CN111463513A - 一种锂电池满充容量估计的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂电池满充容量估计的方法，包括以下步骤：S1：分别设置锂电池的最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值；S2：分别判断对最大化学容量Qmax和充电时间常数τ进行更新的条件是否成立，若是，则计算相应的最新值并更新，若否，则保持最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的值不变；S3：根据充电时间常数τ和设定的截止电流Ic，计算得到虚拟电量Qv；S4：根据最大化学容量Qmax与虚拟电量Qv，计算锂电池满充容量FCC。与现有技术相比，本发明具有易于检测、精度高且适应性高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池领域，尤其是涉及一种锂电池满充容量估计的方法及装置。
背景技术
近年来，便携式电子产品、电动工具、电动交通工具等对储能装置日益增长的需求，推动了锂电池技术的快速发展。锂电池在日常生活和工业生产中得到大量应用，相应的电池管理技术也日益显示出其重要性。在锂电池的工作过程中，需要对其各种状态参数进行估计和监控，以确保锂电池工作在安全、可靠的状态。锂电池满充容量(Full ChargeCapacitive,FCC)是锂电池的一项重要状态参数，它指锂电池在特定温度和健康状况(State of Health,SOH)条件下，从放空状态开始以恒流恒压方式充电至电流达到充电截止电流(Ic)为止所充入的总电量。它的大小受充电时电池温度和充放电循环次数等因素的影响而变化。在锂电池平均满充时间(Average Time to Full,ATTF)、荷电状态(State ofCharge,SOC)等状态参数估计过程中都需要用到满充容量FCC，满充容量FCC的准确性将影响锂电池有关状态参数的估计精度。因此，满充容量FCC的精准估计对于提高电池管理系统性能具有重要意义。
在目前的锂电池管理系统中，满充容量估计一般通过库仑积分法进行，即对流入和流出电池的电荷量进行跟踪求和，在充电达到截止条件时将库仑积分值作为满充容量的估计值。这种方法有两个缺点：(1)受电流检测元件误差影响，库仑积分值具有累积误差，从而引起满充容量的误差；(2)在充电过程中，如果充电电流未达到截止电流而充电过程提前结束，则无法获得满充容量的最新估计值，导致满充容量不能得到及时更新。因此使用该方法进行满充容量估计时，精度不够高，容易引起误差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种易于测算且测算精度高的锂电池满充容量估计的方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种锂电池满充容量估计的方法，包括以下步骤：
S1：分别设置锂电池的最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值；
S2：分别判断对最大化学容量Qmax和充电时间常数τ进行更新的条件是否成立，若是，则计算相应的最新值并更新，若否，则保持最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的值不变；
S3：根据充电时间常数τ和设定的截止电流Ic，计算得到虚拟电量Qv；
S4：根据最大化学容量Qmax与虚拟电量Qv，计算锂电池满充容量FCC。
所述的步骤S2具体包括：
S21：持续检测锂电池的工作状态，直至锂电池进入静置状态；
S22：判断最大化学容量Qmax更新计算的条件是否成立，若是，则计算新的最大化学容量Qmax并更新，若否，则保持最大化学容量Qmax不变；
S23：判断锂电池是否已进入充电状态，若否，则返回执行步骤S21，若是，则持续检测充电电流大小直至充电结束；
S24：判断恒压充电时长T是否大于预设门限值，若是，则计算新的充电时间常数τ并更新，否则，则保持充电时间常数τ不变。
所述的最大化学容量Qmax的计算式为：
其中，Qp为第一静置状态变化至第二静置状态期间流入电池的电量，DOD1为第一静置状态下的放电深度，DOD2为第二静置状态下的放电深度；
所述的充电时间常数τ的计算式为：
其中，Qc为恒压充电阶段充入的总电量，Ia为恒压充电阶段的起始充电电流，Ib为恒压充电阶段的结束充电电流。
所述的步骤S22中，当锂电池第一静置状态下的放电深度DOD1与第二静置状态下的放电深度DOD2之差的绝对值大于等于设定阈值时，最大化学容量Qmax更新计算的条件成立。
所述的设定阈值在35％～40％范围内。
所述的恒压充电时长T的预设门限值在30～40分钟范围内。
所述的步骤S23中，若充电过程进入恒压阶段，则记录该阶段的起始电流Ia和结束电流Ib，并计算恒压充电时长T和充电电量Qc，若充电过程未进入恒压阶段，则设置恒压充电时长T为0。
所述的虚拟电量Qv的计算式为：
Qv＝τ·Ic
所述的电池满充容量FCC的计算式为：
FCC＝Qmax-Qv。
所述的最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值通过对特定型号锂电池的测试或生产厂家提供的参考值得到。
一种实现如所述锂电池满充容量估计方法的装置，包括分别与锂电池和外部设备连接的CPU，以及分别与CPU连接的最大化学容量存储器和充电时间常数存储器，所述的最大化学容量存储器为Flash型存储器，用于存储最大化学容量的初始值和更新值，所述的充电时间常数存储器为Flash型存储器，用于存储充电时间常数的初始值和更新值，所述的CPU为中央处理器，用于完成对锂电池电压、电流以及温度数据的采集以及对最大化学容量、充电时间常数和满充容量的计算，并将满充容量估计值传送至外部设备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明的方法利用锂电池满充容量与最大化学容量Qmax、虚拟电量Qv三者之间的近似关系，对锂电池满充容量进行估计，最大化学容量通常是指锂电池在使用的某一阶段在无充电截止电流限制条件下所能充入的最大电量，它反映了电池在当前特定健康状况(SOH)条件下的最大蓄电能力，由于锂电池最大化学容量易于测算，且精度较高，通过本发明发方法估计的满充容量过程简单且精度较高；
2)本发明通过在充放电循环中对锂电池最大化学容量以及充电时间常数的计算和更新，可以使满充容量估计值随电池温度变化和老化过程而始终保持较高的精度，适应性高。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明装置的结构示意图；
图3为锂电池从放空状态充电至满充状态的过程示意图；
图4为锂电池的RC电路模型；
图5为锂电池恒压充电阶段电流变化示意图。
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。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明公开了一种在锂电池管理系统中，利用锂电池满充容量与最大化学容量Qmax、虚拟电量Qv之间的近似关系，对锂电池满充容量进行估计的方法，该方法对满充容量的估计是一个动态的不断循环的过程，其通过对锂电池最大化学容量和充电时间常数的在线估计，确保满充容量的估值能够不受电池老化和电池温度变化的影响，而始终保持较高的精度。
该方法主要包括以下几个步骤：
步骤1：在初始阶段，设置两个Flash型存储器，分别存储锂电池最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值，其中，最大化学容量存储器用于存储最大化学容量Qmax的初始值，充电时间常数存储器用于存储充电时间常数τ的初始值。这些初始值可以来自对特定型号锂电池的测试，也可以采用生产厂家提供的参考值。
步骤2：持续检测锂电池的工作状态，判断锂电池是否已进入静置状态，若已进入静置状态，则判断最大化学容量Qmax更新计算的条件是否成立，即第一静置状态下的放电深度DOD1与第二静置状态下的放电深度DOD2之间差值是否满足|DOD1-DOD2|≥37％，若是，则计算新的最大化学容量Qmax，并将其更新至最大化学容量存储器中，若否，则保持最大化学容量存储器中的最大化学容量Qmax不变。最大化学容量Qmax的计算式为：
其中，Qp第一静置状态变化至第二静置状态期间流入电池的电量，DOD1为第一静置状态下的放电深度，DOD2为第二静置状态下的放电深度。
步骤3：判断锂电池是否已进入充电状态，若否，则返回执行上述步骤2，若是，则持续检测充电电流大小直至充电结束。在此期间，如果充电进入恒压阶段，则记录该阶段起始电流和结束电流，并计算恒压充电持续时间和充电电量；如果未进入恒压阶段，则始终设置恒压充电持续时间为零。
步骤4：判断恒压充电时长T是否大于预设门限值，该预设门限值优选设定为30分钟，若是，则计算新的充电时间常数τ，并将其更新至充电时间常数存储器中，否则，则保持充电时间常数存储器中的充电时间常数τ不变。充电时间常数τ的计算式为：
其中，Qc为恒压充电阶段充入的总电量，Ia为恒压充电阶段的起始充电电流，Ib为恒压充电阶段的结束充电电流。
步骤5：系统根据两个存储器中的充电时间常数τ和预设的截止电流Ic计算虚拟电量Qv，再根据满充容量FCC与最大化学容量Qmax、虚拟电量Qv三者之间的近似关系，计算锂电池满充容量FCC。虚拟电量Qv的计算式为：
Qv＝τ·Ic
电池满充容量FCC的计算式为：
FCC＝Qmax-Qv
步骤6：返回执行步骤2，不断重复检测和计算过程，确保满充容量估计值能够随电池温度变化和老化过程，始终保持较高的精度。
如图2所示，本发明还提供了用于实现锂电池满充容量估计方法的装置，包括与锂电池连接的CPU以及分别与CPU连接的最大化学容量存储器、充电时间常数存储器和外部设备，最大化学容量存储器用于存储最大化学容量的初始值和更新值，充电时间常数存储器用于存储充电时间常数的初始值和更新值。为防止系统掉电时数据丢失，这两个存储器选用Flash型存储器。CPU为中央处理器，用于完成对锂电池的电压、电流以及温度数据的采集以及对最大化学容量、充电时间常数和满充容量等数值的计算任务，并将满充容量估计值传送至需要锂电池状态信息的外部设备。
本发明的估计方法的原理解释如下：锂电池充电过程采用恒流恒压方式，如图3所示，为锂电池从放空状态充电至满充状态的全过程。充电起始阶段为恒流(ConstantCurrent,CC)阶段，其间充电电流(Is)保持恒定不变。随着电池电量增加，其端电压升高，外部电源的充电电压也相应升高。当充电电压达到最高限定值(本实施例中设定为4.2伏/节)时，充电转入恒压(Constant Voltage,CV)阶段。CV阶段充电电流不断减小，当充电电流减小至截止电流Ic(本实施例中设定截止电流Ic为50毫安)时，充电结束。此时电池电量即为满充容量FCC。
假设在锂电池达到满充状态后，解除充电截止电流的限制而继续进行恒压充电，直至充电电流减小为零时停止。将该阶段新增的电池电量称为虚拟电量，记为Qv。由于满充容量FCC不包含电池在电压低于3伏安全电压时所具有的少量残余电量，而最大化学容量Qmax则包含这部分残余电量，所以满充容量FCC与虚拟电量Qv的和近似等于最大化学容量Qmax，即：FCC+Qv≈Qmax。由该式可知，如果能得到高精度的最大化学容量Qmax和虚拟电量Qv的估计值，就能够计算得到高精度的满充容量FCC的值。
其中，最大化学容量Qmax的估计是一项成熟的技术，其大致方法如下：当锂电池的电流趋近于零(例如在10毫安以内)、电压波动足够小(例如在4微伏/秒以内)并且持续一段时间(如30分钟以上)时，可判定电池进入了静置状态。在静置状态下，锂电池端电压可认为近似等于开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)。特定温度下锂电池的开路电压与放电深度(Depth of Discarge,DOD)具有强相关性，这种相关性被称为锂电池的OCV特性。各种型号锂电池的OCV特性可由实验方法测出。这样，根据静置状态下锂电池端电压测量值、温度以及该型号电池OCV特性，即可反算出该静置状态所对应的放电深度。设锂电池从第一静置状态(放电深度为DOD1)变化至第二静置状态(放电深度为DOD2)，这期间流入电池的电量为库仑积分值Qp。当第一静置状态下的放电深度DOD1与第二静置状态下的放电深度DOD2之间差值足够大(例如|DOD1-DOD2|≥37％)时，可按下式估算最大化学容量：
虚拟电量可以根据锂电池的阻容(RC)电路模型进行计算。在恒压充电阶段锂电池电流的变化规律较好地符合RC电路的特性。因此，可以在此阶段建立锂电池的RC电路模型，如图4所示。在图4中，锂电池由外部电源充电，充电电压为恒定值V0。
如图5所示，假设在恒压充电阶段，起始充电电流为Ia，结束充电电流为Ib，在此期间充入的总电量为Qc(由库仑积分求得)。由此，可计算锂电池等效RC电路时间常数为：
τ即为锂电池充电时间常数。在运用该式计算充电时间常数τ时，为确保精算精度，充电时长T应足够长。可设定充电时长T必须大于某一预设门限值，本实施例中该预设门限值设为30分钟，在得到充电时间常数τ的值之后，可按下式估算虚拟电量：
Qv＝τ·Ic
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别设置锂电池的最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值；
S2：分别判断对最大化学容量Qmax和充电时间常数τ进行更新的条件是否成立，若是，则计算相应的最新值并更新，若否，则保持最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的值不变；
S3：根据充电时间常数τ和设定的截止电流Ic，计算得到虚拟电量Qv；
S4：根据最大化学容量Qmax与虚拟电量Qv，计算锂电池满充容量FCC。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：
S21：持续检测锂电池的工作状态，直至锂电池进入静置状态；
S22：判断最大化学容量Qmax更新计算的条件是否成立，若是，则计算新的最大化学容量Qmax并更新，若否，则保持最大化学容量Qmax不变；
S23：判断锂电池是否已进入充电状态，若否，则返回执行步骤S21，若是，则持续检测充电电流大小直至充电结束；
S24：判断恒压充电时长T是否大于预设门限值，若是，则计算新的充电时间常数τ并更新，否则，则保持充电时间常数τ不变。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的最大化学容量Qmax的计算式为：
其中，Qp为第一静置状态变化至第二静置状态期间流入电池的电量，DOD1为第一静置状态下的放电深度，DOD2为第二静置状态下的放电深度；
所述的充电时间常数τ的计算式为：
其中，Qc为恒压充电阶段充入的总电量，Ia为恒压充电阶段的起始充电电流，Ib为恒压充电阶段的结束充电电流。
4.根据权利要求2所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的步骤S22中，当锂电池第一静置状态下的放电深度DOD1与第二静置状态下的放电深度DOD2之差的绝对值大于等于设定阈值时，最大化学容量Qmax更新计算的条件成立。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的设定阈值在35％～40％范围内。
6.根据权利要求2所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的恒压充电时长T的预设门限值在30～40分钟范围内。
7.根据权利要求3所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的步骤S23中，若充电过程进入恒压阶段，则记录该阶段的起始电流Ia和结束电流Ib，并计算恒压充电时长T和充电电量Qc，若充电过程未进入恒压阶段，则设置恒压充电时长T为0。
8.根据权利要求1所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的虚拟电量Qv的计算式为：
Qv＝τ·Ic
所述的电池满充容量FCC的计算式为：
FCC＝Qmax-Qv。
9.根据权利要求1所述的一种锂电池满充容量估计的方法，其特征在于，所述的最大化学容量Qmax和充电时间常数τ的初始值通过对特定型号锂电池的测试或生产厂家提供的参考值得到。
10.一种用于如权利要求1-9任一项所述锂电池满充容量估计方法的装置，其特征在于，包括分别与锂电池和外部设备连接的CPU，以及分别与CPU连接的最大化学容量存储器和充电时间常数存储器，所述的最大化学容量存储器为Flash型存储器，用于存储最大化学容量的初始值和更新值，所述的充电时间常数存储器为Flash型存储器，用于存储充电时间常数的初始值和更新值，所述的CPU为中央处理器，用于完成对锂电池电压、电流以及温度数据的采集以及对最大化学容量、充电时间常数和满充容量的计算，并将满充容量估计值传送至外部设备。
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