CN113567873B - 一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和soc估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法包括以下步骤：1)建立容量和SOC与单体的充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系；2)基于充电数据，找到电池组第一个到达充电截止电压的单体作为基准单体，选择其余单体(除基准单体外)作为待测单体；3)计算基准单体与待测单体的内阻差异，通过上下平移基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线；4)利用插值法得到基准单体与待测单体的充电时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到斜率和截距；5)通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到待测单体的容量和SOC。

Description

一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计 方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法。

背景技术

近年来随着电动汽车的保有量不断增加，估计电池组单体的容量和SOC有利于电池管理系统整体性能提升，保障电动汽车的续航里程。

目前的电池容量估计方法，如基于数据驱动的容量闭环估计方法、基于经验模型的容量开环预测等，大部分是估计电池组的容量，此外一些电池组单体容量估计方法，如基于充电曲线一致性来估计电池组单体容量，过于复杂，不适用于实车进行数据处理。而基于RCC、RDC算法来估计电池组单体容量需要一个个计算每个单体的RCC和RDC，计算量很大，不适用于大量的数据处理。目前国内外用于电动汽车SOC估计的方法主要有安时积分法、开路电压法、线性模型法、神经网络法和卡尔曼滤波法等，能达到的精度各有不同，实现的难度也不相同。通常估计方法达到的精度越高，实现难度越大，需要进行的计算越复杂。

因此，快速简单的估计电池组单体电池的容量和SOC，并做出相应的处理，能够提升电池组的寿命，防止电池组因单体容量差异过大而出现故障，基于此，提出一种快速简单的电池容量和SOC的估计方法成为本领域技术人员的当务之急。

发明内容：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快速简单估计电池组中各个单体的状态的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法。

本发明的主要思想是基于充电单体电压曲线(CCVC)一致性假设，结合RCC计算原理，在原有基础上，进行简化所提出来的一种快速简单可以大量估计电池组单体容量和SOC的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提出一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，包括以下步骤：

1)建立容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系；所述容量与斜率的关系式为：

C_i＝(K+1)C₀

所述SOC与截距和斜率之间的关系式为：

式中，C_i为待测单体i的容量，C₀为基准单体的容量，K为曲线的斜率，SOC_i为待测单体i的SOC，SOC₀为基准单体的SOC，I为电池组充电电流，B为曲线的截距；

2)基于充电数据，找到电池组第一个到达充电截止电压的单体作为基准单体，选择其余单体(除基准单体外)作为待测单体；

3)计算所述基准单体与所述待测单体的内阻差异，基于所述内阻差异，通过上下平移所述基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线；

4)利用插值法得到修正后的所述基准单体充电曲线与所述待测单体充电曲线的时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到所述斜率K和所述截距B；

5)通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到所述待测单体的容量和SOC。

进一步的，步骤1)中，所述单体充电时间间隔差异曲线是基于充电曲线一致性原理，利用插值法将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同时刻电压的插值，得到不同充电时刻的时间间隔，得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异曲线；所述单体充电时间间隔差异曲线为：

Δt＝Kt+B

式中，Δt为单体充电时间间隔，t为单体充电时间，K为曲线的斜率，B为曲线的截距。

进一步的，步骤4)是通过计算基准单体与待测单体的内阻差异，得出需要修正的电压差，通过上下平移基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线。

进一步的，步骤5)所述是基于充电曲线一致性原理，利用插值法将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同充电时刻电压的插值，得到不同充电时刻的时间间隔，通过一次线性拟合，得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异拟合曲线，得到拟合曲线斜率和截距。

进一步的，步骤6)所述计算待测单体容量和SOC是根据步骤5)中得到的充电时间间隔差异拟合曲线的斜率和截距，然后通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到待测单体的容量和SOC。

发明的优势之处在于：本发明基于充电单体电压曲线一致性假设，建立容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，在估计容量和SOC时仅需要对充电曲线做简单的插值处理，得到一次线性拟合曲线的斜率和截距，便可以得到估计的容量和SOC，为进行大量数据分析节省了时间，提高了效率。

附图说明

图1为基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法的流程示意图；

图2为本发明中推导容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系图；

图3(a)为本发明中实验一的得到的单体充电时间间隔随充电时间变化的曲线以及一次线性拟合曲线图；

图3(b)为本发明中实验二的得到的单体充电时间间隔随充电时间变化的曲线以及一次线性拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，包括以下步骤：

S1：建立容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系；

在本发明实施例中，如图2所示，U₀(t)为基准单体充电曲线，U_i(t)为待测单体i的充电曲线，通过曲线平移缩放可以得到U₀(t)＝U_i(k(t+b))，其中，k为容量缩放比例系数，且计算式为b为曲线左右平移的时间间隔。通过插值法将待测单体i的充电曲线上t₁时刻对应的电压值插值到基准单体充电曲线上得到该电压值对应的基准单体对应的时间t₀，由U₀(t₀)＝U_i(t₁)，进而可以得到U₀(t₀)＝U_i(k(t₀+b))＝U_i(t₁)，k(t₀+b)＝t₁，进而得到t₁-t₀的时间间隔为Δt_0,1＝(t₁-t₀)＝(k-1)t₀+kb，进而推导单体充电时间间隔差异曲线为：

Δt＝Kt+B

式中，Δt为单体充电时间间隔，t为单体充电时间，K为曲线的斜率，B为曲线的截距。

单体充电时间间隔差异曲线为Δt＝Kt+B,其中进而得到容量与斜率的关系：

C_i＝(K+1)C₀

式中，C_i为待测单体i的容量，C₀为基准单体的容量，K为曲线的斜率。

单体充电时间间隔差异曲线为Δt＝Kt+B,其中B＝kb，b为曲线U₀(t)变化为曲线U_i(t)左右平移的时间间隔，左右平移的ΔAh＝Ib，由公式 可以得到，由于曲线都是由基准单体向右平移，所以取/>由于kC₀＝C_i，C_i＝(K+1)C₀，进而得到SOC与截距和斜率之间的关系：

式中，SOC_i为待测单体i的SOC，SOC₀为基准单体的SOC，C₀为基准单体的容量，t为电池组充电电流，K为曲线的斜率，B为曲线的截距。

S2：通过分析电池组单体充电数据，将第一个到达充电截止电压的电池单体作为基准单体，从电池组中选择其他剩余待测单体(除基准单体外)作为待测单体。

S3：计算基准单体与待测单体的内阻差异，得出需要修正的电压差，通过上下平移基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线；

S4：利用插值法得到基准单体与待测单体的充电时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到斜率和截距；

在本发明实施例中，如图3(a)，(b)所示，利用插值法将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同充电时刻电压的插值，得到不同充电时刻的时间间隔，通过一次线性拟合，得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异拟合曲线，得到拟合曲线斜率和截距。

S5：通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到待测单体的容量和SOC。

具体实施例：

选用两块万向123锂离子电池，电池1实际容量为26.14Ah，内阻为11.16mΩ电池2实际容量为27Ah，内阻为10.74mΩ。将其串联为一个电池组，对其进行恒流充电。分别做两组实验，具体实验步骤如下：

实验一操作步骤为：

单独对两块电池进行恒流恒压充电至100％SOC,然后将电池1恒流放电至15％SOC，将电池2恒流放电至10％SOC，然后将两块电池当作一个电池组进行串联充电，得到两块单体电池的充电曲线。电池1第一个到达截止电压，作为基准单体，电池2作为待测单体。将基准单体的电压曲线向下平移3.64mV得到修正内阻差异后的基准单体的电压曲线，然后将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同时刻电压的插值，得到不同时刻的时间间隔，进而得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到斜率和截距。实验一曲线图如图3(a)所示，拟合曲线式为：Δt＝0.04111t+0.1609。

实验二操作步骤为：

单独对两块电池进行恒流恒压充电至100％SOC,然后将电池1恒流放电至5％SOC，将电池2恒流放电至10％SOC，然后将两块电池当作一个电池组进行串联充电，得到两块单体电池的充电曲线。电池2第一个到达截止电压，作为基准单体，电池1作为待测单体。将基准单体的电压曲线向上平移3.64mV得到修正内阻差异后的基准单体的电压曲线，然后将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同时刻电压的插值，得到不同时刻的时间间隔，进而得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到斜率和截距。实验二曲线图如图3(b)所示，拟合曲线式为：Δt＝-0.03614t+0.1209。

根据拟合曲线斜率和截距与容量和SOC的关系式得出待测单体的容量和SOC与实际的进行对比，得到容量和SOC的误差。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系；

所述容量与斜率的关系式为：

C_i＝(K+1)C₀

所述SOC与截距和斜率之间的关系式为：

式中，C_i为待测单体i的容量，C₀为基准单体的容量，K为曲线的斜率，SOC_i为待测单体i的SOC，SOC₀为基准单体的SOC，I为电池组充电电流，B为曲线的截距；

2)基于充电数据，找到电池组第一个到达充电截止电压的单体作为基准单体，选择其余单体，除基准单体外作为待测单体；

3)计算所述基准单体与所述待测单体的内阻差异，基于所述内阻差异，通过上下平移所述基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线；

4)利用插值法得到修正后的所述基准单体充电曲线与所述待测单体充电曲线的充电时间间隔差异曲线，进行一次线性拟合得到所述斜率K和所述截距B；

5)通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到所述待测单体的容量和SOC。

2.根据权利要求1所述的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，其特征在于，步骤1)中，所述单体充电时间间隔差异曲线是基于充电曲线一致性原理，利用插值法将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同时刻电压的插值，得到不同充电时刻的时间间隔，得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异曲线；所述单体充电时间间隔差异曲线为：

Δt＝Kt+B

式中，Δt为单体充电时间间隔，t为单体充电时间，K为曲线的斜率，B为曲线的截距。

3.根据权利要求1所述的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，其特征在于，步骤3)是通过计算基准单体与待测单体的内阻差异，得出需要修正的电压差，通过上下平移基准单体充电曲线得到修正内阻差异后的基准单体充电曲线。

4.根据权利要求1所述的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，其特征在于，步骤4)是基于充电曲线一致性原理，利用插值法将待测单体电压插值到基准单体上面得到时间间隔，通过不同充电时刻电压的插值，得到不同充电时刻的时间间隔，通过一次线性拟合，得到随充电时间变化的单体充电时间间隔差异拟合曲线，得到拟合曲线斜率和截距。

5.根据权利要求1所述的基于电池组内单体充电曲线差异的电池容量和SOC估计方法，其特征在于，步骤5)所述计算待测单体容量和SOC是根据步骤4)中得到的充电时间间隔差异拟合曲线的斜率和截距，然后通过容量和SOC与单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论对应关系，计算得到待测单体的容量和SOC。