CN112214889A - 锂电池充电方法、系统、电子设备、电池管理系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锂电池充电方法、系统、电子设备、电池管理系统及存储介质，属于动力电池技术领域。所述方法包括：对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。本发明用于锂电池快速充电。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体地涉及一种锂电池充电方法、一种锂电池充电系统、一种电子设备、一种电池管理系统和一种计算机可读存储介质。
背景技术
随着汽车保有量的提升和新能源汽车的发展，新能源汽车占比越来越大，可循环利用的锂离子电池作为电动车的主要能量来源，锂离子电池受到了极大的关注，锂离子电池比能量高，循环寿命较长，但锂离子电池也存在如何快速安全且不影响电池使用寿命的充电方法是当前急需解决的问题。在锂离子电池充电方法中，使用最广泛有CC-CV(constant current-constant voltage，恒流恒压)充电方案或阶梯充电方案，该方案均是为了确保电池能有更长的循环使用寿命，在充电时，对电压和电流截止值的设定十分保守，从而大大限制了电池可快速充电的能力，导致充电时间增长；而基于电化学模型及其扩展模型进行快速充电的方案虽可在保证电池不受析锂副反应损害的前提下提高电池的充电速度，但是目前均未考虑老化对电池充电能力的影响，因此，造成电池使用过程中充电时存在析锂，显著缩短了电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池充电方法、系统、电子设备、电池管理系统及存储介质，避免锂电池随老化或容量衰减后负极相对锂含量有变化而导致的过大充电电流，造成负极析锂，进而改善锂电池寿命和充电效率。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种锂电池充电方法，该锂电池充电方法包括：
对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D(simplifiedpseudo-twodimensions，降维模型或降维电化学模型)模型中负极相对锂离子含量；
执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
具体的，在所述对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量之后，且在根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量之前，还包括：
根据所述锂电池的放电倍率和负极反应速率常数，确定充电工况下的阿伦尼乌斯方程；
根据所述阿伦尼乌斯方程和负极锂离子含量参数，确定所述锂电池的容量衰减模型。
具体的，所述根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量，包括：
将所述负极锂离子含量参数更新为所述负极当前相对锂离子含量；
通过所述锂电池的容量衰减模型，计算获得负极相对锂离子含量的变化量，其中，所述锂电池的容量衰减模型为：
式中，Dx0为所述负极相对锂离子含量的变化量，xc为所述负极当前相对锂离子含量，A为反应指前因子，R为气体常数，T为温度，Cconstant为所述负极反应速率常数，Crate为所述放电倍率，Ea为负极反应的活化能。
具体的，所述执行所述SP2D模型的状态估计调节，包括：
根据修正的负极相对锂离子含量，获得所述SP2D模型输出的估算端电压；
根据所述估算端电压和所述锂电池的测量端电压的电压差的大小，确定估计误差；
根据所述估计误差，对所述SP2D模型的内部状态参数进行PID(Proportional-Integral-Derivative，比例-积分-微分)调节。
具体的，所述通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流，包括：
获取所述锂电池的充电电流；
确定调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算端电压是否达到充电截止电压，若是，则结束对所述锂电池的充电，
若否，则根据所述调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算负极过电势的大小，获得当前充电电流，并将所述当前充电电流作为对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
具体的，其中，所述SP2D模型包括以下一项或多项：
固相和/或液相扩散方程；
固相和/或液相电势方程；
电荷守恒方程；
Bulter-Volmer动力学方程。
本发明实施例提供一种锂电池充电系统，该锂电池充电系统包括：
充电模块，用于对锂电池进行充电；
容量衰减模块，用于确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
所述容量衰减模块用于根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
所述容量衰减模块还用于通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；
电流限定模块，用于执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
再一方面，本发明实施例提供一种电子设备，该电子设备包括：
至少一个处理器；
存储器，与所述至少一个处理器连接；
其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理器执行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的方法。
又一方面，本发明实施例提供一种电池管理系统，该电池管理系统具有前述的电子设备。
又一方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行前述的方法。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的主要步骤示意图；
图2为本发明实施例的示例性快速充电架构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
实施例1
本发明实施例提供了锂电池充电方法，如图1，该锂电池充电方法包括：
对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；
执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
在一些具体实施中，电动汽车上的锂电池，负极可以基于石墨材料，而以石墨为负极的锂离子动力电池，容量衰减的主要原因为负极中可用的锂离子损失。
具体的，负极当前相对锂离子含量可以是负极锂离子的当前相对浓度(固相和/或液相锂离子浓度)或锂离子密度函数，也可以通过负极锂离子浓度分布函数计算求得，还可以直接获取预设的标定值；相应地，负极相对锂离子含量的变化量可以是负极锂离子浓度的变化量。
对于锂电池的容量衰减模型，通常是阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型或方程，该模型是寿命衰减研究领域应用的主要经验模型，反应电池容量衰减的主要规律为：
式中，A为反应指前因子且是一个常数，Ea为反应的活化能且单位为J/mol，R为气体常数且单位为J/(mol·K)，T为温度且单位为K，n为循环次数，z为指数，其中，A、Ea/R、z可以根据具体材料和结构等电池特点，进行循环寿命试验，通过拟合参数的方式获得。
在本发明实施例中，考虑通常的阿伦尼乌斯(Arrhenius)模型实质是一个稳态的模型，因难以描述在变化工况情况下，如变化的温度、反应速率及动态工况情况下，电池的容量衰减规律，而很难在电池管理系统中直接应用，因此，本发明实施例确定了变工况下的容量衰减模型，具体的可以包括：
根据所述锂电池的放电倍率和负极反应速率常数，确定充电工况下的阿伦尼乌斯方程；
根据所述阿伦尼乌斯方程和负极锂离子含量参数，确定所述锂电池的容量衰减模型。
在实际应用中，可以结合电池管理系统的数据处理特点以及计算能力，考虑设计该锂电池的容量衰减模型的不同形式，具体的，可以为：
将所述负极锂离子含量参数更新为所述负极当前相对锂离子含量；
通过所述锂电池的容量衰减模型，计算获得负极相对锂离子含量的变化量，其中，所述锂电池的容量衰减模型为：
式中，Dx0为所述负极相对锂离子含量的变化量，xc为所述负极当前相对锂离子含量，A为反应指前因子，R为气体常数，T为温度，Cconstant为所述负极反应速率常数，Crate为所述放电倍率，Ea为负极反应的活化能。在一些情况中，可以对本发明实施例的容量衰减模型进行线性变换、改写微分形式、底数取近似值、稍微修改放电倍率的开方值等操作以符合具体数据需求。
进一步地，如图2，可以通过SP2D模型管理锂电池充电过程，SP2D模型可以包括：固相和/或液相扩散方程、固相和/或液相电势方程、电荷守恒方程、Bulter-Volmer动力学方程，SP2D模型中为了降低计算复杂度，可以有根据具体情况的简化，如定义假设条件使得一些参数获得和方程计算简化；在SP2D模型中，可以主要通过端电压、负极过电势和充电电流反应充电工况下的锂电池的电化学状态，负极过电势反应了锂电池的负极极化状态，若充电电流过大，负极过电势将高于平衡过电势，此时，则会出现析锂现象，同时也衰减了锂电池的电池容量，因此，可通过负极相对锂含量的变化量D_n0，修正SP2D模型的负极锂离子含量，可以正确拟合SP2D模型的内部状态参数(前述SP2D模型中各个方程涉及的参数，如温度、电流密度等)为受充电电流影响的锂电池的内部电化学真实状态，从而可以得出符合当前动态工况下锂电池的最大充电电流，具体的可以包括：执行所述SP2D模型的状态估计调节，所述执行所述SP2D模型的状态估计调节，具体可以包括：
根据修正的负极相对锂离子含量，获得所述SP2D模型输出的估算端电压；
根据所述估算端电压和所述锂电池的测量端电压的电压差的大小，确定估计误差；
根据所述估计误差，对所述SP2D模型的内部状态参数进行PID调节，调节可以持续，如直到调节后的SP2D模型输出的估算端电压符合所述锂电池的测量端电压，符合与否可以通过估计误差进行衡量。
在SP2D模型的正负极解耦后，估算端电压在本发明实施例中可以主要考虑负极固相电位和液相电位的电位(或电势)差，电位差主要受到负极锂离子浓度的影响，因此，利用修正SP2D模型中的负极锂离子浓度，根据修正后的锂离子浓度，实时计算负极处的固液相电位差，比较端电压测量值(测量端电压Ut)与SP2D模型的电压预测值(估算端电压或估算电压U0)，获得二者差异，进一步地，将端电压的估计误差作为反馈信号Ue，通过PID调节SP2D模型的内部状态，确保模型状态可以跟踪受控的真实电池的状态，输出容量衰减后的可允许最大充电电流It，用于限定实际电池充电时的充电电流，解决了随着电池老化过程中，析锂电位抬高的问题，保证随着循环使用寿命的增加，锂电池不受析锂副反应损害，并且提高了充电效率。
对于输出最大充电电流，具体可以包括：
获取所述锂电池的充电电流；
确定调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算端电压是否达到充电截止电压，若是，则结束对所述锂电池的充电，
若否，则根据所述调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算负极过电势的大小，获得当前充电电流，并将所述当前充电电流作为对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
在对实际锂电池充电时，初始充电电流可以是设定的默认允许充电电流，该充电电流可以随着充电进行被SP2D模型所限定或更改，SP2D模型可以根据该充电电流以及实际电池所被检测的测量端电压，进行循环的PID调节，实时跟踪实际电池的真实状态以及限定可允许的最大充电电流；对于估算负极过电势的大小判断，可以与预设过电势(视为刚好发生析锂)，若估算负极过电势小于预设过电势，则可以视为充电电流过大，应当重新获得更小的当前充电电流，作为可允许的最大充电电流。
本发明实施例根据变工况情况下电池容量衰减的开环Arrhenius寿命模型，描述了基于正负极解耦的动力电池衰减规律该方法可计算实时衰减状态，并通过容量衰退模型可实时计算老化过程中负极相对锂含量的变化量，修正SP2D模型随着老化过程中的负极锂离子浓度，能够得到负极处的SP2D模型中关键的固液相电位差，确保模型状态能跟随真实电池的老化状态，从而最终输出容量衰减后的可允许最大充电电流；该容量衰退模型可基于正负极解耦的动力电池衰减规律以计算实时衰减状态，并输出负极相对锂含量的变化量，并反馈给SP2D模型，修正模型中的负极锂离子浓度，从而计算老化后的电池电压，负极过电势及电流；本发明实施例解决了随着电池老化过程中，析锂电位抬高的问题，克服了锂电池充电速度与电池寿命安全的矛盾，可保证随着循环使用寿命的增加，电池不受析锂副反应损害且提高充电效率。
实施例2
本发明实施例与实施例1属于同一发明构思，本发明实施例提供了锂电池充电系统，该锂电池充电系统包括：
充电模块，用于对锂电池进行充电；
容量衰减模块，用于确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
所述容量衰减模块用于根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
所述容量衰减模块还用于通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；
电流限定模块，用于执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
具体的，所述容量衰减模块还用于：
根据所述锂电池的放电倍率和负极反应速率常数，确定充电工况下的阿伦尼乌斯方程；
根据所述阿伦尼乌斯方程和负极锂离子含量参数，确定所述锂电池的容量衰减模型。
具体的，所述容量衰减模块具体用于：
将所述负极锂离子含量参数更新为所述负极当前相对锂离子含量；
通过所述锂电池的容量衰减模型，计算获得负极相对锂离子含量的变化量，其中，所述锂电池的容量衰减模型为：
式中，Dx0为所述负极相对锂离子含量的变化量，xc为所述负极当前相对锂离子含量，A为反应指前因子，R为气体常数，T为温度，Cconstant为所述负极反应速率常数，Crate为所述放电倍率，Ea为负极反应的活化能。
具体的，所述电流限定模块具体用于：
根据修正的负极相对锂离子含量，获得所述SP2D模型输出的估算端电压；
根据所述估算端电压和所述锂电池的测量端电压的电压差的大小，确定估计误差；
根据所述估计误差，对所述SP2D模型的内部状态参数进行PID调节。
具体的，所述电流限定模块具体用于：
获取所述锂电池的充电电流；
确定调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算端电压是否达到充电截止电压，若是，则结束对所述锂电池的充电，
若否，则根据所述调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算负极过电势的大小，获得当前充电电流，并将所述当前充电电流作为对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
其中，所述SP2D模型包括以下一项或多项：
固相和/或液相扩散方程；
固相和/或液相电势方程；
电荷守恒方程；
Bulter-Volmer动力学方程。
实施例3
本发明实施例与实施例1和2属于同一发明构思，本发明实施例提供了电池管理系统，该电池管理系统可以具有处理器或控制器以及与处理器或控制器连接的存储介质或存储器，该存储介质或存储器有能被处理器或控制器执行的指令，处理器或控制器通过执行存储器或存储介质存储的指令实现实施例1所述的方法。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (10)
1.一种锂电池充电方法，其特征在于，该锂电池充电方法包括：
对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；
执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
2.根据权利要求1所述的锂电池充电方法，其特征在于，在所述对锂电池进行充电，确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量之后，且在根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量之前，还包括：
根据所述锂电池的放电倍率和负极反应速率常数，确定充电工况下的阿伦尼乌斯方程；
根据所述阿伦尼乌斯方程和负极锂离子含量参数，确定所述锂电池的容量衰减模型。
3.根据权利要求2所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量，包括：
将所述负极锂离子含量参数更新为所述负极当前相对锂离子含量；
通过所述锂电池的容量衰减模型，计算获得负极相对锂离子含量的变化量，其中，所述锂电池的容量衰减模型为：
式中，Dx0为所述负极相对锂离子含量的变化量，xc为所述负极当前相对锂离子含量，A为反应指前因子，R为气体常数，T为温度，Cconstant为所述负极反应速率常数，Crate为所述放电倍率，Ea为负极反应的活化能。
4.根据权利要求1所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述执行所述SP2D模型的状态估计调节，包括：
根据修正的负极相对锂离子含量，获得所述SP2D模型输出的估算端电压；
根据所述估算端电压和所述锂电池的测量端电压的电压差的大小，确定估计误差；
根据所述估计误差，对所述SP2D模型的内部状态参数进行PID调节。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的锂电池充电方法，其特征在于，所述通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流，包括：
获取所述锂电池的充电电流；
确定调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算端电压是否达到充电截止电压，若是，则结束对所述锂电池的充电，
若否，则根据所述调节后的SP2D模型在所述充电电流下的估算负极过电势的大小，获得当前充电电流，并将所述当前充电电流作为对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
6.根据权利要求1至4中任意一项所述的锂电池充电方法，其特征在于，其中，所述SP2D模型包括以下一项或多项：
固相和/或液相扩散方程；
固相和/或液相电势方程；
电荷守恒方程；
Bulter-Volmer动力学方程。
7.一种锂电池充电系统，其特征在于，该锂电池充电系统包括：
充电模块，用于对锂电池进行充电；
容量衰减模块，用于确定所述锂电池的负极当前相对锂离子含量；
所述容量衰减模块用于根据所述锂电池的容量衰减模型和所述负极当前相对锂离子含量，确定负极相对锂离子含量的变化量；
所述容量衰减模块还用于通过所述负极相对锂离子含量的变化量修正所述锂电池的SP2D模型中负极相对锂离子含量；
电流限定模块，用于执行所述SP2D模型的状态估计调节，通过调节后的SP2D模型限定对所述锂电池进行充电的最大充电电流。
8.一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括：
至少一个处理器；
存储器，与所述至少一个处理器连接；
其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理器执行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现权利要求1至6中任意一项权利要求所述的方法。
9.一种电池管理系统，其特征在于，该电池管理系统具有权利要求8所述的电子设备。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1至6中任意一项权利要求所述的方法。
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