CN115015770B - 一种锂电池充放电截止的确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂电池充放电截止的确定方法及装置，包括：对电池建立电化学模型；分别根据所述电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围；根据电化学模型计算充放电过程中正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；根据正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量；若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。本发明基于锂电池的电化学模型确定充放电条件，可以最大化利用锂电池的容量，实现更大的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，尤指一种锂电池充放电截止的确定方法及装置。
背景技术
为了保证锂电池在长期使用中的安全可靠，有一个由软硬件组成的电池管理系统(BMS，Battery Management System)，目前广泛使用的BMS都是基于等效电路模型(ECM)开发的，由于ECM的预测能力有限，电池运行策略的设计都是基于简单的安全约束条件，比如：充电截至电压、放电截止电压和最大电流等。然而端电压并不能完全反应电池内部的状态，特别是在大电流下，由于过电位较大，这将大大减小(充电为增大)电池的端电压，使得电池提前截止放电(或充电)。这种控制策略显然是保守的，特别是在储能场景下，这将不能充分使用电池的容量，造成资源的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池充放电截止的确定方法及装置，用于解决现有锂电池充放电截止的确定策略保守，不能充分使用电池容量的问题。
本发明提供的技术方案如下：
一种锂电池充放电截止的确定方法，包括：对电池建立电化学模型；
分别根据所述电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围；
在所述电池的充电或放电过程中，获取所述电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；
根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量；
若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
在一些实施例中，所述的分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量包括：
分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；
根据所述活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到对应电极的当前嵌锂量。
在一些实施例中，所述的分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度，包括：
若所述电化学模型为单粒子模型类，则根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为所述活性材料内粒子的半径，r为所述活性材料内粒子的径向距离，cr为粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一些实施例中，所述的分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度，还包括：若所述电化学模型为准二维模型类，根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为所述活性材料内粒子的半径，r为所述活性材料内粒子的径向距离，N为沿电极厚度方向设置的离散区域数，cx,r为沿电极厚度方向第x个离散区域的粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一些实施例中，根据以下公式计算电极的嵌锂量θ：
其中，cmean为电极活性材料的平均锂离子浓度，cmax为电极活性材料的最大锂离子浓度。
在一些实施例中，所述的若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电，包括：
若在放电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电。
在一些实施例中，所述的若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电，还包括：
若在充电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
本发明还提供一种锂电池充放电截止的确定装置，包括：
模型建立模块，用于对电池建立电化学模型；
设置模块，用于分别根据所述电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围；
嵌锂量计算模块，用于在所述电池的充电或放电过程中，获取所述电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量；
确定模块，用于若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
在一些实施例中，所述嵌锂量计算模块，包括：
平均浓度计算单元，用于分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；
嵌锂量计算单元，用于根据所述活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到对应电极的当前嵌锂量。
在一些实施例中，所述确定模块，还用于若在放电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电；若在充电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
与现有技术相比，本发明所提供的一种锂电池充放电截止的确定方法及装置，能够带来以下有益效果：本发明基于锂电池的电化学模型确定充放电截止条件，可以最大化利用锂电池的容量，实现更大的经济效益。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种锂电池充放电截止的确定方法及装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是本发明的锂电池充放电截止的确定方法的一个实施例的流程图；
图2是本发明的锂电池充放电截止的确定装置的一个实施例的结构示意图；
图3是图2中嵌锂量计算模块的一种结构示意图；
图4是本发明实施例中电池的端电压随时间变化曲线的一种示意图；
图5是本发明实施例中电池放电期间正极和负极活性材料的表面锂离子浓度随时间变化曲线的一种示意图；
图6是本发明实施例中电池在放电期间正极活性材料在不同时刻的锂离子浓度分布的一种示意图。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，一种锂电池充放电截止的确定方法，包括：
步骤S100对电池建立电化学模型。
电池为锂电池，电化学模型包括但不限于准二维(P2D)模型、P2D热耦合模型、单粒子(SPM)模型、带电解液的单粒子模型(SPMe)、各种扩展单粒子模型(SP+模型)等。可采用现有技术为电池构建前述的一种电化学模型。对电池进行电化学建模后，通过电化学模型可以计算出电池在不同工况下，比如不同电流I、不同荷电状态SOC下的固相锂离子浓度分布。
步骤S200分别根据电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围。
基于保护电池使用寿命的原则，为了保护正极和负极活性材料的结构稳定性，正极和负极嵌锂量应该保持在一定范围内，否则会出现结构塌陷，影响电池使用寿命，因此根据电池的正极活性材料的结构特性设置正极的嵌锂量安全范围，根据负极活性材料的结构特性设置负极的嵌锂量安全范围，以避免锂电池过充或过放。每个电极的嵌锂量安全范围有对应的上下限。
步骤S300在电池的充电或放电过程中，获取电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布。
如前所述，电化学模型可以计算出电池在不同工况下的固相锂离子浓度分布。此处利用电化学模型的上述功能，获得任一时刻的正极活性材料和负极活性材料的锂离子浓度分布。
步骤S400根据正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量。
根据正极活性材料的锂离子浓度分布计算正极的当前嵌锂量，根据负极活性材料的锂离子浓度分布计算负极的当前嵌锂量。
步骤S500若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
由于电化学模型能准确反应电池内部微观状态，本实施例提出了一种基于锂电池电化学模型的充放电截止的判定方法，以控制锂电池的充放电终止条件，最大化利用电池的容量，提高资源利用率。具体地，基于正极和负极活性材料的结构稳定性提出通过以正极和负极电极的嵌锂量作为电池充放电截止条件。
步骤S400包括：
步骤S410分别根据正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；
步骤S420根据活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到电极的嵌锂量。
在一个实施例中，若电化学模型为单粒子模型类，单粒子模型类是指SPM模型或基于SPM的扩展模型，由于这类模型假设电极材料是由一个球状粒子组成，所以可根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为活性材料内粒子的半径，r为活性材料内粒子的径向距离，cr为粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一个实施例中，若电化学模型为准二维模型类，准二维模型类是指P2D模型或基于P2D的扩展模型：
这类模型考虑了电极厚度，假设电极材料是由多个球状粒子组成。假设沿正极/负极的电极厚度方向分成N个离散区域，每个离散区域有若干半径R的粒子，这些粒子的锂离子浓度分布是一样的，则可根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，cx,r为第x个离散区域的粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一个实施例中，步骤S420包括：
根据以下公式计算电极的嵌锂量θ：
其中，cmean为电极活性材料的平均锂离子浓度，cmax为电极活性材料的最大锂离子浓度。
在一个实施例中，步骤S500包括：
若在放电过程中，正极的当前嵌锂量高于其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量低于其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电。
若在充电过程中，正极的当前嵌锂量低于其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量高于其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
在本发明的一个实施例中，如图2、图3所示，一种锂电池充放电截止的确定装置，包括：
模型建立模块100，用于对电池建立电化学模型；
设置模块200，用于分别根据电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围；
嵌锂量计算模块300，用于在电池的充电或放电过程中，获取电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；根据正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量；
确定模块400，用于若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
在一个实施例中，嵌锂量计算模块300包括平均浓度计算单元310和嵌锂量计算单元320，平均浓度计算单元310用于分别根据正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；嵌锂量计算单元320用于根据活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到对应电极的当前嵌锂量。
在一个实施例中，若电化学模型为单粒子模型类，平均浓度计算单元310根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为活性材料内粒子的半径，r为活性材料内粒子的径向距离，cr为粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一个实施例中，若电化学模型为准二维模型类，平均浓度计算单元310根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，cx,r为第x个离散区域的粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
在一个实施例中，嵌锂量计算单元320，根据以下公式计算电极的嵌锂量θ：
其中，cmean为电极活性材料的平均锂离子浓度，cmax为电极活性材料的最大锂离子浓度。
在一个实施例中，确定模块400还用于：
若在放电过程中，正极的当前嵌锂量高于其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量低于其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电。
若在充电过程中，正极的当前嵌锂量低于其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量高于其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
需要说明的是，本发明提供的一种锂电池充放电截止的确定装置的实施例与前述提供的锂电池充放电截止的确定方法的实施例均基于同一发明构思，能够取得相同的技术效果。因而，锂电池充放电截止的确定装置的实施例的其它具体内容可以参照前述锂电池充放电截止的确定方法的实施例内容的记载。
本发明还提供了一个具体应用场景实施例，将前述的锂电池充放电截止的确定方法与装置应用于钴酸锂电池的充放电截止的确定。
本实例选择的是0.68Ah的钴酸锂电池、SPM模型，需要说明的是，本实施例提供的方法也适用其他锂电池以及其他电化学模型。
步骤1：选择SPM电化学模型对钴酸锂电池进行建模。
以运行工况为1C放电1h，静置0.5h为例，其端电压随时间的变化曲线如图4所示，其正极和负极活性材料的表面锂离子浓度随时间变化结果如图5所示，其中左图为负极活性材料的表面锂离子浓度，右图为正极活性材料的表面锂离子浓度。
步骤2：设置正极和负极嵌锂量安全范围。
以正极活性材料为例，钴酸锂这种材料，在锂脱出超过一半后很容易出现结构的塌陷，因此为了保持钴酸锂材料的稳定性，可设置正极嵌锂量范围为0.6～0.95。其中，在放电过程中，锂离子会从负极脱嵌，通过扩散嵌入正极，使得正极锂离子浓度增加(如图5所示)，因此正极嵌锂量增加，放电时相反。
同理，根据负极活性材料的结构特性确定负极嵌锂量安全范围。
步骤3：计算放电过程中正极和负极的嵌锂量。
钴酸锂材料中的锂离子最大浓度cmax，是钴酸锂材料的固有属性。
根据电化学模型得到锂电池在放电期间的正极活性材料的锂离子浓度分布，如图6所示。
根据正极活性材料的锂离子浓度分布，利用单粒子模型的计算公式求出正极活性材料的平均锂离子浓度cmean，进而可求出放电过程中正极的当前嵌锂量θ+。
同理计算负极的当前嵌锂量θ-。
步骤4：对正极和负极的当前嵌锂量进行检测。
根据步骤2得到，正极嵌锂量安全范围为0.6～0.95，即0.6≤θ+≤0.95。在充电过程中，正极材料嵌锂量逐渐减小，为了避免对正极材料结塌陷造成电池容量损失，应保持θ+≥0.6；在放电过程中，正极材料嵌锂量逐渐增加，应保持θ+≤0.95。
以放电为例，图6展示了部分时刻正极活性材料中锂离子浓度分布，从3500s～3600s锂离子浓度逐渐增加，使得θ+值逐渐增大，当θ+达到安全范围的上限时，停止放电。
同理，对负极的当前嵌锂量进行检测，若负极的当前嵌锂量θ-达到其安全范围的下限，停止放电。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，包括：
对电池建立电化学模型；
分别根据所述电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围，所述嵌锂量安全范围为使电极材料结构稳定的嵌锂量；
在所述电池的充电或放电过程中，获取所述电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；
分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；
根据所述活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到对应电极的当前嵌锂量；
若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
2.根据权利要求1所述的锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，所述的分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度，包括：
若所述电化学模型为单粒子模型类，则根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为所述活性材料内粒子的半径，r为所述活性材料内粒子的径向距离，cr为粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
3.根据权利要求1所述的锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，所述的分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度，还包括：
若所述电化学模型为准二维模型类，根据以下公式计算活性材料的平均锂离子浓度cmean：
其中，R为所述活性材料内粒子的半径，r为所述活性材料内粒子的径向距离，N为沿电极厚度方向设置的离散区域数，cx,r为沿电极厚度方向第x个离散区域的粒子在径向距离r上的固相锂离子浓度。
4.根据权利要求1所述的锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，根据以下公式计算电极的嵌锂量θ：
其中，cmean为电极活性材料的平均锂离子浓度，cmax为电极活性材料的最大锂离子浓度。
5.根据权利要求1所述的锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，所述的若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电，包括：
若在放电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电。
6.根据权利要求1所述的锂电池充放电截止的确定方法，其特征在于，所述的若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电，还包括：
若在充电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
7.一种锂电池充放电截止的确定装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于对电池建立电化学模型；
设置模块，用于分别根据所述电池的正极和负极活性材料的结构特性设置对应电极的嵌锂量安全范围；所述嵌锂量安全范围为使电极材料结构稳定的嵌锂量；
嵌锂量计算模块，用于在所述电池的充电或放电过程中，获取所述电化学模型的正极和负极活性材料的锂离子浓度分布；根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应电极的当前嵌锂量；
所述嵌锂量计算模块，包括：
平均浓度计算单元，用于分别根据所述正极和负极活性材料的锂离子浓度分布，计算对应活性材料的平均锂离子浓度；
嵌锂量计算单元，用于根据所述活性材料的平均锂离子浓度和最大锂离子浓度，得到对应电极的当前嵌锂量；
确定模块，用于若有一个电极的当前嵌锂量不处于其嵌锂量安全范围，则停止充电或放电。
8.根据权利要求7所述的锂电池充放电截止的确定装置，其特征在于，
所述确定模块，还用于若在放电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，则停止放电；若在充电过程中，正极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的下限，或负极的当前嵌锂量达到其嵌锂量安全范围的上限，则停止充电。
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