CN111707944B - 一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法 - Google Patents

一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，包括依次建立的电池单体SOC vs OCV模型、单体电池容量与温度模型、电池组放电单体电压与SOC关系模型，根据上述三个模型，通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值。本发明所述的三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，通过建立电池组的特性模型，根据电池组的初始单体电池电压情况，通过影响公式即可估算出电池组的放电截止时的单体电压差；无需对电池组进行充放电，即可估算电池组放电截止时的单体电压差，效率高；同时无需充放电设备，投入成本低，大大降低了企业成本。

Description

一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法
技术领域
本发明属于动力电池包生产技术领域，尤其是涉及一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法。
背景技术
电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。不同类型的电池内阻不同。相同类型的电池，由于内部化学特性的不一致，内阻也不一样。电池的内阻很小，我们一般用毫欧的单位来定义它。内阻是衡量电池性能的一个重要技术指标。电池的内阻很小，我们一般用微欧或者毫欧的单位来定义它。在一般的测量场合，我们要求电池的内阻测量精度误差必须控制在正负5％以内。这么小的阻值和这么精确的要求必须用专用仪器来进行测量。
对电池内阻的测量方法有直流测试法和交流测试法两种，其中直流测试法又分为充电法和放电法。充电法测量直流内阻，是先测量一个充电前电压值，再在电池组两端连接电源对电池组进行充电，得到一个充电后电压值，将充电前后的电压值相减，再结合充电电流计算而得到充电内阻。可见，上述直流测试法中，无论是充电法，还是放电法，均需要通过测量获得充电前后或者放电前后的电池组电压绝对值，然后将两个电压绝对值进行相减得到电压差值，电压差值再结合放电电流用于直流内阻的计算。现有技术要取得各个单体电池放电截止的电压差，需要使用充放电设备对电池组进行充放电测试，不仅流程耗时长，且充放电设备硬件投入成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，以解决现有技术中使用充放电设备对电池组进行充放电测试，流程耗时长，充放电设备硬件投入成本高的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，包括依次建立的电池单体SOC vs OCV模型、单体电池容量与温度模型、电池组放电单体电压与SOC关系模型，根据上述三个模型，通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值。
进一步的，所述电池单体SOC vs OCV模型的具体建立方法为：
S11.获取电池单体1C的放电容量，记为Cd；
S12.将电池充满电，然后静置5小时，记录此时的电池开路电压V0，此时的SOC值记为SOC0；
S13.电池以1C电流放电0.05*Cd的容量，然后静置，静置时间大于4小时，记录此时的单体电池的开路电压为V1，此时的SOC值记为SOC1；
S14.循环执行步骤S13的操作，直至单体电池达到放电截止电压，同样静置，静置时间大于4小时，此时的开路电压记为Vn，SOC值记为SOCn；此时，我们可近似的通过单体电池的任何开路电压Vx估算其SOC值为SOCX，两个记录点之间SOC与OCV可近似认为线性相关：
SOCX＝SOCp+1+(Vx-Vp+1)/(Vp-Vp+1)*0.05 (Vp+1<Vx≤Vp) (1)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
进一步的，所述单体电池容量与温度模型的具体建立方法为：
S21.获取单体电池常温1C放电容量，记为C0，温度记为T0；
S22.将电池放置于27℃环境下搁置3小时，再测试此时的放电容量，记为C1，温度记为T1；
S23.每次增加2℃，循环执行步骤S22的操作，直到温度达到45℃停止，此时容量记录为Cn，温度记为Tn；我们根据单体电池的常温容量计算25℃到45℃之间任意温度Tx时的容量值为CX：
CX＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (2)
其中，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值。
进一步的，所述电池组放电单体电压与SOC关系模型的具体建立方法为：
S31.电池包以电流IC恒流恒压充电，截止电流为0.05C；
S32.电池包满电后静置30分钟，电池包以电流IC恒流放电，直到电压达到放电截止电压；
S33.电池包的容量递增值Cs取值为电池的放电容量C*0.005，在放电工步的数据中，找到最低单体电池的数据，取放电截止时其电压值记为V0，SOC值记为SOC0；查看放电容量数据记录中，每次减少Cs的容量值，找到此时的最低单体电压值Vn，此时SOC值记为SOCn，任意SOC时SOCx对应的压差值可估算为：
VX＝VP+(SOCx-SOCp)/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp) (SOCp<SOCX≤SOCP+1) (3)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
进一步的，所述通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值的具体方法为：
假设初始各单体电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，根据SOC vs OCV模型，我们可以分别计算出它们SOC值，并分别记录为SOCmax和SOCmin，则初始电压对放电截止压差的贡献可以记为：
SOCdel＝SOCmax-SOCmin (4)
假设放电截止，电池包各单体的最高温度为Tmax，最小温度为Tmin，其对放电截止压差的贡献值SOCdel1推算为：
Cmax＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (5)
Cmin＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (6)
SOCdel1＝(Cmax-Cmin)/C (7)
其中，C为单体电池标称容量，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值；
假设单体电芯最高容量为Cmax，最低容量为Cmin，则容差对放电截止压差的贡献值SOCdel2可估算为：
SOCdel2＝(Cmax-Cmin)/C*SOCinit (8)
其中，SOCinit为电池组成组时的SOC值；
总的SOC差异值SOC total计算为：
SOC total＝SOCdel+SOCdel1+SOCdel2 (9)
根据所述电池组放电单体电压与SOC关系模型，计算截止时最高单体电压为Vtotal：
Vtotal＝VP+(SOCtotal-SOCp/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp)(SOCp<SOCtotal≤SOCP+1)(10)
放电截止压差值记为Vdelta，
Vdelta＝Vtotal-Vend (11)
其中，Vend是放电截止电压，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
相对于现有技术，本发明所述的三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法具有以下优势：
(1)本发明所述的三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，通过建立电池组的特性模型，根据电池组的初始单体电池电压情况，通过影响公式即可估算出电池组的放电截止时的单体电压差。
(2)本发明所述的三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，无需对电池组进行充放电，即可估算电池组放电截止时的单体电压差，效率高；同时无需充放电设备，投入成本低，大大降低了企业成本。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合实施例来详细说明本发明。
名词解释：
S0C：State of charge，即荷电状态；
OCV：Open circuit voltage，开路电压。
电动汽车的动力电池组，由多个电池单体串联构成。构成电池组的各个单体电池之间的一致性是影响电池组性能发挥的主要因素。电池组放电截止的压差是评估电池组一致性的重要指标。本方案提供一种可以不用对电池组充放电而估算出电池组放电截止压差值的方法。
电池组放电截止压差的影响因素主要包括：放电电流、各个单体电池容量分布、各单体电池的初始电量状态(SOC-State of charge，即荷电状态)和电池组的放电截止温度分布。
一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，包括依次建立的电池单体SOC vs OCV模型、单体电池容量与温度模型、电池组放电单体电压与SOC关系模型，根据上述三个模型，通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值。
所述电池单体SOC vs OCV模型的具体建立方法为：
S11.获取电池单体1C(即充放电电流值等于电池标称容量值，C为电池单体的标称容量)放电容量，记为Cd；
S12.将电池充满电(恒流恒压方式，截止电流为0.05C)，然后静置5小时，记录此时的电池开路电压V0，此时的SOC值记为SOC0；
S13.电池以1C电流放电0.05*Cd的容量，然后静置5小时(静置时间要求>4小时)，记录此时的单体电池的开路电压为V1，此时的SOC值记为SOC1。
S14.循环执行步骤S13的操作，直至单体电池达到放电截止电压，同样静置5小时，此时的开路电压记为Vn，SOC值记为SOCn。此时，我们可近似的通过单体电池的任何开路电压Vx估算其SOC值为SOCX(两个记录点之间SOC与OCV可近似认为线性相关)：
SOCX＝SOCp+1+(Vx-Vp+1)/(Vp-Vp+1)*0.05 (Vp+1<Vx≤Vp) (1)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
所述单体电池容量与温度模型的具体建立方法为：
S21.获取单体电池常温(25℃)1C放电容量，记为C0，温度记为T0。
S22.将电池放置于27℃环境下搁置3小时，再测试此时的放电容量，记为C1，温度记为T1。
S23.每次增加2℃，循环执行步骤S22的操作，直到温度达到45℃停止，此时容量记录为Cn，温度记为Tn。我们可近似的根据单体电池的常温容量计算25℃到45℃之间任意温度Tx时的容量值为CX：
CX＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (2)
其中，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值。
所述电池组放电单体电压与SOC关系模型的具体建立方法为：
此模型获取所使用的放电电流值应与估算截止压差所用电流值IC一致，
S31.电池包以电流IC恒流恒压充电(截止电流为0.05C)；
S32.电池包满电后静置30分钟，电池包以电流IC恒流放电，直到电压达到放电截止电压；
S33.电池包的容量递增值Cs取值为电池的放电容量C*0.005，也就是0.5％的SOC。在放电工步的数据中，找到最低单体电池的数据，取放电截止时其电压值记为V0，SOC值记为SOC0；查看放电容量数据记录中，每次减少Cs的容量值，找到此时的最低单体电压值Vn，此时SOC值记为SOCn，任意SOC时SOCx对应的压差值可估算为：
VX＝VP+(SOCx-SOCp)/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp) (SOCp<SOCX≤SOCP+1) (3)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
根据电池单体SOC vs OCV模型、单体电池容量与温度模型、电池组放电单体电压与SOC关系模型，通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值的具体方法为：
假设初始各单体电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，根据SOC vs OCV模型我们可以分别计算出它们SOC值，并分别记录为SOCmax和SOCmin，则初始电压对放电截止压差的贡献可以记为：
SOCdel＝SOCmax-SOCmin (4)
假设放电截止，电池包各单体的最高温度为Tmax，最小温度为Tmin，其对放电截止压差的贡献值SOCdel1可以推算为：
Cmax＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (5)
Cmin＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (6)
SOCdel1＝(Cmax-Cmin)/C (7)
其中，C为单体电池标称容量，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值；
假设单体电芯最高容量为Cmax，最低容量为Cmin，则容差对放电截止压差的贡献值SOCdel2可估算为：
SOCdel2＝(Cmax-Cmin)/C*SOCinit (8)
其中，SOCinit为电池组成组时的SOC值；
总的SOC差异值SOC total可计算为：
SOC total＝SOCdel+SOCdel1+SOCdel2 (9)
根据所述电池组放电单体电压与SOC关系模型，计算截止时最高单体电压为Vtotal：
Vtotal＝VP+(SOC total-SOCp/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp)(SOCp<SOC total≤SOCP+1)(10)
放电截止压差值记为Vdelta
Vdelta＝Vtotal-Vend (11)
其中，Vend是放电截止电压，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
Vdelta即是我们要估算的放电截止压差。
本方案通过建立电池组的特性模型，根据电池组的初始单体电池电压情况，通过影响公式即可估算出电池组的放电截止时的单体电压差；本方案无需对电池组进行充放电即可估算电池组放电截止时的单体电压差，效率高；同时无需充放电设备，投入成本低，大大降低了企业成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，其特征在于：包括依次建立的电池单体SOC vs OCV模型、单体电池容量与温度模型、电池组放电单体电压与SOC关系模型，根据上述三个模型，通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值；
所述电池单体SOC vs OCV模型的具体建立方法为：
S11.获取电池单体1C的放电容量，记为Cd；
S12.将电池充满电，然后静置5小时，记录此时的电池开路电压V0，此时的SOC值记为SOC0；
S13.电池以1C电流放电0.05*Cd的容量，然后静置，静置时间大于4小时，记录此时的单体电池的开路电压为V1，此时的SOC值记为SOC1；
S14.循环执行步骤S13的操作，直至单体电池达到放电截止电压，同样静置，静置时间大于4小时，此时的开路电压记为Vn，SOC值记为SOCn；此时，我们可近似的通过单体电池的任何开路电压Vx估算其SOC值为SOCX，两个记录点之间SOC与OCV可近似认为线性相关：
所述单体电池容量与温度模型的具体建立方法为：
S21.获取单体电池常温1C放电容量，记为C0，温度记为T0；
S22.将电池放置于27℃环境下搁置3小时，再测试此时的放电容量，记为C1，温度记为T1；
S23.每次增加2℃，循环执行步骤S22的操作，直到温度达到45℃停止，此时容量记录为Cn，温度记为Tn；我们根据单体电池的常温容量计算25℃到45℃之间任意温度Tx时的容量值为CX：
CX＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (2)
其中，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值；
所述电池组放电单体电压与SOC关系模型的具体建立方法为：
S31.电池包以电流IC恒流恒压充电，截止电流为0.05C；
S32.电池包满电后静置30分钟，电池包以电流IC恒流放电，直到电压达到放电截止电压；
S33.电池包的容量递增值Cs取值为电池的放电容量C*0.005，在放电工步的数据中，找到最低单体电池的数据，取放电截止时其电压值记为V0，SOC值记为SOC0；查看放电容量数据记录中，每次减少Cs的容量值，找到此时的最低单体电压值Vn，此时SOC值记为SOCn，任意SOC时SOCx对应的压差值可估算为：
VX＝VP+(SOCx-SOCp)/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp) (SOCp<SOCX≤SOCP+1) (3)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值；
所述通过电池包单体的静态电压分布，估算电池组放电截止时的压差值的具体方法为：
假设初始各单体电压的最大值为Vmax，最小值为Vmin，根据SOC vs OCV模型，我们可以分别计算出它们SOC值，并分别记录为SOCmax和SOCmin，则初始电压对放电截止压差的贡献可以记为：
SOCdel＝SOCmax-SOCmin (4)
假设放电截止，电池包各单体的最高温度为Tmax，最小温度为Tmin，其对放电截止压差的贡献值SOCdel1推算为：
Cmax＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (5)
Cmin＝Cp+(Tx-Tp)/(Tp+1-Tp)*(CP+1-CP) (Tp<Tx≤Tp+1) (6)
SOCdel1＝(Cmax-Cmin)/C (7)
其中，C为单体电池标称容量，Cp是循环P次的容量值，Cp+1是循环P+1次的容量值，Tp是循环P次设定的温度值，Tp+1是循环P+1次设定的温度值；
假设单体电芯最高容量为Cmax，最低容量为Cmin，则容差对放电截止压差的贡献值SOCdel2可估算为：
SOCdel2＝(Cmax-Cmin)/C*SOCinit (8)
其中，SOCinit为电池组成组时的SOC值；
总的SOC差异值SOC total计算为：
SOC total＝SOCdel+SOCdel1+SOCdel2 (9)
根据所述电池组放电单体电压与SOC关系模型，计算截止时最高单体电压为Vtotal：
Vtotal＝VP+(SOC total-SOCp)/(SOCP+1-SOCp)*(Vp+1-Vp)(SOCp<SOCtotal≤SOCP+1) (10)
放电截止压差值记为Vdelta，
Vdelta＝Vtotal-Vend (11)
其中，Vend是放电截止电压，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp是循环P次后的SOC值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
2.根据权利要求1所述的一种三元锂离子电池组放电截止单体压差估算方法，其特征在于：步骤S14中两个记录点之间SOC与OCV可近似认为线性相关的公式为：
SOCX＝SOCp+1+(Vx-Vp+1)/(Vp-Vp+1)*0.05 (Vp+1<Vx≤Vp) (1)
其中，Vp是循环P次的电压值，Vp+1是循环P+1次的电压值，SOCp+1是循环P+1次后的SOC值。
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