CN114035071A - 水系二次电池系统soc在线校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于二次电池终端应用技术领域，具体涉及一种水系二次电池系统SOC在线校正方法。利用电池组在不同温度的小电流放电数据，先建立OCV‑SOC参数表，并编入控制系统逻辑程序中，电池组在一定时间内电流输出持续小于一定值时，控制系统根据电池组在最后截止时间的总电压和温度，参照相应温度区间下的表中对应的SOC值与当前的SOC进行比较，若是比当前高或一样，则不校正；若是比当前低，则校正为表中对应数值。本发明在SOC存在误差时，实时在线地采集电压并得到对应的目标SOC进行比较，此方法比传统OCV修正更加灵活，可全天候应用，能够有效避免水系二次电池系统总电压虚压造成的误判，提升电池的寿命和能量利用率。

Description

水系二次电池系统SOC在线校正方法

技术领域

本发明属于二次电池终端应用技术领域，具体涉及一种水系二次电池系统SOC在线校正方法。

背景技术

21世纪人类社会面临一次能源短缺，开发风光清洁能源已成为趋势。风光清洁能源的有效利用离不开二次电池系统，通过二次电池系统构筑能量池，按照需要稳定输出，关系到可以支持负载工作时间的长短。这个能量池即为荷电状态SOC(stateofcharge)，是二次电池系统的一个关键参数，通常用来表示电池组当前的荷电量。

二次电池系统的SOC和多种因素相关，如温度、前一时刻充放电状态、极化效应、自放电、存储时间、电池寿命等，因此给SOC估算带来很大的困难；其次，二次电池系统的自放电和一致性对误差的影响较大，特别是后者，目前在国内占有较大市场的磷酸铁锂电池，其一致性不佳，往往由于个别单体出现状况导致对整个电池包SOC的估算产生较大影响；第三，对电池SOC放电衰减的估算策略，常用的是安时积分法，但单纯的安时积分法会出现由于电流采集不准确导致误差累积；第四SOC校正需要能在线进行，若是拆开模组，用专门设备另行检测，在不间断使用的清洁能源中，很不现实。

如何对电池组SOC进行有效的评估和修正，关系到电池组是否处于有效SOC使用区间，使用寿命是否满足要求。行业内大量实际应用的SOC的预测算法主要有安时积分法和卡尔曼滤波等。安时积分法由于其算法简单可靠，是目前使用较广的算法，但是，安时积分法修正的基本原理是将电池充分静置，静置时间一般在1小时以上，因此该方式有其局限性，不适合清洁能源系统持续运行过程中实时地对二次电池系统SOC进行动态修正，并且OCV修正只能用于SOC的低端静态修正，若二次电池系统处在“浅放”工况时，即电量未消耗到低端水平即对电池进行充电，那么OCV修正就无法起到校准SOC精度的目的，且由于电流测量的误差或数据丢失，导致误差会随着使用时间不断增大；卡尔曼滤波预测SOC需要非常精准的电池模型，但精确的参数往往难以获得，且电池在使用过程中，容量等也会衰减，这会导致预测偏差进一步加剧。目前，也有基于历史数据进行定期分析，在系统运行过程中修正SOC的技术，如中国专利CN112763917A、CN111048857A，但数据丢失一旦丢失，就无法进行SOC修正，且对单体电池要求全寿命周期内电压一致性稳定，若有单体电池更换或维护保养，SOC修正误差反而加大。中国专利CN110888060A公开了一种电池组的OCV-SOC曲线更新方法，包括：获取表征所述电池组老化状态的信息；根据所述电池组的当前OCV-SOC曲线与所述信息，得到所述电池组的当前老化特征参数；根据所述电池组的当前老化特征参数与所述当前OCV-SOC曲线，更新所述电池组的OCV-SOC曲线，该发明的局限在于需要定期更新OCV-SOC曲线参数，在缺乏信号或交通不方便的地方，这是非常大的工作量，非常需要依靠人工定期干涉，还是不能够满足系统自主全寿命周期内自动在线校正SOC。

针对目前二次电池系统存在的SOC预测误差问题，需要设计一种对电池组SOC可进行在线校正的方法，从而提升电池的使用寿命和能量利用率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种水系二次电池系统SOC在线校正方法，以OCV-SOC参数为基础，控制系统根据电池组在最后截止时间的总电压和温度，参照相应温度区间下的OCV-SOC参数表与当前的SOC进行比较和在线校正；实现二次电池系统在线校正，能够有效避免水系二次电池系统总电压虚压造成的误判，从而提升电池的使用寿命和能量利用率。

本发明提供一种水系二次电池系统SOC在线校正方法，包括以下步骤：

(1)利用电池组在不同温度的小电流放电数据，先建立OCV-SOC参数表；

(2)在控制系统逻辑程序中编入步骤(1)中所述的OCV-SOC参数表中的数据群；

(3)电池组在一定时间内电流输出持续小于一定值时，控制系统根据电池组在最后截止时间的总电压和温度，参照相应温度区间下的OCV-SOC参数表中对应的SOC值与当前的SOC进行比较，若是比当前的高或一样，则不校正；若是比当前的低，则校正为OCV-SOC参数表的对应数值。

根据不同的应用场景，电池需要进行不同数量的串并联成组，以满足工况。OCV-SOC参数表中的数据群依据不同应用场景输入相应的控制系统，作为系统，在运行前进行测试验证是否输入了正确的数据群，验证通过进行固化。系统运行全寿命期间，无需再修改OCV-SOC参数表中的数据群。

步骤(1)中，OCV-SOC参数表按下述方式获得：根据单体容量，确定电流值，电流值通常是电池容量的5％，在不同温度区间下进行放电，选取放电过程中的单体电池电压值和SOC值，将电池组的串联数量乘以单体电压数据得到所述OCV-SOC参数表中的数据群中的总电压值。

水系二次电池相对于有机电池如锂离子电池，具有全天候可充放电优势，但在不同温度放电，放电电压曲线不同，温度低，放电电压曲线偏低，温度高，放电电压曲线偏高；基于全天候可充放电优势，也就可以在全天候下拥有SOC可校正的条件，因此，有必要根据电压曲线特点，划分温度区间，可以进一步提高SOC校正的精度，温度区间划分三个足够，太多了，电压曲线差异小，考虑电池组应用过程中其他因素如容量衰减等，反而增加了逻辑参数复杂性；太少了，温度区间太大或者只有一个，也不符合电池放电电压曲线特性，SOC校正精度会降低。优选地，步骤(1)中，所述不同温度分三个区间：T<-20℃，-20≤T≤30℃，T>30℃；步骤(1)中，所述小电流为0.05C。

优选地，步骤(1)中，步骤(1)中，OCV-SOC参数表中的参数群由总电压值与SOC值组成对应值，所述总电压值为电压区间，所述SOC值为0～100％，SOC值间隔5～10取一个值。SOC细化到间隔量，量多会导致控制系统逻辑变化频繁，需要考虑放电电压曲线特性之一是有放电平台，因此需要一定的间隔，间隔越大，取量越少，变化幅度绝对值太大，会造成校正值经常在当前SOC范围而不校正，长时间运行会积累误差，因此本发明中SOC间隔5～10取一个值；由于校正的SOC是固定值，而放电曲线由多个电压点构成，因此需要选择对应电压区间。

优选地，控制系统逻辑程序为控制系统BMS逻辑程序。

优选地，步骤(3)中，所述一定时间是指2～24h，所述一定值是指0.05C。电池组满充满放对电池寿命有影响，且电池组体积大，搭建测试条件困难，尤其是低温条件下测试，很难有足够空间的冷房提供，但单体电池和电池组电压成直接关系，可以测试单体电池获得放电电压曲线；为了获得完整的放电电压曲线，也就是电池电量进行100％SOC全部释放，放电电流小，通常0.05C，也不能太小，电流过小，电压平台区电压变化几乎很小，电压区间区分难度大，失去校正的依托。在线校正不能时刻进行，若时刻进行会造成控制系统运行紊乱，最终失去实际意义。校正需要满足一定条件。二次电池系统运行期间处于没有充放电的搁置状态或放电电流小于一定值，达到一定时间后，就可以进行比较和校正。本发明所述一定时间是指2～24h，时间不能太短，太短造成校正频繁，也不能太长，太长不能及时消除自放电造成的误差。放电电流不能太大，太大造成总电压较快降低，造成SOC判定过低，累积多次后会引发过充，因此，一定值选择的最大值与OCV-SOC参数表中的参数群获得时一致。

优选地，所述最后截止时间是指倒数第1～3分钟中的一个时间，校正准确度高。

优选地，步骤(3)中，电池组在首次启动运行前输入初始当前SOC值，运行过程中的SOC值由运行过程自动获得，初始当前SOC值通过以下方式获得：通过电流与时间积分法获得的数值与电池组额定容量的比值得到所述SOC值。也就是初始当前SOC＝电流与时间积分法获得的数值÷电池组额定容量，电流与时间积分法获得的数值是指电量。当前SOC以百分比形式体现，是个数值，该数值乘以控制系统内设定的容量，即为水系二次电池系统的带电量。

优选地，充电过程中不进行SOC校正。业内常见做法就是在电池组没有充放电或充放电电流很小时，达到一定时间后进行校正，且要求在这一段时间，电池组总电压变化量在允许范围。但水系二次电池存在虚压特性，充放电电压差异大，本发明研究发现若是充电也进行校正，会造成电池SOC过于虚高。因此，本发明中充电过程不进行SOC校正。

优选地，步骤(3)中，所述总电压对应OCV-SOC参数表中的电压区间，获得OCV-SOC参数表中对应的SOC值，所述OCV-SOC参数表中对应的SOC值与当前SOC值进行比较，若是OCV-SOC参数表中对应的SOC值比当前SOC值高或一样，则不校正；若是比当前SOC值低，则用OCV-SOC参数表中对应的SOC值代替当前SOC值，进行在线校正。在线校正核心一是水系二次电池系统在现有应用场景下进行校正，不需要单独独立或进行程序升级，二是校正只能往低处校正，不能往高处。

步骤(3)中，放电电流数值和放电时间同时满足要求，要求是指：电池组在2～24h内电流输出持续小于0.05C，才能对当前SOC进行比较和在线校正。电池组运行过程中，自身SOC随时间在变化，电池组自身自放电等因素，通常会产生累积误差，校正的核心是消除误差，需要一定的条件具备进行校正，也方便控制系统逻辑运行稳定可靠。

不同温度区间，采用各自温度区间对应的OCV-SOC参数表中的参数群进行校正。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明以OCV-SOC参数为基础，控制系统根据电池组在最后截止时间的总电压和温度，参照相应温度区间下的OCV-SOC参数表与当前的SOC进行比较和在线校正；实现二次电池系统在线校正。

(2)本发明通过建立电池组总电压值与目标SOC对应关系，在SOC存在误差时，实时在线地采集电压并得到对应的目标SOC，满足一定条件(时间和输出电流)下进行比较，此方法比传统OCV修正更加灵活，可全天候应用，能够有效避免水系二次电池系统总电压虚压造成的误判，使电池组一直处于健康运行状态，满足工厂设备频繁开启，照明常开的工作需要，从而提升电池的使用寿命和能量利用率，使用寿命由现有的2-3年提高到8年以上，利用率从50％左右提高到85％以上。

(2)本发明提供的水系二次电池系统SOC在线校正方法不改变现有清洁能源系统运行模式，也不需要远程升级，简单可靠，方便推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例水系二次电池单体在T<-20℃温度区间下的放电曲线图；

图2是本发明实施例水系二次电池单体在-20≤T≤30℃温度区间下的放电曲线图；

图3是本发明实施例水系二次电池单体在T>30℃温度区间下的放电曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

一种水系二次电池系统SOC在线校正方法，包括以下步骤：

(1)利用电池组在不同温度的小电流0.05C的放电数据，不同温度分三个区间：T<-20℃，-20≤T≤30℃，先建立OCV-SOC参数表，OCV-SOC参数表按下述方式获得：根据单体容量，确定电流值，电流值是电池容量的5％，在不同温度区间下进行放电，选取放电过程中的单体电池电压值和SOC值，将电池组的串联数量乘以单体电压数据得到所述OCV-SOC参数表中的数据群中的总电压值，OCV-SOC参数表中的参数群由总电压值与SOC值组成对应值，所述总电压值为电压区间，所述SOC值为0～100％，SOC值间隔5～10取一个值。本发明实施例水系二次电池单体在T<-20℃温度区间下的放电曲线图如图1所示；本发明实施例水系二次电池单体在-20≤T≤30℃温度区间下的放电曲线图如图2所示，本发明实施例水系二次电池单体在T>30℃温度区间下的放电曲线图如图3所示。虽然每个实施例电池容量不同，但单体放电曲线一样，本发明下面三个实施例所用的放电曲线图均是图1-3。

(2)在控制系统BMS逻辑程序中编入步骤(1)中所述的OCV-SOC参数中的数据群；

(3)电池组在首次启动运行前输入初始当前SOC值，运行过程中的SOC值由运行过程自动获得，初始当前SOC值通过以下方式获得：通过电流与时间积分法获得的数值与电池组额定容量的比值得到所述SOC值。电池组在2～24h内电流输出持续小于0.05C时，对当前SOC进行比较和在线校正，控制系统根据电池组在最后倒数第1～3分钟内的总电压和温度，参照相应温度区间下的OCV-SOC参数表，总电压对应OCV-SOC参数表中的电压区间，获得OCV-SOC参数表中对应的SOC值，所述OCV-SOC参数表中对应的SOC值与当前SOC值进行比较，若是OCV-SOC参数表中对应的SOC值比当前SOC值高或一样，则不校正；若是比当前SOC值低，则用OCV-SOC参数表中对应的SOC值代替当前SOC值，进行在线校正。充电过程中不进行SOC校正。

实施例1

某清洁能源系统采用48V/600Ah水系二次电池系统作为储能，风光作为发电源，一体化逆变器输出220V交流，持续负载为500W小功率的监控设备，夏季存在间歇式负载为生活做饭用电，冬季为无人值守。该点冬季气温最低-47℃，夏季最高气温32℃。逆变器和48V/600Ah水系二次电池系统安装在室内，采用本发明校正方法进行校正，设定校正时间为电池组在10h内电流输出持续小于0.05C进行校正，连续运行三年，累计校正次数1007次，平均一天约1次，电池组最高温度35℃，最低温度-26℃，单体压差小于15mV；电池组一直处于健康运行状态，基于过去四年运行数据表现，可以满足可靠性运行八年以上的用户要求。

本实施例48V水系二次电池系统OCV-SOC参数表见表1。

表1

实施例2

某清洁能源系统采用192V/200Ah水系二次电池系统作为储能，光伏作为发电源，一体化逆变器输出220V交流，应急负载功率为10KW，要求在缺电情况下能满足持续输出1.5h要求。该点冬季气温最低-55℃，夏季最高气温40℃(太阳直晒)。192V/200Ah水系二次电池系统安装在室外，采用本发明校正方法进行校正，设定校正时间为电池组在24h内电流输出持续小于0.05C进行校正。清洁能源系统持续运行12个月，累计校正次数23次，电池组基本处于满电状态，应急输出18次，电池组最高温度50℃，最低温度-37℃，单体压差小于10mV；电池组一直处于健康运行状态，基于过去三年运行数据表现，可以满足可靠性运行八年以上的用户需要。

本实施例192V水系二次电池系统OCV-SOC参数表见表2。

表2

实施例3

某清洁能源系统采用576V/600Ah水系二次电池系统(三组电池并联使用)作为储能，光伏作为发电源，一体化逆变器输出380V交流，生产装备满负载功率为200KW。该点冬季气温最低-25℃，夏季最高气温34℃(太阳直晒)。576V/600Ah水系二次电池系统安装在室内，采用本发明校正方法进行校正，设定校正时间为电池组在2h内电流输出持续小于0.05C进行校正。清洁能源系统持续运行24个月，累计校正次数2414次，电池组基本处于满电状态，电池组最高温度45℃，最低温度-5℃，单体压差小于7mV；电池组一直处于健康运行状态，基于过去两年运行数据表现，可以满足工厂设备频繁开启，照明常开的工作需要，可以满足可靠性运行八年以上的用户需要。

本实施例576V水系二次电池系统OCV-SOC参数表见表3。

表3

本发明不改变现有清洁能源系统运行模式，也不需要远程升级，简单可靠，通过建立电池组总电压值与目标SOC对应关系，在SOC存在误差时，实时在线地采集电压并得到对应的目标SOC，满足电池组在2～24h内电流输出持续小于0.05C下进行比较，可全天候应用，能够有效避免水系二次电池系统总电压虚压造成的误判，使电池组一直处于健康运行状态，满足工厂设备频繁开启，照明常开的工作需要，从而提升电池的使用寿命和能量利用率，使用寿命提高到8年以上，能量利用率提高到85％以上。

对于本领域技术人员而言，以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚所见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用电池组在不同温度的小电流放电数据，先建立OCV-SOC参数表；

(2)在控制系统逻辑程序中编入步骤(1)中所述的OCV-SOC参数中的数据群；

(3)电池组在一定时间内电流输出持续小于一定值时，控制系统根据电池组在最后截止时间的总电压和温度，参照相应温度区间下的OCV-SOC参数表中对应的SOC值与当前的SOC进行比较，若是比当前的高或一样，则不校正；若是比当前的低，则校正为OCV-SOC参数表的对应数值。

2.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(1)中，所述不同温度分三个区间：T<-20℃，-20≤T≤30℃，T>30℃。

3.根据权利要求2所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(1)中，所述小电流为0.05C。

4.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(1)中，OCV-SOC参数表按下述方式获得：根据单体容量，确定电流值，在不同温度区间下进行放电，选取放电过程中的单体电池电压值和SOC值，将电池组的串联数量乘以单体电压数据得到所述OCV-SOC参数表中的数据群中的总电压值。

5.根据权利要求4所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(1)中，OCV-SOC参数表中的参数群由总电压值与SOC值组成对应值，所述总电压值为电压区间，所述SOC值为0～100％，SOC值间隔5～10取一个值。

6.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，控制系统逻辑程序为控制系统BMS逻辑程序。

7.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(3)中，所述一定时间是2～24h，所述一定值是0.05C。

8.根据权利要求7所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(3)中，所述最后截止时间是倒数第1～3分钟内的一个时间。

9.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(3)中，电池组在首次启动运行前输入初始当前SOC值，运行过程中的SOC值由运行过程自动获得，初始当前SOC值通过以下方式获得：通过电流与时间积分法获得的数值与电池组额定容量的比值得到所述SOC值。

10.根据权利要求1所述的水系二次电池系统SOC在线校正方法，其特征在于，步骤(3)中，所述总电压对应OCV-SOC参数表中的电压区间，获得OCV-SOC参数表中对应的SOC值，所述OCV-SOC参数表中对应的SOC值与当前SOC值进行比较，若是OCV-SOC参数表中对应的SOC值比当前SOC值高或一样，则不校正；若是比当前SOC值低，则用OCV-SOC参数表中对应的SOC值代替当前SOC值，进行在线校正。

Images