CN111624505B - 复合电源用功率型锂电池内阻测量方法 - Google Patents

复合电源用功率型锂电池内阻测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合电源用功率型锂电池内阻测量方法，属于复合电源技术领域。本发明基于锂电池的直流等效电路模型，利用电池产品的标准充放电数据和开路电压数据，设计了一种锂电池直流内阻测量方法，能够快速地计算锂电池在大电流条件下的全SOC段直流内阻准确数值，缩短了直流内阻的测量时间和计算复杂度，有助于快速评估锂电池的使用寿命及健康情况。

Description

复合电源用功率型锂电池内阻测量方法
技术领域
本发明属于复合电源技术领域，具体涉及一种复合电源用功率型锂电池内阻测量方法。
背景技术
为适应装甲车辆的全电化趋势，复合电源已逐渐广泛应用于装甲车辆的机电系统中，功率型锂电池作为复合电源中的主要组成，负责在装甲车辆静默行驶工况下的全部功率输出，并负责在其他工况下对装甲车辆机电系统的能量流进行削峰填谷，保证装甲车辆机电系统的电能质量。因此功率型锂电池的健康状况、使用寿命直接影响到装甲车辆的性能。
直流内阻是判断锂电池健康状况及预测使用寿命的主要依据，目前锂电池领域测量直流内阻的主要方法是通过HPPC测试，经过长时间的″短时充放电脉冲+静置″来获得测量结果。这种测试虽然结果准确，但测量时间长，测量条件要求高，只适合电池单体出厂检测，不适用于已装配成组的复合电源用锂电池组的测量评估。
已有研究提出一种通过直流充放电曲线数据测量电池内阻的方法，可缩短测量时间，但由于电池本身特性限制，大工作电流下的恒流充电、放电并不能使电池达到满充或满放状态，尤其在低温环境下更为明显，因此该方法在较大工作电流，全温度范围的条件下不能得到准确的测量结果，而对于复合电源来讲，大工作电流，宽温度范围条件下的电池内阻才更具参考意义。因此，目前亟需提出一种快速、易操作、能在较大工作电流和较宽温度范围内得到较准确测量结果的直流内阻测量方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种锂电池直流内阻测量方法，能够在大工作电流、宽温度范围条件下快速、方便地获取锂电池直流内阻的准确测量值，为复合电源评估电池状态提供主要依据。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合电源用功率型锂电池内阻测量方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电池产品手册规定的电池标准放电电流、与标准放电流程相对应的截止电压，标准充电电流、标准充电电压，以及与标准充电电压相对应的截止电流，对动力电池进行多次标准充放电循环操作，最后进行标准充放电，将动力电池满充或满放；
步骤2、从电池产品手册规定的安全工作范围中，获取电池的M个工作温度点，记为t1，t2，...tm，...，tM，所选工作温度点中应包含电池产品手册规定的最低工作温度点和最高工作温度点；m＝1，...，M；
步骤3、在步骤2中选取的每个工作温度点tm获取动力电池的N个工作电流，记为i1，tm，i2，tm，...，in，tm，，...，iN，tm，所选工作电流中包含电池产品手册规定的tm温度点电池允许的最大持续充电、放电电流，同时选取远小于以上N个工作电流的参考电流iref，tm，并根据电池产品手册得到与各个工作电流相对应的截止电压；判断是否远小于的标准为预设标准；n＝1，...，N；
步骤4、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3的各个工作电流分别对步骤1满充或满放的电池进行标准放电或充电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中对应工作电流下的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为标准充放电曲线；
步骤5、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3中选取的参考电流iref，tm分别对电池进行标准充电或放电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中参考电流的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为参考充放电曲线；
步骤6、选取步骤4中获取的任一温度点tm下对应的任一工作电流in，tm的标准充电或放电曲线，计算出电池在充电或放电过程中SOC随时间变化的曲线，并建立起温度点tm，工作电流in，tm的标准充电或放电流程下，电池端电压和电池电流随电池SOC变化的对应关系；
步骤7、在0％到100％范围内，以预设Δsoc为间隔，选取一系列SOC的插值点，对步骤6中获取的随SOC变化的电压和电流曲线进行插值求取；
步骤8、反复进行步骤6和步骤7，获得通过同一SOC插值点求取的，所有温度点下所有工作电流对应的标准充电或放电流程中，电池电压及电流随SOC变化曲线；
步骤9、根据电池产品手册提供的电池开路电压与SOC对应关系，在步骤7的各SOC插值点计算获得开路电压随插值点变化的数据曲线；
步骤10、对所有温度点下的参考充放电曲线进行步骤6至步骤8，获取全温度点下的参考充放电过程中，电池电压、电流随SOC变化曲线；
步骤11、任取同一温度点tm的工作电流in，tm，截取其对应的恒流充电或放电的SOC的范围，并截取in，tm和iref，tm对应的、在此范围内的电压、电流随SOC变化曲线，计算获得in，tm和iref，tm两工作电流对应的差值电流在tm温度点下的直流充放电SOC段内阻曲线；
步骤12、截取步骤11中in，tm对应的非恒流充电或放电SOC范围，在此SOC范围内，利用开路电压数据进行校正；
步骤13、将步骤11和步骤12获得的直流内阻曲线进行拼接，得到温度点tm，工作电流in，tm下的全SOC段直流内阻曲线；
步骤14、在全温度范围，全工作电流点进行步骤11至步骤13，获得电池在全温度范围，全工作电流点的直流内阻谱。
优选地，步骤6中，根据公式(6-1)计算出电池在充电或放电过程中SOC随时间变化的曲线，并建立起温度点tm，工作电流in，tm的标准充电或放电流程下，电池端电压和电池电流随电池SOC变化的对应关系；
Figure GDA0003524767070000041
i(t)表示t时刻的电池电流；C表示电池容量；t0表示起始时间。
优选地，步骤11中，基于锂电池直流等效电路模型，计算得到锂电池直流内阻测量结果。
优选地，步骤11中，根据公式(11-1)计算获得in，tm和iref，tm两工作电流对应的差值电流在tm温度点下的直流充放电SOC段内阻曲线；
Figure GDA0003524767070000042
其中，un，tm为与in，tm对应的电压，uref，tm为与iref，tm对应的电压。
优选地，步骤11中，由于参考电流iref，tm远小于工作电流in，tm，公式(11-1)表示的曲线可看做工作电流对应的充电或放电直流内阻曲线片段，即：
Figure GDA0003524767070000043
优选地，步骤12中，截取步骤11中in，tm对应的非恒流充电或放电SOC范围，在此SOC范围内，计算in，tm在非恒流充电或放电SOC段的直流内阻曲线。
优选地，步骤12中，根据公式(12-1)计算in，tm在非恒流充电或放电SOC段的直流内阻曲线；
Figure GDA0003524767070000044
其中，uocv(SOC)表示开路电压。
优选地，在步骤14之后还包括建立锂电池在一定宽温度范围的直流内阻谱图的步骤。
本发明又提供了一种所述的方法在复合电源评估电池状态中的应用。
本发明还提供了一种所述的方法在复合电源技术领域中的应用。
(三)有益效果
本发明基于锂电池的直流等效电路模型，利用电池产品的标准充放电数据和开路电压数据，设计了一种锂电池直流内阻测量方法，能够快速地计算锂电池在大电流条件下的全SOC段直流内阻准确数值，为复合电源评估电池状态提供主要依据，缩短了直流内阻的测量时间和计算复杂度，有助于快速评估锂电池的使用寿命及健康情况。
附图说明
图1为本发明中锂电池的直流等效电路模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明通过对不同环境温度，不同电流大小的标准充放电流程获取的充放电电压、电流曲线，以及电池开路电压曲线进行分析计算，用来获取电流变化在直流内阻上引起的电压变化，最终提供了一种能够准确计算电池直流电阻的方法，本发明提出的测定电池直流内阻的方法，包括以下步骤：
步骤1、根据电池产品手册规定的电池标准放电电流、与标准放电流程相对应的截止电压，标准充电电流、标准充电电压，以及与标准充电电压相对应的截止电流，对动力电池进行多次标准充放电循环操作，最后进行标准充放电，将动力电池满充或满放；
步骤2、从电池产品手册规定的安全工作范围中，获取电池的M个工作温度点，记为t1，t2，...tm，...，tM，所选工作温度点中应包含电池产品手册规定的最低工作温度点和最高工作温度点；m＝1，...，M；
步骤3、在步骤2中选取的每个工作温度点tm获取动力电池的N个工作电流，记为i1，tm，i2，tm，...，in，tm，...，iN，tm，所选工作电流中包含电池产品手册规定的tm温度点电池允许的最大持续充电、放电电流，同时选取远小于以上N个工作电流的参考电流iref，tm，并根据电池产品手册得到与各个工作电流相对应的截止电压；判断是否远小于的标准为预设标准；n＝1，...，N；
步骤4、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3的各个工作电流分别对步骤1满充或满放的电池进行标准放电或充电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中对应工作电流下的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为标准充放电曲线；
步骤5、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3中选取的参考电流iref，tm分别对电池进行标准充电或放电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中参考电流的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为参考充放电曲线；
步骤6、选取步骤4中获取的任一温度点tm下对应的任一工作电流in，tm的标准充电或放电曲线，根据公式(6-1)计算出电池在充电或放电过程中SOC随时间变化的曲线，并建立起温度点tm，工作电流in，tm的标准充电或放电流程下，电池端电压和电池电流随电池SOC变化的对应关系；
Figure GDA0003524767070000061
i(t)表示t时刻的电池电流；C表示电池容量；t0表示起始时间；
步骤7、在0％到100％范围内，以预设Δsoc为间隔，选取一系列SOC的插值点，对步骤6中获取的随SOC变化的电压和电流曲线进行插值求取；
步骤8、反复进行步骤6和步骤7，获得通过同一SOC插值点求取的，所有温度点下所有工作电流对应的标准充电或放电流程中，电池电压及电流随SOC变化曲线；
步骤9、根据电池产品手册提供的电池开路电压与SOC对应关系，在步骤7的各SOC插值点计算获得开路电压随插值点变化的数据曲线；
步骤10、对所有温度点下的参考充放电曲线进行步骤6至步骤8，获取全温度点下的参考充放电过程中，电池电压、电流随SOC变化曲线；
步骤11、任取同一温度点tm的工作电流in，tm，截取其对应的恒流充电或放电的SOC的范围，并截取in，tm和iref，tm对应的，在此范围内的电压、电流随SOC变化曲线，根据公式(11-1)计算获得in，tm和iref，tm两工作电流对应的差值电流在tm温度点下的直流充放电SOC段内阻曲线；
Figure GDA0003524767070000071
其中，un，tm为与in，tm对应的电压，uref，tm为与iref，tm对应的电压；由于参考电流iref，tm远远小于工作电流in，tm，公式(11-1)表示的曲线可近似看做工作电流对应的充电或放电直流内阻曲线片段，即：
Figure GDA0003524767070000072
步骤12、截取步骤11中in，tm对应的非恒流充电或放电SOC范围，在此SOC范围内，根据公式(12-1)计算in，tm在非恒流充电或放电SOC段的直流内阻曲线；
Figure GDA0003524767070000073
其中，uocv(SOC)表示开路电压；
步骤13、将步骤11和步骤12获得的直流内阻曲线进行拼接，得到温度点tm，工作电流in，tm下的全SOC段直流内阻曲线；
步骤14、在全温度范围，全工作电流点进行步骤11至步骤13，获得电池在全温度范围，全工作电流点的直流内阻谱。
其中，对以上步骤中公式(11-1)至公式(12-1)的设计原理说明如下：
根据锂电池的直流等效电路模型(图1)，锂电池在直流充放电工况下可近似等效为直流电压源与直流内阻串联，其中直流电压源电压等于电池电动势，由电池温度t，充放电电流i与电池SOC决定，直流内阻由由电池温度t与充放电电流i决定。因此根据同一温度点下的不同工作电流i对应的直流充放电曲线，可以计算得到锂电池直流内阻值如公式(11-1)所示。
如果其中一个电流远远小于另一个，那么该计算结果可近似等于较大工作电流对应的锂电池直流内阻值，即得到公式(11-2)；
基于以上原理，可在同一温度点选取合适的工作电流与远远小于工作电路的参考电流，获取工作电流及参考电流对应的标准流程充放电电压、电流数据，并计算得到该温度点下工作电流对应的直流内阻。
由于标准充电流程中，电池达到充电截止电压后要改为恒压充电，这一段处于高SOC段，基于以上原理往往得不到准确的测量结果，因此可利用电池的开路电压数据在该SOC段进行校正，如公式(12-1)所示。
在不同温度点选取不同工作电流重复以上流程，就可建立锂电池在宽温度范围的直流内阻谱图，从而对锂电池的特性和健康状况得到评估。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种复合电源用功率型锂电池内阻测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据电池产品手册规定的电池标准放电电流、与标准放电流程相对应的截止电压，标准充电电流、标准充电电压，以及与标准充电电压相对应的截止电流，对动力电池进行多次标准充放电循环操作，最后进行标准充放电，将动力电池满充或满放；
步骤2、从电池产品手册规定的安全工作范围中，获取电池的M个工作温度点，记为t1，t2，...tm，...，tM，所选工作温度点中应包含电池产品手册规定的最低工作温度点和最高工作温度点；m＝1，...，M；
步骤3、在步骤2中选取的每个工作温度点tm获取动力电池的N个工作电流，记为i1，tm，i2，tm，...，in，tm，...，iN，tm，所选工作电流中包含电池产品手册规定的tm温度点电池允许的最大持续充电、放电电流，同时选取远小于以上N个工作电流的参考电流iref，tm，并根据电池产品手册得到与各个工作电流相对应的截止电压；判断是否远小于的标准为预设标准；n＝1，...，N；
步骤4、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3的各个工作电流分别对步骤1满充或满放的电池进行标准放电或充电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中对应工作电流下的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为标准充放电曲线；
步骤5、在步骤2中选取的各个工作温度点下，以步骤3中选取的参考电流iref，tm分别对电池进行标准充电或放电操作，使得每次充电或放电操作的截止电压等于步骤2中对应温度及步骤3中参考电流的截止电压，并在每次充电或放电操作中记录下电池端电压与电流随时间变化的数据曲线，记为参考充放电曲线；
步骤6、选取步骤4中获取的任一温度点tm下对应的任一工作电流in，tm的标准充电或放电曲线，计算出电池在充电或放电过程中SOC随时间变化的曲线，并建立起温度点tm，工作电流in，tm的标准充电或放电流程下，电池端电压和电池电流随电池SOC变化的对应关系；
步骤7、在0％到100％范围内，以预设Δsoc为间隔，选取一系列SOC的插值点，对步骤6中获取的随SOC变化的电压和电流曲线进行插值求取；
步骤8、反复进行步骤6和步骤7，获得通过同一SOC插值点求取的，所有温度点下所有工作电流对应的标准充电或放电流程中，电池电压及电流随SOC变化曲线；
步骤9、根据电池产品手册提供的电池开路电压与SOC对应关系，在步骤7的各SOC插值点计算获得开路电压随插值点变化的数据曲线；
步骤10、对所有温度点下的参考充放电曲线进行步骤6至步骤8，获取全温度点下的参考充放电过程中，电池电压、电流随SOC变化曲线；
步骤11、任取同一温度点tm的工作电流in，tm，截取其对应的恒流充电或放电的SOC的范围，并截取in，tm和iref，tm对应的、在此范围内的电压、电流随SOC变化曲线，计算获得in，tm和iref，tm两工作电流对应的差值电流在tm温度点下的直流充放电SOC段内阻曲线；
步骤12、截取步骤11中in，tm对应的非恒流充电或放电SOC范围，在此SOC范围内，利用开路电压数据进行校正；
步骤13、将步骤11和步骤12获得的直流内阻曲线进行拼接，得到温度点tm，工作电流in，tm下的全SOC段直流内阻曲线；
步骤14、在全温度范围，全工作电流点进行步骤11至步骤13，获得电池在全温度范围，全工作电流点的直流内阻谱；
步骤6中，根据公式(6-1)计算出电池在充电或放电过程中SOC随时间变化的曲线，并建立起温度点tm，工作电流in，tm的标准充电或放电流程下，电池端电压和电池电流随电池SOC变化的对应关系；
Figure FDA0003524767060000031
i(t)表示t时刻的电池电流；C表示电池容量；t0表示起始时间；
步骤11中，基于锂电池直流等效电路模型，计算得到锂电池直流内阻测量结果；
步骤11中，根据公式(11-1)计算获得in，tm和iref，tm两工作电流对应的差值电流在tm温度点下的直流充放电SOC段内阻曲线；
Figure FDA0003524767060000032
其中，un，tm为与in，tm对应的电压，uref，tm为与iref，tm对应的电压；
步骤11中，由于参考电流iref，tm远小于工作电流in，tm，公式(11-1)表示的曲线可看做工作电流对应的充电或放电直流内阻曲线片段，即：
Figure FDA0003524767060000033
步骤12中，截取步骤11中in，tm对应的非恒流充电或放电SOC范围，在此SOC范围内，计算in，tm在非恒流充电或放电SOC段的直流内阻曲线；
步骤12中，根据公式(12-1)计算in，tm在非恒流充电或放电SOC段的直流内阻曲线；
Figure FDA0003524767060000034
其中，uocv(SOC)表示开路电压。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤14之后还包括建立锂电池在一定宽温度范围的直流内阻谱图的步骤。
3.一种如权利要求1至2中任一项所述的方法在复合电源评估电池状态中的应用。
4.一种如权利要求1至2中任一项所述的方法在复合电源技术领域中的应用。
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