采集，获取锂离子蓄电池温度参数T_a1、T_a2……T_am和单体电压参数V₁、V₂……V_n；

第三步，将采集的温度参数T_a1、T_a2……T_am按照从小到大进行排序，得出m个温度参数中处于中间位置m/2个参数的平均值T_av，并判断T_av所处的温度区间[T_i,T_i+1)(i＝0，1……，k-1)及对应的过放报警点V_Li(i＝0，1……，k-1)；

第四步，将采集的电池单体电压参数V₁、V₂……V_n按照从小到大进行排序，将最小的j个电池单体电压与对应的过放报警点V_Li进行比较，当最小的j个电池单体电压V_i1(i＝0，1……，j)连续多次均小于V_Li时，表明锂离子蓄电池满足过放报警条件，置过放报警信号有效；当所有电池单体电压连续多次均大于或等于V_Li时，表明锂离子蓄电池过放状态恢复，置过放报警信号无效。

图1中T_i为温度区间[T_i，T_i+1)下限；T_i+1为温度区间[T_i，T_i+1)上限；T_av为平均温度参数；V_Li为温度区间对应的过放报警点；V_i1为参与比较的电池单体电压。

图2中为具体实施例中，一种额定容量60Ah的锂离子蓄电池在不同温度条件下电池单体电压与电池容量关系曲线，横坐标为电池容量，单位为Ah；纵坐标为电池单体电压，单位为V；在0℃～10℃、10℃～25℃、25℃～40℃温度范围区间内，容量剩余35Ah，即放电深度41.7％时对应的电池单体电压分别为3.70V、3.73V、3.78V。

如图1～图3所示，一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，包括如下步骤：

第一步，将锂离子电池工作温度范围[T₀，T_k)划分为k个不同区间[T₀，T₁)、[T₁，T₂)……[T_k-1，T_k)，根据不同温度条件下锂离子蓄电池容量检测放电试验曲线，设定每个温度区间对应的过放报警点分别为V_L1、V_L2……V_Lk；

本实施例中，锂离子电池工作温度范围为0℃～40℃，区间个数取k＝3，根据放电试验曲线数据，温度区间分别划分为0℃～10℃、10℃～25℃、25℃～40℃，定义过放报警点为放电深度达到41.7％时的电池单体电压，分别为3.70V、3.73V、3.78V；

第二步，利用下位机系统实时对锂离子电池单体电压和温度进行采集，获取锂离子蓄电池温度参数T_a1、T_a2……T_am和单体电压参数V₁、V₂……V_n；

本实施例中，采取的额定容量60Ah的锂离子电池组由两个电池模块共22节电池单体串联组成，m＝8，n＝22，每个电池模块采集4个温度信号，获取的锂离子电池温度参数分别为T_a1、T_a2……T_a8，电池单体电压参数分别为V₁、V₂……V₂₂；

第三步，将采集的温度参数T_a1、T_a2……T_am按照从小到大进行排序，得出m个温度参数中处于中间位置m/2个参数的平均值T_av，并判断T_av所处的温度区间[T_i,T_i+1)(i＝0，1……，k-1)及对应的过放报警点V_Li；

本实施例中，剔除8个温度信号中两个最大值和两个最小值，取中间4个温度参数的平均值得出T_av，并判断出T_av所处温度区间及对应的过放报警点V_Li；

第四步，将采集的电池单体电压参数V₁、V₂……V_n按照从小到大进行排序，将最小的j个电池单体电压与对应的过放报警点V_Li进行比较，当最小的j个电池单体电压V_i1(i＝0，1……，j)连续多次均小于V_Li时，表明锂离子蓄电池满足过放报警条件，置过放报警信号有效；当所有电池单体电压连续多次均大于或等于V_Li时，表明锂离子蓄电池过放状态恢复，置过放报警信号无效。

本实施例中，将采集的22个电池单体电压按照从小到大排序，取j＝4，即将最小的4个电池单体电压V₁₁、V₂₁、V₃₁、V₄₁分别与V_Li比较，当连续10次判断最小的4个单体均小于过放报警点V_Li时，置过放报警信号有效；当连续10次判断所有单体均大于或等于过放报警点V_Li时，过放报警信号恢复为无效；

试验结果：

在25℃～40℃条件下锂离子蓄电池组放电时，有4节电池单体电压低于3.78V时，过放报警信号有效，当充电至所有电池单体电压不低于3.78V时，过放报警信号恢复为无效状态；

在10℃～25℃条件下锂离子蓄电池组放电时，有4节电池单体电压低于3.73V时，过放报警信号有效，当充电至所有电池单体电压不低于3.73V时，过放报警信号恢复为无效状态；

在0℃～10℃条件下锂离子蓄电池组放电时，有4节电池单体电压低于3.70V时，过放报警信号有效，当充电至所有电池单体电压不低于3.70V时，过放报警信号恢复为无效状态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据电池环境温度，获得P个温度测试点，任意两相邻温度测试点的温差相同；

2)分别在每个温度测试点进行电池阵容量检测，获得每个温度测试点对应的电池阵放电曲线；

3)提取每根电池阵放电曲线中，电池阵过放容量理论值对应的电压值作为与每个温度测试点对应的电压特征值；进而获得P个电压特征值；

4)判定两相邻温度测试点对应的电压特征值之差是否大于V0，若大于V0，则将两温度测试点划分为不同的温度区间，反之，则将两温度测试点划分在同一个温度区间内；遍历P个温度测试点，获得K个温度区间；其中，V₀取值范围为20mV～30mV；

5)分别确定每个温度区间的过放报警点电压V_Lk，获得K个过放报警点电压V_Lk，方法具体为：

51)对于第k个温度区间，获得第k个温度区间的温度中值并向下取整，作为Tk；k∈[1，K]，k为正整数；

52)获得温度测试点温度为Tk的电池阵放电曲线中电池阵过放容量理论值对应的电压值，作为第k个温度区间的过放报警点电压V_Lk；

6)电池阵中包括n个电池单体，电池阵正常工作时，采集电池阵实时温度Tc和单体实时电压Vc；根据电池阵实时温度Tc，获得电池阵实时温度Tc所在的温度区间m，将温度区间m的过放报警点电压作为判定电压；根据所述判定电压判定电池阵是否需要进行电池过放报警；其中，m∈[1，K]，m为正整数；方法具体为：

当电池阵中j个电池单体实时电压Vc均小于判定电压时，则进行电池过放报警；其中，j为正整数，且j＜n/3；

反之则解除过放报警状态，无需进行电池过放报警。

2.根据权利要求1所述的一种高压锂离子电池温度自适应过放报警控制方法，其特征在于，步骤4)获得K个温度区间的方法，具体的：

41)获得所有两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p；其中，p∈[1，P-1]；

42)将温度测试点的最低值作为第一个温度区间的起始值，由温度测试点的最低值开始，依次判定两相邻温度测试点T_p和T_p+1对应的电压特征值之差Δ_p是否大于V0，若Δ_p大于V0则将T_p+1作为两相邻温度区间的分界值；若Δ_p小于或等于V0，则将相邻温度测试点T_p和T_p+1划分为同一个温度区间，由低温至高温遍历所有温度测试点，直至对所有温度测试点都完成温度区间的划分，获得K个温度区间。

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