CN112578296A - 电池容量估算方法和装置及计算机存储介质 - Google Patents

电池容量估算方法和装置及计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池容量估算方法和装置及存储介质，电池容量估算方法包括：获取待测电池的第一放电曲线；分析所述第一放电曲线以确定电压平台拐点，获取所述电压平台拐点对应的拐点电压阈值和拐点电量；实时记录所述待测电池的第二放电曲线；根据所述第二放电曲线获得放电电压差分曲线；根据所述放电电压差分曲线确定放电截止条件；控制所述待测电池放电至所述放电截止条件，并获得放电容量；根据所述放电容量和所述拐点电量获得所述待测电池的总容量。本发明的方法和装置，可以保证电池使用寿命，提高容量估算精度和效率。

Description

电池容量估算方法和装置及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及一种电池容量估算方法，以及电池容量估算装置和非临时性计算机存储介质。
背景技术
随着电池技术的快速发展，锂离子电池在电动车辆、储能电站等领域有着非常广泛的应用。然而电池在不断充放电循环使用中会逐渐老化，性能会逐渐衰减，具体表现为容量减少、内阻增大、功率降低等。电池的老化程度表示为SOH(State of Health，电池健康状态)。SOH可通过剩余容量、内阻、循环次数等多种方式来定义，其中最常用且最直观的方式是通过电池剩余容量进行定义，将电池老化后的容量与电池初始容量的百分比定义为SOH。目前，电池剩余容量主要是通过对电池进行满充、满放来计算充电或者放电阶段的总电量，或者在一定SOC(State of Charge，电池荷电状态)区间进行充放电，根据充电或放电电量以及相应的SOC区间来计算总的电池容量。
以上计算电池SOH的方法存在一些缺点，例如，通过电池满充、满放获取电池容量不仅花费更多的时间和设备资源，还可能引发一系列安全相关问题，例如造成过充失火甚至爆炸等；再例如，在特定SOC区间进行充电或者放电，对SOC估算的精度要求较高，SOC估算不准容易对结果造成较大误差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电池容量估算方法，该方法无需电池深度放电，保证了电池使用寿命，不涉及SOC相关变量，提高了估算精度和效率。
本发明第二个目的在于提出一种非临时性计算机存储介质。
本发明第三个目的在于提出一种电池容量估算装置。
为了达到上述目的，本发明第一方面实施例的电池容量估算方法，包括：获取待测电池的第一放电曲线；分析所述第一放电曲线以确定电压平台拐点，获取所述电压平台拐点对应的拐点电压阈值和拐点电量；实时记录所述待测电池的第二放电曲线；根据所述第二放电曲线获得放电电压差分曲线；根据所述放电电压差分曲线确定放电截止条件；控制所述待测电池放电至所述放电截止条件，并获得放电容量；根据所述放电容量和所述拐点电量获得所述待测电池的总容量。
根据本发明实施例的电池容量估算方法，通过对放电曲线分析，确定放电截止条件，控制放电截止条件，即可获得待测电池的容量，不需要对电池进行深度放电，保证电池使用寿命，仅需要放出少部分电量就可确定电池剩余容量，不仅能保证电池工作在安全的范围，还能在很大程度节约时间、电量成本，提高估算效率，以及，本方法仅需要检测放电起始点到放电截止条件例如高(或低)电压平台拐点段放出的电量，不涉及SOC相关变量，从而能够避免由于SOC计算不准引入的误差，提高估算准确性。
本发明第二方面实施例提出一种非临时性计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现所述的梯次电池容量估算方法。
本发明第三方面实施例提出一种电池容量估算装置，包括：至少一个处理器；与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器上存储有可被所述至少一个处理器处理的指令，该指令被所述至少一个处理器处理时实现所述的电池容量估算方法。
根据本发明实施例的电池容量估算装置，通过处理器执行上面实施例的电池容量估算方法，可以保证电池使用寿命，提高容量估算精度和效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的不同老化程度的电池的放电电压曲线以及电压差分曲线的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的电池容量估算方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的梯次电池分容方法的流程图；
图4是根据本发明的一个实施例的电池容量估算装置的功能框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
对于现有技术存在的问题，本发明实施例提出的电池容量估算方法，能够大大提高电池剩余容量计算的效率与精度。本发明实施例的方法总的构思为，通过实时检测待测电池放电过程中的电压-容量曲线，分析曲线特性，寻找曲线特征点，不需要对电池进行深度放电便可精确计算电池剩余容量。
首先，对本发明实施例中用到的曲线特征点作解释和说明。
动力锂离子电池的电压-容量特性曲线存在三个电压变化较缓慢的区间，可以称之为电压平台区，两两电压平台区之间存在一段电压变化较快的区域，该区域内电压变化最快的点称之为电压平台拐点，以电压高低来区分，电压较高的称为高电压平台拐点，电压较低的称为低电压平台拐点，电压平台拐点在电压差分曲线上表现为曲线的极大值点，通过电压高低可以对高电压平台拐点与低电压平台拐点进行区分。随着电池的老化，电池的电压-容量特性曲线会整体向低容量方向平移，平移过程中高低平台拐点对应的电量基本保持不变，高电压平台拐点和低电压平台拐点对应的电压值不会随特性曲线平移而发生变化，故可以用电压阈值对检测到的平台拐点加以区分，通过确定高或低电压平台拐点前端的放电量即可确定电芯的剩余容量。实际应用中，对于确定批次的电池，高、低电压平台拐点对应的电量QHVTP、QLVTP以及平台区对应阈值电压VTh、VTl都是确定的，只需少量电池特征曲线便可确定这些特征量的取值。此外，随着电池老化，曲线在平移过程中，高平台区特征会逐渐消失，对于老化比较严重的电池，就只能检测到一个低电压平台拐点，也只能用低电压平台拐点对应的电量以及前端放电量计算剩余容量。
以两种不同老化程度的电池为例，如图1所示为两种电池的放电电压曲线以及电压差分曲线图，其中曲线P1代表轻度老化的电池，曲线P2代表老化较严重电芯。老化程度较轻的电池曲线具有高、低两个电压平台拐点。
基于上文的解释说明，下面参照附图描述根据本发明实施例的电池容量估算方法。
图2是根据本发明的一个实施例的电池容量估算方法的流程图，如图2所示，本发明实施例的电池容量估算方法至少包括步骤。
S1，获取待测电池的第一放电曲线。
其中，第一放电曲线可以是电池设计期间，对相同规格的电池进行充放电实验，并记录放电电压和电量变化过程，进而基于记录数据生成的放电曲线。
在实施例中，由多个相同规格的待测电池组成待测电池组，从待测电池组中抽取部分待测电池进行放电，由部分待测电池的电压和容量关系获得该第一放电曲线。
其中，在从待测电池组中抽取部分待测电池进行放电之前，控制待测电池组中部分待测电池进行恒流充电并充满，以进行后续放电控制。
例如，相同规格的待检测电池抽取部分，采用不高于1/3容量的电流恒流充至满电后再放空电，记录电池放电过程中的电压数据和容量数据，并制成电压-容量(V-Q)曲线，即待测电池的第一放电曲线。
S2，分析第一放电曲线以确定电压平台拐点，获取电压平台拐点对应的拐点电压阈值和拐点电量。
在实施例中，电压平台拐点可以包括高电压平台拐点和低电压平台拐点，拐点电压阈值包括与高电压平台拐点对应的第一拐点电压阈值和与低电压平台拐点对应的第二拐点电压阈值，拐点电量包括与高电压平台拐点对应的第一拐点电量和与低电压平台拐点对应的第二拐点电量。
通过分析第一放电曲线，确定高电压平台拐点对应的第一拐点电量QHVTP和第一拐点电压阈值VTh、以及低电压平台拐点对应的第二拐点电量QLVTP和第二拐点电压阈值VTl。其中，高电压平台拐点所对应的拐点电压阈值大于低电压平台对应的拐点电压阈值。
S3，实时记录待测电池的第二放电曲线。
具体地，待测单体电池以与步骤S1中相同的电流恒流充电，充满电后控制待测电池进行放电，实时记录待测电池放电过程中的容量数据和对应的电压数据，根据记录的容量数据和电压数据绘制成电压-容量曲线，即该待测电池的第二放电曲线。
S4，根据第二放电曲线获得放电电压差分曲线。
具体地，对第二放电曲线进行平滑滤波处理，并对电压数据关于容量数据进行微分处理，以获得放电电压差分曲线，即(dV/dQ-Q)曲线。
S5，根据放电电压差分曲线确定放电截止条件。
其中，放电截止条件为控制待测电池停止放电的条件，在达到该条件时控制待测电池停止放电。参照上文说明，可以用电压阈值对检测到的平台拐点加以区分，通过确定高或低电压平台拐点前端的放电量即可确定电芯的剩余容量，因而，确定平台拐点即可确定放电截止条件。
在一些实施例中，对放电电压差分曲线进行平滑滤波处理；确定放电电压差分曲线中是否存在峰值；如果存在峰值，获得峰值对应的峰值电压；根据峰值电压对比第一拐点电压阈值或第二拐点电压阈值的大小关系确定放电截止条件。
例如，在一定容量窗口获得dV/dQ曲线最大值点，并判断该点是否为曲线极大值点，如果不是极大值，继续放电并寻找曲线极大值；如果是极大值点，则进一步判断极值点对应峰值电压是否满足预设条件。
在实施例中，峰值电压V满足V>VTh，停止放电，该极值点为高电压平台拐点；如果峰值电压V满足V<VTl，停止放电，该极值点为低电压平台拐点；若都不满足，继续放电并寻找平台拐点；其中VTh、VTl均由步骤S2确定。
通过添加特征点电压限制条件即不同放电截止条件，可以区分检测到的拐点是高电压平台拐点或者是低电压平台拐点，还可以过滤掉特殊情况中间区段数据异常点导致的误判，增加了估算方法的可执行性。
S6，控制待测电池放电至放电截止条件，并获得放电容量。
具体地，在达到放电截止条件，即识别到平台拐点后，停止放电，获得待测电池的放电容量。
在实施例中，老化程度较轻的电芯曲线具有高、低两个电压平台拐点，实际应用中，只需放电至高电压平台拐点，根据高电压平台拐点对应的电量QHVTP以及高电压平台拐点前端放电段放出的电量QHVP，计算得到电芯的容量；而老化较严重的电芯曲线只有低电压平台拐点，实际应用中，需放电至低电压平台拐点，根据低电压平台拐点对应的电量QLVTP以及低电压平台拐点前端放电段放出的电量QLVP，计算得到电芯的容量；两种老化程度的电芯都无需深度放电。
S7，根据放电容量和拐点电量获得待测电池的总容量。
在实施例中，当峰值电压大于第一拐点电压阈值时，即为高电压平台拐点，停止放电，并获得放电容量，待测电池的总容量为放电容量与第一拐点电量之和，即Q＝QHVTP+QHVP；当峰值电压小于第二拐点电压阈值时，即为低电压平台拐点，停止放电，并获得放电容量，待测电池的总容量为放电容量和第二拐点电量之和，即Q＝QLVTP+QLVP。QHVP、QLVP分别表示高、低平台拐点前端放电段即从开始放电到拐点处总计放出的电量。
当不存在峰值或者峰值电压处于第一拐点电压和第二拐点电压之间时，即以上条件都不满足时，控制待测电池继续放电，并寻找放电电压差分曲线的峰值，直至达到放电截止条件或待测电池电量放空。
进一步地，可以根据剩余容量计算电池SOH，SOH＝Q/Qnew*100％，其中，Qnew为待测电池出厂初始容量。
根据本发明实施例的电池容量估算方法，通过对放电曲线分析，确定放电截止条件，控制放电截止条件，即可获得待测电池的容量，不需要对电池进行深度放电，保证电池使用寿命，仅需要放出少部分电量就可确定电池剩余容量，不仅能保证电池工作在安全的范围，还能在很大程度节约时间、电量成本，提高估算效率，以及，本方法仅需要检测放电起始点到放电截止条件例如高(或低)电压平台拐点段放出的电量，不涉及SOC相关变量，从而能够避免由于SOC计算不准引入的误差，提高估算准确性。
本发明实施例的电池容量估算方法，可用于电池出厂一致性检测，还可以用于梯次电池的容量估算，为建立电池梯次利用体系提供一种有效的分容方法。
下面以梯次电池为例，基于上文实施例的电池容量估算方法，对梯次电池分容过程进行说明。
图3是根据本发明的一个实施例的梯次电池分容方法的流程图，如图3所示，本发明实施例的方法至少包括步骤S11-S16，具体如下。
S11,获取第一放电曲线，并获取第一放电曲线对应的拐点电压阈值和拐点电量。
由于电池的规格不同会存在第一放电曲线的差异，不能用同一个工步进行容量预测，因而需要确认梯次电池的规格。具体地，获得梯次电池的生产参数例如通过电池的条码、二维码或电池表面喷印的相关信息，根据生产参数确定梯次电池的生产批次和型号。
选取同一规格的电池进行充放电，并获得第一放电曲线。例如，对同一批次，同一类型的若干电池，以预设电流例如0.5C电流充电到额定电压例如3.8V；控制电池以0.5C电流放电，得到第一放电曲线。其中，采用恒流充放电为梯次电池产线测试的基础工步，在测试过程中要求设置成一样的电流是为了之后使电池数据基础保持一致，如此，在之后的数据处理中才能准确识别出不同的电池类型。
S12、实时记录待测梯次电池的第二放电曲线。
在对待测梯次电池充放电过程中，获得放电时所述梯次电池的容量数据和电压数据；对容量数据和电压数据进行微分处理，获得电压与容量的微分比；根据容量数据和电压与容量的微分比获得放电电压差分曲线。具体地，设置电池充放电设备以一定的采样频率采样梯次电池放电时电池容量(Q)数据和电压(V)数据；将采集到的容量(Q)数据以及电压(V)数据进行微分处理并进行平滑滤波，得到具有明显峰值的放电电压差分曲线(dV/dQ-Q)图。
S13,获取放电电压差分曲线的峰值数据，并根据峰值数据确定梯次电池的类型，确定放电截止条件，并获得放电容量。
通过对放电电压差分曲线分析，可以对梯次电池进行分类。
在实施例中，对放电电压差分曲线进行寻值；确定放电电压差分曲线中是否存峰值；如果存在峰值，获得峰值对应的峰值电压；根据峰值电压确定梯次电池的类型。其中，当峰值电压大于第一拐点电压阈值时，确定梯次电池为A类电池；当峰值电压小于第二拐点电压阈值时，确定梯次电池为B类电池。当确定放电电压差分曲线中不存在所述微分比的峰值或者峰值电压不满足A类电池和B类电池条件时，确定所述梯次电池为C类电池。
其中，电池的规格不同，对应容量不一样，第一放电曲线会有所区别，其中的限定条件会有所改变，比如，对应的A类电池的拐点电量会有所改变。
例如，以磷酸铁锂C15双极柱P系列电池为例，其第一拐点电压阈值为3240mV，第二拐点电压阈值为3185mV，对放电电压差分曲线进行寻值，通过对目标值的前后5Ah容量的值进行对比，若在该值的前后5Ah容量的dV/dQ均小于极大值，则认为此点为极大值点即峰值，并执行后续工步。
若dV/dQ有极大峰值，且峰值电压V>3240mV，则为高电压平台拐点，满足此要求即为A类电池，基于A类电池的放电电压差分曲线，在识别出高电压平台拐点之后停止放电，记录此时放电容量为Q放；若dV/dQ有极大峰值，且峰值电压V<3185mV，则为低电压拐点，满足此要求即为B类电池，记录拐点前放电容量为Q放；若电池的放电电压差分曲线不存在峰值或者不符合以上两点判定时，全部归为C类电池，将电池电量放空以获得电池的总容量。
S14,根据放电容量和拐点电量获得待测梯次电池的总容量。
A类电池的总容量为放电容量和第一拐点电量之和；B类电池的总容量为放电容量和第二拐点电量之和。
对于C类电池，获得该C类电池的截止电压；控制梯次电池放电至截止电压；获得梯次电池的放电容量，以作为梯次电池的总容量。例如，控制C类电池进行完全放电，截止电压为额定电压下限例如2.5V，所放出的容量即为电池总容量Q总。
本方法预估结果较为准确，估算误差小于5％，满足实际生产要求，具有非常高的工程应用价值，节约工时及人力、设备资源，对生产效益提升巨大。
本发明第二方面实施例提出一种非临时性计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被执行时实现上面实施例的电池容量估算方法。
本发明第三方面实施例提出一种电池容量估算装置。如图4所示，本发明实施例的电池容量估算装置10包括至少一个处理器1和存储器2。
其中，存储器2与至少一个处理器1通信连接；存储器2上存储有可被至少一个处理器1处理的指令，该指令被至少一个处理器1处理时实现上面实施例的电池容量估算方法。
根据本发明实施例的电池容量估算装置10，通过处理器1执行上面实施例的电池容量估算方法，可以保证电池使用寿命，提高容量估算精度和效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电池容量估算方法，其特征在于，包括：
获取待测电池的第一放电曲线；
分析所述第一放电曲线以确定电压平台拐点，获取所述电压平台拐点对应的拐点电压阈值和拐点电量；
实时记录所述待测电池的第二放电曲线；
根据所述第二放电曲线获得放电电压差分曲线；
根据所述放电电压差分曲线确定放电截止条件；
控制所述待测电池放电至所述放电截止条件，并获得放电容量；
根据所述放电容量和所述拐点电量获得所述待测电池的总容量。
2.根据权利要求1所述的电池容量估算方法，其特征在于，所述获取待测电池的第一放电曲线包括：
由多个相同规格的待测电池组成待测电池组，从所述待测电池组中抽取部分待测电池进行放电，由所述部分待测电池的电压和容量关系获得所述第一放电曲线。
3.根据权利要求2所述的电池容量估算方法，其特征在于，在从所述待测电池组中抽取部分待测电池进行放电之前，所述方法还包括：
控制所述待测电池组中所述部分待测电池进行恒流充电并充满。
4.根据权利要求1所述的电池容量估算方法，其特征在于，所述实时记录所述待测电池的第二放电曲线，包括：
控制所述待测电池进行放电；
记录所述待测电池放电过程中的容量数据和对应的电压数据；
根据所述容量数据和电压数据绘制所述第二放电曲线。
5.根据权利要求4所述的电池容量估算方法，其特征在于，所述根据所述第二放电曲线获得放电电压差分曲线，包括：
对所述第二放电曲线进行平滑滤波处理，并对所述电压数据关于所述容量数据进行微分处理，以获得所述放电电压差分曲线。
6.根据权利要求1所述的电池容量估算方法，其特征在于，所述电压平台拐点包括高电压平台拐点和低电压平台拐点，所述高电压平台拐点所对应的拐点电压阈值大于所述低电压平台对应的拐点电压阈值，所述拐点电压阈值包括与所述高电压平台拐点对应的第一拐点电压阈值和与所述低电压平台拐点对应的第二拐点电压阈值，所述拐点电量包括与所述高电压平台拐点对应的第一拐点电量和与所述低电压平台拐点对应的第二拐点电量。
7.根据权利要求6所述的电池容量估算方法，其特征在于，所述根据所述放电电压差分曲线确定放电截止条件，包括：
对所述放电电压差分曲线进行平滑滤波处理；
确定所述放电电压差分曲线中是否存在峰值；
如果存在所述峰值，获得所述峰值对应的峰值电压；
根据所述峰值电压对比所述第一拐点电压阈值或第二拐点电压阈值的大小关系确定所述放电截止条件。
8.根据权利要求7所述的电池容量估算方法，其特征在于，
当所述峰值电压大于所述第一拐点电压阈值时，停止放电，并获得所述放电容量，所述待测电池的总容量为所述放电容量与所述第一拐点电量之和；
当所述峰值电压小于所述第二拐点电压阈值时，停止放电，并获得所述放电容量，所述待测电池的总容量为所述放电容量和所述第二拐点电量之和。
9.一种非临时性计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-8任一项所述的电池容量估算方法。
10.一种电池容量估算装置，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述存储器上存储有可被所述至少一个处理器处理的指令，该指令被所述至少一个处理器处理时实现如权利要求1-8任一项所述的电池容量估算方法。
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