CN111551868B - 一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法 - Google Patents

一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法，属于车辆电池领域。该方法包括：实时获取单体电池首次充电时的充电电量和电池电压；根据首次充电的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV‑容量曲线；取第一dQ/dV‑容量曲线中的所有波谷区域中的预设点的横坐标值作为参照电量；对电池系统进行外接充电，并实时获取各个单体电池的充电电量和电池电压；根据外接充电过程中各个单体电池的充电电量和电池电压分别绘制第二dQ/dV‑容量图；提取每一第二dQ/dV‑容量图中的每个对应点的横坐标值作为测量电量；根据测量电量与参照电量分析电池系统的一致性。本发明的一致性分析方法准确度高、用时短且不受SOH影响。

Description

一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法
技术领域
本发明涉及车辆电池领域，特别是涉及一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法。
背景技术
动力电池是新能源汽车的关键部件，是纯电动车的关键成本构成。动力电池的寿命直接影响着用户的使用成本和整车的性能。磷酸铁锂电池由于其高安全性、长循环寿命和低成本被广泛应用到新能源车中。动力电池系统是由成百上千个动力电池单体通过串并联的形式组成，单体电池在生产过程中的材料一致性，加工过程一致性以及后期使用过程中的电池管理一致性和环境一致性都会造成动力电池在实际使用过程中表现出来容量不一致性的情况。
现在一般是采用单体电池的静态电压来判断电池系统的一致性，由于磷酸铁锂电池的OCV曲线比较平，此方法只能在特性的SOC区间进行判断，在平台期无法采用静态电压来判断电池的带电量差异。而在SOC非平台期，用静态电压进行判断的时候，需要将电池长时间搁置，所需时间比较长。另外，由于电池衰减的程度不同，SOC－OCV曲线也不同，用同一条曲线去判断所有的电芯一致性并不准确。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种准确度高的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法。
本发明一个进一步的目的是要缩短一致性分析的时间。
本发明另一个进一步的目的是要进一步提高数据的准确性。
特别地，本发明提供了一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法，包括：
对放空电后的单体电池以恒定电流进行首次充电，并在首次充电过程中实时获取所述单体电池的充电电量和电池电压；
根据首次充电过程中实时获取的所述单体电池的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV-容量曲线；
取所述第一dQ/dV-容量曲线中的所有波谷区域中的预设点对应的横坐标值作为参照电量，所述预设点为靠近下一波峰的实际最低点；
对由多个所述单体电池组成的电池系统进行外接充电，并在外接充电过程中实时获取所述电池系统中各个所述单体电池的充电电量和电池电压；
根据外接充电过程中实时获取的各个所述单体电池的充电电量和电池电压分别绘制对应于每一所述单体电池的第二dQ/dV-容量图；
提取每一所述第二dQ/dV-容量图中的与每一所述预设点对应的每个对应点的横坐标值作为测量电量；
根据对应的每一所述测量电量与每一所述参照电量分析所述电池系统的一致性。
可选地，根据对应的每一所述测量电量与每一所述参照电量分析所述电池系统的一致性，包括：
计算所述电池系统的每一所述单体电池的每一所述测量电量与相对应的每一所述参照电量的差值的均值；
根据所述电池系统的每一所述单体电池的所述均值的差异性评估所述电池系统的一致性。
可选地，所述预设点的后方至少有连续预设数量个较大点，所述较大点与所述预设点处于同一波谷区域且所述较大点的纵坐标均大于所述预设点的纵坐标。
可选地，所述对应点位于所述第二dQ/dV-容量图的波谷区域，且所述对应点所在的波谷区域和与其对应的所述预设点所在的波谷区域的位置大致相同。
可选地，所述对应点的后方至少有连续预设数量个较大点，所述较大点与所述对应点处于同一波谷区域且所述较大点的纵坐标均大于所述对应点的纵坐标。
可选地，在首次充电过程中实时获取所述单体电池的充电电量和电池电压，包括：
在首次充电过程中实时记录所述单体电池的充电电流、充电时间和电池电压；
取所述充电电流相对所述充电时间的积分值作为首次充电过程中所述单体电池的充电电量。
可选地，根据首次充电过程中实时获取的所述单体电池的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV-容量曲线，包括：
实时计算首次充电过程中所述单体电池的充电电量的变化量与所述电池电压的变化量的比值；
将同一时刻对应的所述单体电池的充电电量的变化量与所述电池电压的变化量的比值作为纵坐标，所述单体电池的充电电量作为横坐标绘制所述第一dQ/dV-容量曲线。
可选地，根据外接充电过程中实时获取的各个所述单体电池的充电电量和电池电压分别绘制对应于每一所述单体电池的第二dQ/dV-容量图之前，还包括：
对由多个所述单体电池组成的电池系统进行外接充电，并在外接充电过程中实时获取所述电池系统中各个所述单体电池的充电电量和电池电压。
本发明将所绘制的dQ/dV-容量曲线的波谷区域中的预设点作为参照电量用来进行电池系统的一致性分析，由于多次实验证明，以充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值为纵坐标、充电电量为横坐标绘制而成dQ/dV-容量曲线中波谷区域中的预设点的所对应的充电电量值不会随着SOH的变化而变化，因此能够作为较为准确的参照点，用来分析电池系统中各个单体电池的一致性，提高一致性分析的准确度。
进一步地，本发明获得参照真实电量的过程只需要记录电池充电过程的数据，不需要像现有技术中使用静态电压进行判断时需要将电池长时间搁置，因此本实施例的方法所需时间较短。
进一步地，本发明的方法保证预设点的后方至少有连续预设数量个较大点，较大点与预设点处于同一波谷区域且较大点的纵坐标均大于预设点的纵坐标。这样选取可以保证预设点为实际意义上的最小值，而不是毛刺点，从而提高参照电量的准确性，为后续的一致性分析提供可靠依据。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的第一dQ/dV-容量曲线；
图3是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的1#电池的第二dQ/dV-容量图；
图4是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的2#电池的第二dQ/dV-容量图；
图5是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的3#电池的第二dQ/dV-容量图。
具体实施方式
关于磷酸铁锂电池，至今还无法完全掌握其特性及反应机理，因此对磷酸铁锂电池的特性还有较多待探索的方面。发明人对磷酸铁锂电池的充电数据进行整理和分析中发现：dQ/dV-容量曲线中的起峰位置是不随电池的SOH(State Of Health，电池的健康度)变化而变化的，即上述曲线中的起峰位置不随电池使用寿命的变化而变化，这里的dQ/dV-容量曲线以充电电量的变化量与所述电池电压的变化量的比值为纵坐标、充电电量为横坐标绘制而成。利用这一发现，可以认为上述起峰位置不随电池的SOH变化是磷酸铁锂电池的固有特性之一。本发明中利用了上述固有特征对磷酸铁锂电池系统进行了一致性分析。
实际使用中，一般是通过将多个单体电池以一定的串并联形式组织在一起形成电池系统，一致性分析是指一个由多个单体电池组成的电池系统在实际使用后，由于各个单体电池的充放电性能发生变化而导致出现的差异性，例如电池的老化程度不同、自身的放电性能发生改变等因素导致的差异。
图1是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的流程图。图2是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的第一dQ/dV-容量曲线。图3是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的1#电池的第二dQ/dV-容量图。图4是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的2#电池的第二dQ/dV-容量图。图5是根据本发明一个实施例的磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法的所采用的3#电池的第二dQ/dV-容量图。本发明提供了一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法，如图1所示，一个实施例中，该一致性分析方法包括以下步骤：
S10：对放空电后的单体电池以恒定电流进行首次充电，并在首次充电过程中实时获取单体电池的充电电量和电池电压。充电电流不同会导致电池内部的极化状态不同，所以仅采用恒流充电段的数据进行分析。
S20：根据首次充电过程中实时获取的单体电池的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV-容量曲线。第一dQ/dV-容量曲线的横坐标为首次充电的单体电池的充电电量，纵坐标为首次充电的单体电池的充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值。
通过对单体电池的充电电流I、电池电压V及充电时间t的数据处理，可以获得如图2所示的第一dQ/dV-容量曲线。具体地，在首次充电过程中实时记录单体电池的充电电流、充电时间和电池电压，取充电电流相对充电时间的积分值作为首次充电过程中单体电池的充电电量Q。然后实时计算dQ/dV。再将各个时刻对应的dQ/dV和Q绘制到一个曲线中，即图2所示的第一dQ/dV-容量曲线。
S30：取第一dQ/dV-容量曲线中的所有波谷区域中的预设点对应的横坐标值作为参照电量，预设点为靠近下一波峰的实际最低点。
这里的波谷区域靠近下一个波峰的位置对应于前文所说的起峰位置。图2中可以看出，第一dQ/dV-容量曲线存在A、B两处波谷区域，在A、B两处波谷区域内通过数据比较可以获得实际的纵坐标最小值点，即实际最低点。具体地，关于预设点的选取，一般是选用波谷区域的最低点，但是由于数据的波动性，会有毛刺产生。因此，在本发明的一些实施例中，要保证预设点的后方至少有连续预设数量个较大点，例如至少10个较大点。较大点与预设点处于同一波谷区域且较大点的纵坐标均大于预设点的纵坐标。这样选取可以保证预设点为实际意义上的最小值，而不是毛刺点，从而提高参照电量的准确性，为后续的一致性分析提供可靠依据。
S40：根据外接充电过程中实时获取的各个单体电池的充电电量和电池电压分别绘制对应于每一单体电池的第二dQ/dV-容量图(参见图3至图5)。每一第二dQ/dV-容量图的横坐标为外接充电时的每一单体电池的充电电量，纵坐标为外接充电时的每一单体电池的充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值。这里的外接充电是指S10首次充电之后的充电过程，例如车辆在使用过程中电量不足时的充电。
S50：提取每一第二dQ/dV-容量图中的与每一预设点对应的每个对应点的横坐标值作为测量电量。
S60：根据对应的每一测量电量与每一参照电量分析电池系统的一致性。
由于多次实验证明，以充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值为纵坐标、充电电量为横坐标绘制而成dQ/dV-容量曲线中波谷区域中的预设点的所对应的充电电量值不会随着SOH的变化而变化，因此能够作为较为准确的参照点，用来分析电池系统中各个单体电池的一致性，提高一致性分析的准确度。
进一步地，本实施例获得参照真实电量的过程只需要记录电池充电过程的数据，不需要像现有技术中使用静态电压进行判断时需要将电池长时间搁置，因此本实施例的方法所需时间较短。
进一步的一个实施例中，对应点位于第二dQ/dV-容量图的波谷区域，且对应点所在的波谷区域和与其对应的预设点所在的波谷区域的位置大致相同。
也就是说对应点在第二dQ/dV-容量图内的位置与预设点在第一dQ/dV-容量曲线内的位置不一定是完全一样的，由于受充电环境、使用次数等因素的影响，单体电池在充电过程中的表现不会完全相同，只是起峰位置是基本保持不变的。那么只要在第二dQ/dV-容量图与第一dQ/dV-容量曲线大致对应的波谷区域去寻找对应点即可。例如图2中A区域大致位于充电电量为20AH左右，在A区域内的设定点对应的充电电量为20AH。第二dQ/dV-容量图的对应点可能出现在为10AH-40AH之间的波谷区域内，从这个波谷区域内去比较纵坐标的大小，选取对应点。
同样地，对于在第二dQ/dV-容量图选取对应点与选取预设点的方式相同，需要保证对应点的后方至少有连续预设数量个较大点，较大点与对应点处于同一波谷区域且较大点的纵坐标均大于对应点的纵坐标。这样同样可以起到数据去毛刺的作用，提高对应点数据的可靠性，为后续的分析提供可靠依据。
一个实施例中，S40之前还包括
S35：对由多个单体电池组成的电池系统进行外接充电，并在外接充电过程中实时获取电池系统中各个单体电池的充电电量和电池电压。
这里获取电池系统中各个单体电池的充电电量和电池电压的方法与前述S20中的获取方法基本相同，区别在于外接充电时，是通过电池管理系统获取的数据，可以直接读取充电电流、SOC值和电池电压。数据的处理和计算过程与前述方法一致，在此不再赘述。
需要说明的是，这里的充电电量和电池电压是恒流充电段的数据，这是由于充电电流不同导致电池内部的极化状态不同，所以仅采用恒流充电段的数据进行分析。并且一般采用充电端数据进行分析，因为电池在整车上使用过程中放电电流不稳定，电池内部的极化状态不稳定，无法得到真实的dQ/dV曲线。
另一个实施例中，S20包括：
S21：实时计算首次充电过程中单体电池的充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值。
S22：将同一时刻对应的单体电池的充电电量的变化量与电池电压的变化量的比值作为纵坐标，单体电池的充电电量作为横坐标绘制第一dQ/dV-容量曲线。
由于S10中已经获取到了实时的充电电量和电池电压的值，因此通过对这两个值进行S21和S22中简单的运算就可以绘制第一dQ/dV-容量曲线。
另一个实施例中，S60包括以下步骤：
S61：计算电池系统的每一单体电池的每一测量电量与相对应的每一参照电量的差值的均值。这里的差值就是外接充电时每一单体电池的起始带电量。
S62：根据电池系统的每一单体电池的均值的差异性评估电池系统的一致性。
由于第一dQ/dV-容量曲线和第二dQ/dV-容量图中一般会出现多个波谷区域，因此利用每一波谷区域内的测量电量和参照电量的差值取均值可以更好地估算外接充电时每一单体电池的起始带电量，提高数据的可靠性，使得后续的电池系统的一致性分析更准确。
在一个具体的实施例中，如图2所示，首先根据单体电池的充电数据获取第一dQ/dV-容量曲线，图2中的单体电池的容量为90AH，其对应的第一dQ/dV-容量曲线在20AH左右和50AH左右的位置出现波谷起峰位置，即图中的A区域和B区域，在这两个区域内比较dQ/dV，取后方至少有连续预设数量个较大点(例如至少10个较大点)的点作为预设点。图2所示的实施例中，A区域的预设点对应的充电电量为20AH(即参照电量)，B区域的预设点对应的充电电量为53AH(即参照电量)。
然后对一套由上述单体电池组成的电池系统进行外接充电，例如包括了4个上述单体电池4P180S电池系统。在对该电池系统进行外接充电时选取充电端恒流段的充电数据进行处理，部分数据处理过程如下表1所示：
表1中的电池系统的总电流(表格第一列)、电池系统的SOC值(表格第二列)及各个单体电池的电池电压值可以直接读出，表1中仅显示了3个单体电池的电池电压，即表1中的1#电池、2#电池和3#电池。然后通过将总电流对时间dt进行积分可以获得充电电量Q，通过各个时刻的充电电量Q和电池电压可以计算dQ/dV。
表1
Figure BDA0002483165200000081
Figure BDA0002483165200000091
将dQ/dV作为纵坐标，Q作为横坐标即可以绘制出第二dQ/dV-容量图，其中1#电池的第二dQ/dV-容量图如图3所示，2#电池的第二dQ/dV-容量图如图4所示，3#电池的第二dQ/dV-容量图如图5所示。根据图3至图5的曲线，以与寻找预设点相同的方法可以找到每个单体电池的对应点，并查询对应点的充电电量，即测量电量。表2列出了3个单体电池的分别对应于A、B区域的参照电量和测量电量，单位均为AH，通过对每一单体电池相同区域内的参照电量和测量电量的差值(起始带电量)取均值作为平均电量，用来对电池系统进行一致性分析。需要注意的是，表2中的值均为电池系统的电量值，由于电池系统有4个单体电池，因此各区域的参照电量应该是上述的20AH和53AH均乘以4。
表2
Figure BDA0002483165200000092
Figure BDA0002483165200000101
由表2得出平均电量后，可以知道3个单体电池的差异性，即对电池系统进行一致性分析。具体地，从表2各个单体电池的平均电量可以知道，3个电池的在开始充电时所带的电量已经不同，2#电池和3#电池的带电量比1#电池少，因此可以在适当的时候进行补充电，例如整个电池系统充满电后对2#电池和3#电池进行补充电，这样使得各个电池的真实带电量尽量相同，而避免整个电池系统为了保护最少带电量的单体电池而提前断开。当然得出上述平均电量后还可以利用该数据进行其他方面的分析，这与现有技术中的一致性分析相同，在此不一一列举。
另外，由于dQ＝dIt，因此dQ/dV＝dIt/dV,这里的I为充电电量，t为充电时间，由于本发明以恒流充电，因此I可以看做一个常数，dQ/dV＝Idt/dV，也就是说dQ/dV-容量曲线的纵坐标也可以看做是时间变化量与电池电压变化量的比值。即dt/dV-容量曲线也符合上述规律，在具体实施例中，dt/dV-容量曲线与图2中的dQ/dV-容量曲线的趋势是一样的。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种磷酸铁锂电池系统的一致性分析方法，其特征在于，包括：
对放空电后的单体电池以恒定电流进行首次充电，并在首次充电过程中实时获取所述单体电池的充电电量和电池电压；
根据首次充电过程中实时获取的所述单体电池的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV-容量曲线；
取所述第一dQ/dV-容量曲线中的所有波谷区域中的预设点对应的横坐标值作为参照电量，所述预设点为靠近下一波峰的实际最低点；根据外接充电过程中实时获取的各个所述单体电池的充电电量和电池电压分别绘制对应于每一所述单体电池的第二dQ/dV-容量图；
提取每一所述第二dQ/dV-容量图中的与每一所述预设点对应的每个对应点的横坐标值作为测量电量；
根据对应的每一所述测量电量与每一所述参照电量分析所述电池系统的一致性；
根据对应的每一所述测量电量与每一所述参照电量分析所述电池系统的一致性，包括：
计算所述电池系统的每一所述单体电池的每一所述测量电量与相对应的每一所述参照电量的差值的均值；
根据所述电池系统的每一所述单体电池的所述均值的差异性评估所述电池系统的一致性。
2.根据权利要求1所述的一致性分析方法，其特征在于，
所述预设点的后方至少有连续预设数量个较大点，所述较大点与所述预设点处于同一波谷区域且所述较大点的纵坐标均大于所述预设点的纵坐标。
3.根据权利要求2所述的一致性分析方法，其特征在于，
所述对应点位于所述第二dQ/dV-容量图的波谷区域，且所述对应点所在的波谷区域和与其对应的所述预设点所在的波谷区域的位置大致相同。
4.根据权利要求3所述的一致性分析方法，其特征在于，
所述对应点的后方至少有连续预设数量个较大点，所述较大点与所述对应点处于同一波谷区域且所述较大点的纵坐标均大于所述对应点的纵坐标。
5.根据权利要求1所述的一致性分析方法，其特征在于，在首次充电过程中实时获取所述单体电池的充电电量和电池电压，包括：
在首次充电过程中实时记录所述单体电池的充电电流、充电时间和电池电压；
取所述充电电流相对所述充电时间的积分值作为首次充电过程中所述单体电池的充电电量。
6.根据权利要求5所述的一致性分析方法，其特征在于，根据首次充电过程中实时获取的所述单体电池的充电电量和电池电压绘制第一dQ/dV-容量曲线，包括：
实时计算首次充电过程中所述单体电池的充电电量的变化量与所述电池电压的变化量的比值；
将同一时刻对应的所述单体电池的充电电量的变化量与所述电池电压的变化量的比值作为纵坐标，所述单体电池的充电电量作为横坐标绘制所述第一dQ/dV-容量曲线。
7.根据权利要求1所述的一致性分析方法，其特征在于，根据外接充电过程中实时获取的各个所述单体电池的充电电量和电池电压分别绘制对应于每一所述单体电池的第二dQ/dV-容量图之前，还包括：
对由多个所述单体电池组成的电池系统进行外接充电，并在外接充电过程中实时获取所述电池系统中各个所述单体电池的充电电量和电池电压。
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