CN114487858A - 一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池soc估算方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于开路电压‑荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，所述方法包括步骤：选定锂原电池体系，建立不同放电倍率下，该体系锂原电池的开路电压与电池荷电量的第一关系曲线；根据所述第一关系曲线建立拟合模型；选取放电倍率作为参变因子，通过matlab将所建立的拟合模型进行建模，建立基于锂原电池开路电压、放电倍率和电池荷电量的关联模型；通过在该关联模型中上传电池开路电压和放电倍率值计算电池当前状态的荷电量。本发明提供了一种锂原电池荷电量快速估算方法。在实际工程应用中，针对无BMS系统用于监测锂原电池用电量的情况下，对判断锂原电池剩余容量并提高电池实际应用的可靠性，安全性，防止锂原电池因过放电发生安全事故等问题具有现实意义。
Description
技术领域
本发明属于锂原电池技术领域，具体涉及一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法。
背景技术
锂原电池是以金属锂或锂合金为负极的不具有可反复充放电能力的一次电池，一旦电池能量耗尽便不能使用。根据电解液和正极物质的物理状态，锂原电池具有多种不同的类型，主要有：固体正极-有机电解质电池、液体正极-液体电解质电池和固体正极-固体电解质电池。
锂原电池比能量大、工作电压高、工作温度范围宽、储存性能优越、使用携带便利，是军事和民用装备的首选电源之一。由于锂原电池不具有反复充放电的能力，伴随着电池放电的进行，电池荷电量也越来越低，对于用户来说，锂原电池剩余容量预测相当重要，当容量耗尽后继续使用下去会发生过放，过放至一定程度会导致电池泄气、漏液，严重地甚至燃烧、爆炸，对使用人和电池周遭环境状态、仪器设备产生一定的损害。因此锂原电池的荷电状态(SOC)(也即当前状态下电池实际所能提供的电能与全容量下电池所能提供电能的比值)是衡量锂原电池的一个非常重要的指标。在实际使用过程中，必须及时有效地了解锂原电池的荷电状态，对电池进行合理有效地管理和控制直接关系到锂原电池使用过程的安全性和可靠性。
电池SOC精确估算是电源管理系统中最核心的技术之一，其无法用一种传感器直接测得，需通过对一些其他物理量的测量并采用一定的数学模型和算法进行计算得到，如使用安时积分法需要精确记录电池之前使用过程的放电电流、放电时间，通过电流与时间的积分计算出电池已放电量，继而计算得到电池的剩余电量。该种方法计算电池荷电量比较精确，但是需要有电池配套的电源管理单元并在电池使用过程中精确测量电池相关放电参数，如电流、时间等参数。然而锂原电池在实际使用过程中综合考虑电池尺寸、系统复杂程度、用户实际需求、放电方式以及价格成本等因素，并不是在任何使用状态、使用条件下均配备有电源管理单元来实时监测电池放电过程的相关参数，有时甚至存在多次、间歇放电情况。
基于此，针对某一特定锂原电池体系，如何根据电池当前可测试参数快速、有效地预测锂原电池的荷电状态对锂原电池后续放电能力的预判、确保后续放电过程安全可靠具有重要的实际意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，所述方法包括步骤：
建立锂原电池的开路电压与电池荷电量的第一关系曲线；
根据所述第一关系曲线建立拟合模型；
根据所述拟合模型通过matlab建立关联模型；
通过在所述关联模型中上传电池开路电压和放电倍率计算电池当前的荷电量。
优选地，所述建立锂原电池开路电压与电池荷电量的第一关系曲线包括步骤：
选定锂原电池体系；
准备该体系的锂原电池；
测量所述锂原电池的开路电压；
对所述锂原电池进行放电操作；
计算所述锂原电池的荷电量；
根据所述开路电压与所述电池荷电量建立第一关系曲线。
优选地，计算所述锂原电池的荷电量包括步骤：
获取电池荷电量表达式；
获取放电容量的表达式；
根据所述电池荷电量表达式和所述放电容量表达式计算电池荷电量。
优选地，所述电池荷电量表达式为：
其中，SOC表示电池荷电量，QY-X表示放电容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
优选地，所述放电容量的表达式为：
其中，QY-X表示放电容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
优选地，根据所述拟合模型建立关联模型包括步骤：
获取放电倍率、开路电压和电池荷电量；
将所述放电倍率作为参变因子；
根据所述放电倍率、所述开路电压和所述荷电量，通过matlab建立三者之间的所述关联模型。
优选地，所述关联模型的表达式为：
f(x,y)＝p00+p10*x+p01*y+p11*x*y+p02*y^2；
其中，f(x,y)表示锂原电池的荷电量，x表示放电倍率，y表示开路电压，p00＝65.88，p10＝-0.5825，p01＝35.32，p11＝0.4284，p02＝-9.95。
本申请提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法具有如下有益效果：
本发明提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法在实际工程应用中，针对无BMS系统用于监测锂原电池用电量的情况下，对判断锂原电池剩余容量并提高电池实际应用的可靠性，安全性，防止锂原电池因过放电发生安全事故等问题具有现实意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法中锂原电池常温0.1C倍率放电开路电压-荷电量第一关系曲线和拟合模型图；
图2是本发明实施例提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法中锂原电池常温0.2C倍率放电开路电压-荷电量第一关系曲线和拟合模型图；
图3是本发明实施例提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法中锂原电池常温0.5C倍率放电开路电压-荷电量第一关系曲线和拟合模型图；
图4是本发明实施例提供的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法中放电倍率、开路电压和荷电量之间的关联模型图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明作进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在本申请实施例中，本发明提供了一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，所述方法包括步骤：
S1：建立锂原电池的开路电压与电池荷电量的第一关系曲线；
在本申请实施例中，所述建立锂原电池的开路电压与电池荷电量的第一关系曲线包括步骤：
选定锂原电池体系；
准备一定数量所选定体系的锂原电池；
测量所述锂原电池的开路电压；
对所述锂原电池按照一定放电倍率，在一定温度下，定期进行放电操作；
根据锂原电池荷电量表达式计算所述锂原电池的荷电量；
根据所述开路电压与所述电池荷电量建立第一关系曲线。
在本申请实施例中，计算所述锂原电池的荷电量包括步骤：
获取电池荷电量表达式；
获取放电容量的表达式；
根据所述电池荷电量表达式和所述放电容量表达式计算电池荷电量。
在本申请实施例中，所选定的锂原电池体系为锂-金属氧化物电池体系，选取一定数量已完成陈化待组合成组的单体电池，对电池进行编号，电池编号记为Y-X(其中X表示电池样本数量)。采用四探针内阻测试仪测试所选取的单体电池在一定温度条件下的开路电压，记录测试数据，作为首次放电前的开路电压数据。采用不同倍率在一定温度条件下分别对所选取的单体电池进行第一次放电，放电容量设定为Qi，i为放电次数，第一次放电容量记为Q1，待电池放电容量达到设定的Q1后即为第一次放电结束。间隔一定时间后，采用与第一次放电相同倍率，在一定温度条件下进行第二次放电，放电前分别测试所选取单体电池的开路电压，作为第二次放电前的开路电压并记录测试数据。第二次放电容量记为Q2。如此反复，第n次放电容量为Qn，直至锂原电池容量放空为止，锂原电池容量放空的标志为电池电压达到截止电压，不同体系的锂原电池其截止电压不同。最后一次放电结束标志以电池电压达到所设定的截止电压为准，总放电次数记为n。
在本申请实施例中，锂原电池全容量记为QY-X，其中X为电池样本数量，单体电池全容量为n次放电容量总和，即放电容量的表达式为公式(1)：
其中，QY-X表示某一样本电池的放电容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
第一次放电前电池荷电量为100％，则锂原电池的荷电量表达式为公式(2)：
其中，SOC表示电池的荷电量，QY-X表示电池的放电容量，也即电池的全容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
实际操作中Q1＝Q2＝Q3＝…Qi…＝Q(n-1)，依据所设定Q1值及锂原电池全容量QY-X的大小，单体电池最后一次放电容量Qn≤Q1＝Q2＝Q3＝…Qi…＝Q(n-1)。
S2：根据S1中所测得开路电压和所计算的SOC值建立开路电压和SOC之间的关系曲线，并根据所述第一关系曲线建立拟合模型；
S3：将放电倍率作为参变因子，根据S2中所述拟合模型采用matlab建立开路电压、荷电量和参变因子之间的关联模型；
在本申请实施例中，所述关联模型的表达式为：
f(x,y)＝p00+p10*x+p01*y+p11*x*y+p02*y^2；
其中，f(x,y)表示锂原电池的荷电量，x表示放电倍率，y表示开路电压，p00＝65.88，p10＝-0.5825，p01＝35.32，p11＝0.4284，p02＝-9.95。
S4：获取所述锂原电池的开路电压和放电倍率；
S5：将S4中所述电池开路电压和所述放电倍率上传至S3中所述关联模型中从而计算锂原电池的荷电量。
在本申请实施例中，通过公式(1)和公式(2)计算出锂原电池不同倍率条件下放电容量和电池开路电压之间的对应关系，并对对应关系进行拟合，然后以放电倍率作为参变因子，建立放电倍率、开路电压和荷电量三者之间的关联模型。在关联模型中，通过上传电池开路电压和放电倍率，快速估算锂原电池当前的荷电量。
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例详细说明。
实施例：
本发明专利实施例选定的是锂-金属氧化物电池体系，实验温度选定的是常温条件25℃±3℃。
(1)选取3只已完成陈化待组合成组的锂-金属氧化物单体电池样品，样品编号分别标记为Y-1、Y-2和Y-3。在常温条件下，采用四探针内阻测试仪分别测试所选取的3只单体电池的开路电压并记录，作为首次放电前的开路电压数据。
(2)在常温条件下，对3只样品分别采用0.1C、0.2C和0.5C倍率进行放电，首次放电容量设定为Q1，其中Q1＝3Ah，即单体电池放电3Ah后停止放电。
(3)间隔时间≥5天后，分别测试样品单体电池的开路电压作为第二次放电前的电池开路电压数据并记录。按照步骤(2)方法分别对选取的单体电池进行第2次放电，放电容量为Q2，其中Q2＝Q1＝3Ah，即单体电池第二次放电3Ah后停止放电。
(4)循环重复步骤(2)和步骤(3)，每次放电容量记为Qi其中i表示放电次数，直至单体电池容量放空为止，单体电池容量放空的标志为最后一次放电至所设定的截止电压。针对本发明专利选择的锂-金属氧化物电池体系，放电截止电压设定为2.0V，单体电池放电总次数记为n，最后一次放电容量记为Qn，其中Q1＝Q2＝Q3＝…Qi…＝Q(n-1)＝3Ah，Qn≤Q1＝3Ah，依据放电情况记录实测的Qn值。
(5)按照本步骤中计算公式，分别计算单体电池的全容量，全容量标记为QY-X，单体电池全容量为n次放电容量总和，即
其中X表示样品号，，QY-X表示放电全容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
(6)按照本步骤中计算公式，分别计算不同倍率放电的单体电池每次放电前的荷电量SOC，其中第一次放电前电池荷电量为100％，不同倍率放电的单体电池荷电量的计算方法为：
其中，SOC表示电池荷电量，QY-X表示放电全容量，Qi表示放电容量设定值，n表示放电次数。
(7)由前述步骤得到不同放电倍率下电池开路电压和所计算的SOC之间的第一关系曲线，并根据所述第一关系曲线建立拟合模型；
(8)将放电倍率作为参变因子，采用matlab软件对所建立的拟合模型进行建模，建立放电倍率、开路电压和荷电量三者之间的关联模型，本实施例中，针对锂-金属氧化物体系电池得到的关联模型如下：
f(x,y)＝p00+p10*x+p01*y+p11*x*y+p02*y^2(R-square＝0.9779)
其中，f(x,y)表示锂原电池的荷电量，x表示放电倍率，y表示开路电压，p00＝65.88，p10＝-0.5825，p01＝35.32，p11＝0.4284，p02＝-9.95。
(9)针对相同体系锂原电池，将电池开路电压y和放电倍率x值上传至到步骤(8)中的关联模型中，即可快速估算出所选定体系锂原电池当前的荷电量(SOC)。
本发明提供的一种锂原电池荷电量估算方法在实际工程应用中，针对无BMS系统用于监测锂原电池用电量的情况下，对判断锂原电池剩余容量并提高电池实际应用的可靠性，安全性，防止锂原电池因过放电发生安全事故等问题具有现实意义。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (4)
1.一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
选定锂原电池体系；
对所述锂原电池按不同放电倍率在一定的温度条件下进行放电操作，获取不同倍率下，锂原电池的放电容量；
定期测试锂原电池的开路电压；
建立不同放电倍率下，锂原电池的开路电压与电池荷电量的第一关系曲线；
根据所述第一关系曲线建立拟合模型；
选取放电倍率作为参变因子，根据所述拟合模型通过matlab建立放电倍率、开路电压和荷电量之间的关联模型；
在所述关联模型中通过上传开路电压、放电倍率计算电池荷电量。
2.根据权利要求1所述的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，其特征在于，所述关联模型的表达式为：
f(x,y)＝p00+p10*x+p01*y+p11*x*y+p02*y^2；
其中，f(x,y)表示锂原电池的荷电量，x表示放电倍率，y表示开路电压，p00＝65.88，p10＝-0.5825，p01＝35.32，p11＝0.4284，p02＝-9.95。
在关联模型中通过上传开路电压和放电倍率值即可获得当前电池荷电量。
3.根据权利要求1所述的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，其特征在于，所选择的锂原电池体系可以为锂-氟化碳电池、锂-金属氧化物电池、锂-二硫化铁电池中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于开路电压-荷电量特征曲线的锂原电池SOC估算方法，其特征在于，电池放电环境温度优选25℃±3℃，间隔放电时间优选为≥5天。
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