CN116108705A - 钠离子电池管理系统和soc计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种钠离子电池管理系统和SOC计算方法，本发明根据钠离子电池平台电压很短、工作电压即可反应SOC的大小的特性，根据钠离子电池的电压与SOC的曲线，通过实时采集的钠离子电池的工作电压对实时的SOC进行计算，并且，根据充电和放电的状态不同采用不同的公式进行计算，以及，根据钠离子电池的电压与SOC的充放电曲线的形态特点，分段对SOC计算，可有效提高钠离子电池的SOC计算精度；本发明相对于现有技术中对锂离子电池的SOC计算方法，根据钠离子电池的特性，设置SOC的计算步骤，计算过程简单且SOC精度较高，可很好的应用于钠离子电池的电池管理系统中。
Description
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种钠离子电池管理系统和SOC计算方法。
背景技术
电池剩余电量又称电池的荷电状态（State of Charge，即SOC），是电池状态的主要参数之一，由于SOC在电池管理系统起重要作用，如计算电池在当前状态下的剩余电量，做出有效的保护决策，避免过充和过放电等事故的发生等。因此大量国内外学者和工程师们二十年前就提出了大量电池SOC计算的方法，其中也有非常多的SOC计算的方法应用到电池管理系统中，有着不错的效果。
目前主要应用在电池管理系统中的SOC估计算法有很多，例如中国发明专利（CN110412470A）公开了一种电动汽车动力电池SOC估计方法，包括s1、自BMS中提取可以表征SOC的关联特征；s2、利用关联特征训练深度神经网络模型；s3、基于训练后的深度神经网络模型在线SOC估计。上述方法可处理大量BMS样本数据，可获得更高的估计精度，然而，上述方案是针对现有技术中常见的锂离子电池进行SOC计算，上述的方案并不能适用于钠离子电池的SOC计算中，同时，上述方案采用深度神经网络模型进行SOC的计算，需要采集大量的数据，并且经过大量的模型训练，才能提高SOC计算的精度，存在计算复杂，计算时间长，对运算设备要求高的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述技术方案的不足，提供一种钠离子电池管理系统及SOC计算方法，根据钠离子电池平台电压很短的特性，根据钠离子电池的电压与SOC的曲线，通过实时采集的钠离子电池的工作电压对实时的SOC进行计算，并且，根据充电和放电的状态不同采用不同的公式进行计算，以及，根据钠离子电池的电压与SOC的充放电曲线的形态特点，分段对SOC计算，可有效提高钠离子电池的SOC计算精度。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种钠离子电池SOC计算方法，包括以下步骤：
步骤1：电池管理系统控制电压采集模块以预设采样周期采集所述钠离子电池的电压数据；
步骤2：判断所述钠离子电池的工作状态；
步骤3：若所述钠离子电池处于充电状态，则根据充电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC；
步骤4：若所述钠离子电池处于放电状态，则根据放电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC。
优选地，所述电压采集模块为电压传感器，用于对所述钠离子电池的电压数据进行采集；
优选地，所述电压传感器通过预设的采样周期Ts周期性的采集所述钠离子电池的电压数据，所述采样周期可设置为0.5s，也可根据实际需要进行设置，例如1s、0.1s等；
当对所述钠离子电池充电时，所述电压采集模块采集的电压值为正值，当所述钠离子电池放电时，所述电压采集模块采集的电流为负值，所述电压在当前采样周期采集的电压值用V（t）表示；
优选地，所述钠离子电池的工作状态为充电或者放电两者状态，由于钠离子电池具有良好的避免自放电特性，因此，当钠离子电池处于不工作状态时，其SOC变化很小，可以忽略不计，因此，本发明重点考虑了充电和放电两种工作状态；
更进一步地，本发明出于提高钠离子电池计算精度的目的，根据工作状态不同，采用不同的计算公式对钠离子电池SOC进行计算。
更近一步地，通过大量研究发现，对于正极材料为层状过渡金属氧化物，负极材料为无定形碳、电解液为高氯酸钠的钠离子电池来说，无论是充电过程的电池电压-SOC曲线还是放电过程的电池电压-SOC曲线，均在3.25V附近有较为明显的趋势变化点，因此，出于提高SOC计算精度的考虑，本发明分段对SOC进行计算，
更进一步地，所述步骤3包括：
步骤3.1：判断所述钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤3.2：采用公式（1）进行SOC计算；
具体地，所述公式（1）为根据所述钠离子电池充电过程中处于2.7V-3.25V之间的电压-SOC曲线拟合得到；所述公式（1）为：；
式中，为t时刻的SOC，a1、b1、c1均为系数，通过充电实验获得，e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，所述a1取值为0.128、b1取值为3.28、c1取值为0.561；
步骤3.3：采用公式（2）进行SOC计算；
具体地，所述公式（2）为根据所述钠离子电池充电过程中处于3.25V-4.2V之间的电压-SOC曲线拟合得到；所述公式（2）为：；
式中，为t时刻的SOC，a2、b2、c2均为系数，通过充电实验获得，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，所述a2取值为0.024、b2取值为0.089、c2取值为-0.51；
具体地，所述步骤4包括：
步骤4.1：判断所述钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤4.2：采用公式（3）进行SOC计算；
具体地，所述公式（3）为根据所述钠离子电池充电过程中处于2.7V-3.25V之间的电压-SOC曲线拟合得到；所述公式（3）为：；
式中，为t时刻的SOC，a3、b3、c3均为系数，通过充电实验获得，e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，所述a3取值为0.107、b3取值为3.08、c3取值为0.49；
步骤4.3： 采用公式（4）进行SOC计算；
具体地，所述公式（4）为根据所述钠离子电池充电过程中处于3.25V-4.4V之间的电压-SOC曲线拟合得到；所述公式（4）为：；
式中，为t时刻的SOC，a4、b4、c4均为系数，通过充电实验获得，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，所述a4取值为0.026、b4取值为0.093、c2取值为-0.52；
为获取所述钠离子电池的电压-SOC曲线，进行以下实验：
1）放空电池。在室温下，用 0.2C 放电，到达 2.7 V 后停止，静置3 h后用0.02C放电，低于2.7 V后停止，静置 24h；
2）充电状态。用 0.6C 间隔时间 4min对所述钠离子电池进行恒流充电，每次充电结束后将电池静置30 min，记录此时的电池电压，重复以上步骤，直至电池状态为100%，据此获得所述充电状态下的电压-SOC曲线；
3）放电状态。电池充分静置后，用0.6C间隔时间4 min对电池进行恒流放电，每次放电结束后将电池静置20 min，记录此时的电压，重复上述步骤，直至电池状态为0%，据此获得所述放电状态下的电压-SOC曲线；最终充电曲线和放电曲线如附图2所示。
值得强调地，本发明在得到钠离子电池的电压-SOC曲线时，根据钠离子电池常用的充放电场景，选择0.6C的速率对所述钠离子电池进行充放电实验，实际上，不同的充放电速率，对钠离子电池的电压-SOC曲线也存在影响，因此，若考虑钠离子电池在不同充放电倍率的影响，可通过在电压-SOC的公式中设置影响因子（系数）用于对电压-SOC的公式进行修正。
根据本发明的另一方面，还提供一种钠离子电池管理系统，用于对钠离子电池的SOC进行计算，其采用上述的钠离子电池SOC计算方法；该钠离子电池管理系统还包括：
电压采集模块；用于以预设采样周期采集所述钠离子电池的电压数据；
钠离子电池状态判断模块，用于判断所述钠离子电池的工作状态；
充电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据充电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC；
放电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据放电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC。
基于上述技术方案，本申请提供的一种钠离子电池管理系统和SOC计算方法，具有如下技术效果：
本发明根据钠离子电池平台电压很短的特性，根据钠离子电池的电压与SOC的曲线，通过实时采集的钠离子电池的工作电压对实时的SOC进行计算，并且，根据充电和放电的状态不同采用不同的公式进行计算，以及，根据钠离子电池的电压与SOC的充放电曲线的形态特点，分段对SOC计算，可有效提高钠离子电池的SOC计算精度；
同时，本发明相对于现有技术中对锂离子电池的SOC计算方法，根据钠离子电池的特性，设置SOC的计算步骤，计算过程简单且SOC精度较高，可很好的应用于钠离子电池的电池管理系统中。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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。
图1为本申请实施例提供的一种钠离子电池SOC计算方法流程图；
图2为本申请实施例提供的一种钠离子电池不同工作状态下的电压-SOC曲线图；
图3为本申请实施例提供的一种钠离子电池的电池管理系统示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面首先结合附图对本申请所涉及的概念进行说明。在此需要指出的是，以下对各个概念的说明，仅为了使本申请的内容更加容易理解，并不表示对本申请保护范围的限定。
实施例一、在本实施例的实例中，为了实现上述目的，如图1所示，提供一种钠离子电池SOC计算方法，包括以下步骤：
步骤1：电池管理系统控制电压采集模块以预设采样周期采集钠离子电池的电压数据；
具体地，电压采集模块为电压传感器，用于对钠离子电池的电压数据进行采集；
具体地，电压传感器通过预设的采样周期Ts周期性的采集钠离子电池的电压数据，采样周期可设置为0.5s，也可根据实际需要进行设置，例如1s、0.1s等；
当对钠离子电池充电时，电压采集模块采集的电压值为正值，当钠离子电池放电时，电压采集模块采集的电流为负值，电压在当前采样周期采集的电压值用V（t）表示；
值得强调的是，电流传感器的采样周期Ts应和电压传感器的采样周期相同，示例性地，电流传感器的采样周期为1s，那么，电压传感器的采样周期也应该为1s；
步骤2：判断钠离子电池的工作状态；
具体地，钠离子电池的工作状态为充电或者放电两者状态，由于钠离子电池具有良好的避免自放电特性，因此，当钠离子电池处于不工作状态时，其SOC变化很小，可以忽略不计，因此，本实施例重点考虑了充电和放电两种工作状态；
发明人通过长期的研究和实践发现，对钠离子电池来说，充电状态和放电状态不同时，钠离子电池的端电压反映的SOC也不同，因此，本实施例处于提高钠离子电池计算精度的目的，根据工作状态不同，采用不同的计算公式对钠离子电池SOC进行计算。
步骤3：若钠离子电池处于充电状态，则根据充电状态下的电压-SOC曲线得到钠离子电池的SOC；
更近一步地，如图2所示，通过大量研究发现，对于正极材料为层状过渡金属氧化物，负极材料为无定形碳、电解液为高氯酸钠的钠离子电池来说，无论是充电过程的电池电压-SOC曲线还是放电过程的电池电压-SOC曲线，均在3.25V附近有较为明显的趋势变化点，因此，出于提高SOC计算精度的考虑，本实施例分段对SOC进行计算，
具体地，步骤3包括：
步骤3.1：判断钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤3.2：采用公式（1）进行SOC计算；
具体地，公式（1）为根据钠离子电池充电过程中处于2.7V-3.25V之间的电压-SOC曲线拟合得到；公式（1）为：；
式中，为t时刻的SOC，a1、b1、c1均为系数，通过充电实验获得，e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，a1取值为0.128、b1取值为3.28、c1取值为0.561；
步骤3.3： 采用公式（2）进行SOC计算；
具体地，公式（2）为根据钠离子电池充电过程中处于3.25V-4.2V之间的电压-SOC曲线拟合得到；公式（2）为：；
式中，为t时刻的SOC，a2、b2、c2均为系数，通过充电实验获得，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，a2取值为0.024、b2取值为0.089、c2取值为-0.51；
步骤4：若钠离子电池处于放电状态，则根据放电状态下的电压-SOC曲线得到钠离子电池的SOC；
具体地，步骤4包括：
步骤4.1：判断钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤4.2：采用公式（3）进行SOC计算；
具体地，公式（3）为根据钠离子电池充电过程中处于2.7V-3.25V之间的电压-SOC曲线拟合得到；公式（3）为：；
式中，为t时刻的SOC，a3、b3、c3均为系数，通过充电实验获得，e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，a3取值为0.107、b3取值为3.08、c3取值为0.49；
步骤4.3：采用公式（4）进行SOC计算；
具体地，公式（4）为根据钠离子电池充电过程中处于3.25V-4.4V之间的电压-SOC曲线拟合得到；公式（4）为：；
式中，为t时刻的SOC，a4、b4、c4均为系数，通过充电实验获得，为t时刻的钠离子电池的工作电压；
更进一步地，a4取值为0.026、b4取值为0.093、c4取值为-0.52；
为获取钠离子电池的电压-SOC曲线，进行以下实验：
1）放空电池。在室温下，用 0.2C 放电，到达 2.7 V 后停止，静置3 h后用0.02C放电，低于2.7 V后停止，静置 24h；
2）充电状态。用 0.6C 间隔时间 4min（电池SOC的5%）对钠离子电池进行恒流充电，每次充电结束后将电池静置30 min，记录此时的电池电压，重复以上步骤，直至电池状态为100%，据此获得充电状态下的电压-SOC曲线；
3）放电状态。电池充分静置后，用0.6C间隔时间4 min对电池进行恒流放电，每次放电结束后将电池静置20 min，记录此时的电压，重复上述步骤，直至电池状态为0%，据此获得充电状态下的电压-SOC曲线；最终充电曲线和放电曲线如附图2所示。
本实施例在得到钠离子电池的电压-SOC曲线时，根据钠离子电池常用的充放电场景，选择0.6C的速率对钠离子电池进行充放电实验，实际上，不同的充放电速率，对钠离子电池的电压-SOC曲线也存在影响，因此，若考虑钠离子电池在不同充放电倍率的影响，可通过在电压-SOC的公式中设置影响因子（系数）用于对电压-SOC的公式进行修正。
实施例二、在本实施例的实例中，如图3所示，提供一种钠离子电池管理系统，用于对钠离子电池的SOC进行计算，其采用实施例一种的钠离子电池SOC计算方法；该钠离子管理系统还包括：
电压采集模块；用于以预设采样周期采集钠离子电池的电压数据；
钠离子电池状态判断模块，用于判断钠离子电池的工作状态；
充电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据充电状态下的电压-SOC曲线得到钠离子电池的SOC；
放电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据放电状态下的电压-SOC曲线得到钠离子电池的SOC。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。
Claims (10)
1.一种钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：电池管理系统控制电压采集模块以预设采样周期采集所述钠离子电池的电压数据；
步骤2：判断所述钠离子电池的工作状态；
步骤3：若所述钠离子电池处于充电状态，则根据充电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC；
步骤4：若所述钠离子电池处于放电状态，则根据放电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC。
2.根据权利要求1所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，所述电压采集模块为电压传感器，用于对所述钠离子电池的电压数据进行采集；所述电压传感器通过预设的采样周期Ts周期性的采集所述钠离子电池的电压数据。
3.根据权利要求1所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，所述步骤2中，所述钠离子电池的工作状态为充电或者放电两种状态。
4.根据权利要求3所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，根据所述钠离子电池的工作状态不同，采用不同的计算公式对钠离子电池SOC进行计算。
5.根据权利要求3所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，以所述钠离子电池的工作电压3.25V为分界点，分段对SOC进行计算。
6.根据权利要求3所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤3.1：判断所述钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤3.2：采用公式（1）进行SOC计算；所述公式（1）为：
；
式中，为t时刻的SOC，a1、b1、c1均为系数，通过充电实验获得， e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；所述a1取值为0.128、b1取值为3.28、c1取值为0.561；
步骤3.3：采用公式（2）进行SOC计算；所述公式（2）为：
；
式中，为t时刻的SOC，a2、b2、c2均为系数，通过充电实验获得， 为t时刻的钠离子电池的工作电压。
7.根据权利要求6所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，所述a2取值为0.024、b2取值为0.089、c2取值为-0.51。
8.根据权利要求3所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，所述步骤4包括：
步骤4.1：判断所述钠离子电池当前的电压是否大于3.25V，若小于3.25V，则进入步骤4.2，若大于等于3.25V，则进入步骤4.3：
步骤4.2：采用公式（3）进行SOC计算；所述公式（3）为：
；
式中， 为t时刻的SOC，a3、b3、c3均为系数，通过充电实验获得，e为自然常数，为t时刻的钠离子电池的工作电压；所述a3取值为0.107、b3取值为3.08、c3取值为0.49；
步骤4.3： 采用公式（4）进行SOC计算； 所述公式（4）为：
；
式中，为t时刻的SOC，a4、b4、c4均为系数，通过充电实验获得，为t时刻的钠离子电池的工作电压，所述a4取值为0.026、b4取值为0.093、c4取值为-0.52。
9.根据权利要求3所述的钠离子电池SOC计算方法，其特征在于，
所述电压-SOC曲线通过以下试验获得数据：
1）放空电池：在室温下，用 0.2C 放电，到达 2.7 V 后停止，静置3 h后用0.02C放电，低于2.7 V后停止，静置 24h；
2）充电状态：用 0.6C 间隔时间 4min对所述钠离子电池进行恒流充电，每次充电结束后将电池静置30 min，记录此时的电池电压，重复以上步骤，直至电池状态为100%，据此获得所述充电状态下的电压-SOC曲线；
3）放电状态：电池充分静置后，用0.6C间隔时间4 min对电池进行恒流放电，每次放电结束后将电池静置20 min，记录此时的电压，重复上述步骤，直至电池状态为0%，据此获得所述放电状态下的电压-SOC曲线。
10.一种钠离子电池管理系统，用于对钠离子电池的SOC进行计算，其采用权利要求1-9任一项所述的钠离子电池SOC计算方法；该钠离子电池管理系统还包括：
电压采集模块；用于以预设采样周期采集所述钠离子电池的电压数据；
钠离子电池状态判断模块，用于判断所述钠离子电池的工作状态；
充电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据充电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC；
放电状态钠离子电池SOC计算模块；用于根据放电状态下的电压-SOC曲线得到所述钠离子电池的SOC。
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Denomination of invention: Sodium ion battery management system and SOC calculation method Effective date of registration: 20231227 Granted publication date: 20230704 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Yantai hi tech Zone subbranch Pledgor: YANTAI HAIBO ELECTRICAL EQUIPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2023980074585 |