CN116324443A - 放电电压曲线图预测方法和使用该方法的电池系统 - Google Patents

放电电压曲线图预测方法和使用该方法的电池系统 Download PDF

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Abstract

根据本发明的一个特征的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法包括：测量电池单体电压通过第一恒定电流放电下降到第一放电极限电压所需的第一时间；测量电池单体电压通过第二恒定电流放电下降到第二放电极限电压所需的第二时间；以及基于第一恒定电流和第一时间以及第二恒定电流和第二时间，计算放电期间恒定电流与放电时间之间的关系中的比例常数和指数参数。第一放电极限电压是通过从放电电流为0时的放电参考电压减去由于第一恒定电流和电池单体的内阻引起的第一压降所获得的电压，第二放电极限电压是通过从放电参考电压减去由于第二恒定电流和电池单体的内阻引起的第二压降所获得的电压。

Description

放电电压曲线图预测方法和使用该方法的电池系统
技术领域
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年1月8日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2021-0002661的优先权，通过引用将其全部内容合并于此。
本公开涉及放电电压曲线图预测方法和使用该方法的电池系统。
背景技术
在现有技术中，在不存在用于锂离子二次电池的放电电压曲线图预测技术的情况下，对每个放电电流进行直接实验来获得放电电压曲线图，并获得针对对应放电电流的锂离子可到达电池的放电电压曲线图。放电电压曲线图是在以预定恒定电流放电时取决于时间的流逝的电池单体电压变化的曲线图，需要测量预定时间的放电极限电流、预定时间的放电电阻或预定时间的放电功率。
发明内容
[技术问题]
本公开提供一种在没有通过实验的关于放电电压曲线图的信息的情况下，在以任意恒定电流放电的情况下可以预测放电电压曲线图的放电电压曲线图预测方法以及使用该方法的电池系统。
[技术方案]
根据本发明的一个特征的用于预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法包括：测量电池单体电压通过第一恒定电流放电下降到第一放电极限电压所需的第一时间；测量电池单体电压通过第二恒定电流放电下降到第二放电极限电压所需的第二时间；以及基于第一恒定电流和第一时间以及第二恒定电流和第二时间，计算放电期间恒定电流与放电时间之间的关系中的比例常数和指数参数。第一放电极限电压是通过从放电电流为0时的放电参考电压减去由于第一恒定电流和电池单体的内阻引起的第一压降所获得的电压，第二放电极限电压是通过从放电参考电压减去由于第二恒定电流和电池单体的内阻引起的第二压降所获得的电压。
用于预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法还可以包括：在以第三恒定电流对所述电池单体进行放电时，通过使用比例常数和指数参数来预测电池单体的电压达到第三放电极限电压所需的时间，以及第三放电极限电压可以是通过从放电参考电压减去由于第三恒定电流和电池单体的内阻引起的第三压降所获得的电压。
用于预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法还可以包括：改变放电参考电压；测量电池单体电压通过第四恒定电流放电下降到第四放电极限电压所需的第三时间；测量电池单体电压通过第五恒定电流放电下降到第五放电极限电压所需的第四时间；以及基于第四恒定电流和第三时间以及第五恒定电流和第四时间，计算放电电流与时间之间的关系中的比例常数和指数参数，第四放电极限电压可以是通过从所改变的放电参考电压减去由于第三恒定电流和电池单体的内阻引起的第四压降所获得的电压，第五放电极限电压可以是通过从所改变的放电参考电压减去由于第四恒定电流和电池单体的内阻引起的第五压降所获得的电压。
用于预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法还可以包括：在以第六恒定电流对电池单体进行放电时，通过使用比例常数和指数参数来预测电池单体的电压达到第六放电极限电压所需的时间，以及第六放电极限电压是通过从所改变的放电参考电压减去由于第六恒定电流和电池单体的内阻引起的第六压降所获得的电压。
根据本发明另一个特征的电池系统包括：多个电池单体；以及电池管理系统，其用于预测在恒定电流放电期间多个电池单体电压中的每个电池单体电压达到对应放电极限电压所需的放电时间。电池管理系统可以存储关于限定恒定电流与放电时间之间的关系的比例常数和指数参数的信息，可以在测量电池单体电压通过第一恒定电流放电下降到第一放电极限电压所需的第一时间以及测量电池单体电压通过第二恒定电流放电下降到第二放电极限电压所需的第二时间之后，基于第一恒定电流和第一时间以及第二恒定电流和第二时间来计算关于多个电池单体当中的一个电池单体的比例常数和指数参数，第一放电极限电压可以是通过从放电电流为0时的放电参考电压减去由于第一恒定电流和电池单体的内阻引起的第一压降所获得的电压，第二放电极限电压可以是通过从放电参考电压减去由于第二恒定电流和电池单体的内阻引起的第二压降所获得的电压。
在以第三恒定电流对电池单体进行放电时，电池管理系统可以通过使用比例常数和指数参数来预测电池单体的电压达到第三放电极限电压所需的时间，以及第三放电极限电压可以是通过从放电参考电压减去由于第三恒定电流和电池单体的内阻引起的第三压降所获得的电压。
通过第一恒定电流、第二恒定电流和第三恒定电流的放电开始时电池单体的SOC和电池单体的温度可以相同。
放电电流和时间之间的关系可以是I＝a*tb，其中，I可以是放电电流，t可以是时间，a可以是比例常数，b可以是指数参数。
[有益效果]
如果在未经测试的恒定电流下发生放电，则难以预测电池单体是否具有任何类型的放电电压曲线图。本发明的示例性实施例可以预测以任意恒定电流放电时的放电电压曲线图。
附图说明
图1是说明根据示例性实施例的预测放电电压曲线图的方法的曲线图。
图2是示出根据示例性实施例的确定恒定电流与放电时间之间的比例常数和指数参数的方法的流程图。
图3是根据示例性实施例当以预定电流放电时预测的放电电压曲线图。
图4是针对每个放电电流比较放电电压测试结果和预测结果的曲线图。
图5是针对每个放电电流比较放电电压测试结果和预测结果的曲线图。
图6是示出根据示例性实施例的预测放电电压曲线图的方法所应用的电池系统的示意图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本说明书公开的实施例。在本说明书中，相同或相似的组件用相同或相似的附图标记表示，并省略其重复描述。在以下描述中使用的针对组件的术语“模块”和“单元”仅仅是为了容易撰写说明书而使用。因此，这些术语本身没有区别于彼此的含义或作用。此外，在描述本说明书的实施例时，当确定与本发明相关联的公知技术的详细描述可能模糊本发明的要点时，其将被省略。此外，提供附图仅仅是为了使得本说明书公开的实施例易于理解，并非解释为限制本说明书所公开的精神，并且应当理解，在不脱离本发明范围和精神的情况下，本发明包括所有修改、等效物和替代物。
包括诸如第一、第二等的序数的术语将仅用于描述各种组件，不被解释为限制这些组件。术语仅用于区分一个组件与其他组件。
应当理解，当一个组件称为“连接”或“耦合”到另一个组件时，它可以直接连接或耦合到另一个组件，或者在其他组件介于其之间的情况下连接或耦合到另一个组件。另一方面，应当理解，当一个组件称为“直接连接或耦合”到另一个组件时，它可以在没有其他组件介于其之间的情况下连接或耦合到另一个组件。
此外应当理解，本说明书中使用的术语“包括”或“具有”规定了所述特征、数字、步骤、操作、组件、部件或其组合的存在，但并不排除一个或多个其他特征、数字，步骤、操作、组件、部件或其组合的存在或添加。
图1是说明根据示例性实施例的预测放电电压曲线图的方法的曲线图。
图1示出在预定开始SOC(充电状态)和预定开始温度的条件下，当以彼此不同的恒定电流(CC)执行放电时，电池单体电压取决于时间的流逝的变化。
首先，图1的放电电压曲线1是示出以恒定电流I1放电时电池单体电压(VC)的变化的曲线图，放电电压曲线2则示出以恒定电流I2放电时电池单体电压(VC)的变化。
在图1中，可以任意选择“VCO”作为放电电流为0时的放电参考电压。“VCO1”是通过当恒定电流I1流过电池单体时从放电参考电压(VCO)减去压降(VIR1＝R*I1)所获得的电压(VCO-VIR1)，而“VCO2”是通过当恒定电流I2流过电池单体时从放电参考电压(VCO)减去压降(VIR2＝R*I2)所获得的电压(VCO-VIR2)。也就是说，VCO1是放电电流为I1时的放电极限电压，并且VCO2是放电电流为I2时的放电极限电压。在开始SOC和开始温度分别相同的条件下，当执行CC放电时，VCO1、VCO2和VCO具有等式1所示的关系。放电极限电压是指放电期间电池单体电压能够被减少的最小电压，当电池单体被放电到低于放电极限电压的电压时，电池单体可能会损坏。
[等式1]
VCO1+R*I1＝VCO2+R*I2＝VCO
如图1所示，当放电开始时，电池单体电压VC从开路电压(OCV)VOCV迅速下降到由于电池单体的电阻和恒定电流引起的压降，然后取决于时间的流逝而下降。由于恒定电流I1和电池单体电阻R，电池单体电压在放电开始时下降压降R*I1，并且电池单体电压取决于时间的流逝而下降，当时间t1流逝时，达到放电极限电压VCO1。由于恒定电流I2和电池单体电阻R，电池单体电压在放电开始时下降压降R*I2，并且电池单体电压取决于时间的流逝而下降，当时间t2流逝时，达到放电极限电压VCO2。
当电池单体放电时，恒定电流“I”与放电时间“t”之间的关系满足以下等式2。
[等式2]
I＝a*tb
在等式2中，a和b是放电期间恒定电流与放电时间之间的比例常数和指数参数。
如果相对于时间来描述等式2，则如等式3所示。
[等式3]
Figure BDA0004130878870000061
图2是示出根据示例性实施例的确定恒定电流与放电时间之间的比例常数和指数参数的方法的流程图。
首先，设置两个恒定电流I1和I2(S0)。
接着，选择放电参考电压VCO(S1)。
当以恒定电流I1放电时，电池单体电压VC下降，然后测量达到放电极限电压(VCO1＝VCO-R*I1)所需的时间t1(S2)。
然后，当以恒定电流I2放电时，电池单体电压VC下降，然后测量达到放电极限电压(VCO2＝VCO-R*I2)所需的时间t2(S3)。
通过将经由步骤(S2)和步骤(S3)获得的I1和t1以及I2和t2代入等式2，获得两个联立方程，通过求解两个联立方程获得比例常数a和指数参数b(S4)。
当比例常数a和指数参数b应用于等式3，并且以任意恒定电流Ix执行放电时，计算达到从放电参考电压(VCO)减去压降(R*Ix)的放电极限电压(VCOx)的时间tx(S5)。
改变放电参考电压(VCO)(S6)，并且再次重复步骤(S2至S5)。
图3是根据示例性实施例当以预定电流发生放电时预测的放电电压曲线图。
为了分别对于不同的恒定电流I1和I2以及任意电流Ix比较达到放电极限电压的时间，图3同时示出针对恒定电流I1和I2中的每个的放电电压曲线图。
如图3所示，在根据任意恒定电流(Ix)的放电电压曲线图3中，如果放电开始，由于对应的恒定电流和电池单体的电阻，电池单体电压(VC)从开路电压(OCV)(VOCV)迅速下降压降(VIRx＝R*Ix)，并且电池单体电压取决于时间的流逝而下降，当时间tx流逝时达到放电极限电压(VCOx)。
图4是针对每个放电电流比较放电电压测试结果和预测结果的示意图。
在图4中，细实线41-46示出根据测试结果的放电电压曲线图，粗实线47-50示出预测放电电压曲线图。
开始SOC和开始温度均为相同的SOC 60％和25℃。
在图4中，“C”表示“C速率”，与电池单体的参考容量相对应的电流对应于1C速率。例如，在参考容量为100安时(Ah)的电池单体的情况下，1C表示100A，2C表示200A。基于图4所示分别针对恒定电流3C和4.5C的放电实验中的放电电压曲线图42和45，根据上述方法来计算比例常数a和指数参数b。
在图4中，当分别以2.5C、3.5C、4C和5C的恒定电流放电时，预测放电电压的结果具有通过针对放电电压的实际实验获得的1mV-3mV的平均误差和3mV-8mV的最大误差范围。也就是说，如图4所示，可以看出，与电池单体电压相比的预测误差形成相当低的值。
图5是针对每个放电电流比较放电电压测试结果和预测结果的示意图。
在图5中，细实线51-56示出根据测试结果的放电电压曲线图，粗实线57-60示出预测放电电压曲线图。
开始SOC和开始温度均为相同的SOC 25％和0℃。
基于图5所示分别针对恒定电流2.5C和3.5C的放电实验中的放电电压曲线图53和55，根据上述方法来计算比例常数a和指数参数b。
在图5中，当分别以2.5C、3.5C、4C和5C的恒定电流放电时，预测放电电压的结果具有通过针对放电电压的实际实验获得的1mV-3mV的平均误差和7mV-10mV的最大误差范围。也就是说，在图5所示的曲线图中，可以看出，与电池单体电压相比的预测误差形成相当低的值。
通过这种方式，减少了获取放电电压曲线图的实验次数，减少了实验持续时间。此外，因为可以预测恒定电流放电电压曲线图，所以可以预测任意时间(从放电开始以来x秒已流逝)的放电极限电流、任意时间的放电电阻、或任意时间的放电功率以及测量。放电极限电流是指在放电电压曲线图中当电池单体电压从初始电压达到放电极限电压达x秒时的恒定电流。通过将从电池单体的初始放电电压减去x秒处的电池单体电压所获得的值除以放电电流来计算放电电阻。可通过将放电电压曲线图中直至x秒的面积除以x秒来计算放电功率。
图6是示出根据示例性实施例的预测放电电压曲线图的方法所应用的电池系统的示意图。
如图6所示，电池系统100包括：包括串联连接的多个电池单体110_1至110_n的电池110、电池管理系统(BMS)111、电流传感器112、继电器113和温度传感器114。
电流传感器112可以检测流经电池110的电流(以下称为电池电流)，并将指示所检测的电池电流的电流检测信号SC传输给BMS 111。在图6中，电流传感器112连接在电池110的负极与电池110的输出端子(P-)之间，但是与图6所示不同，它可以连接在电池110的正极和电池110的输出端子(P+)之间。
可将温度传感器114定位在电池110内部，以测量或估计多个电池单体中的每个电池单体的温度。温度传感器114可将指示多个电池单体中的每个电池单体的温度的信号传输给BMS 111。
BMS 111可以测量多个电池单体110_1至110_n的单体电压，并测量作为电池110两端之间的电压的电池电压、多个电池单体110_1至110_n中的每个电池单体的温度，并且可以基于多个电池单体电压、电池电流和电池单体温度来预测多个电池单体110_1至110_n中的每个电池单体的SOC以及预测多个电池单体110_1至110_n中的每个电池单体的内阻。用于估计SOC和内阻的方法是已知技术，可将各种方法应用于本发明。BMS 111可以基于估计的SOC控制充电和放电，基于多个电池单体电压和电池单体温度控制多个电池单体的均衡操作，并且在发生过电压、过电流或高温的情况下控制保护操作。
继电器114连接在电池110的输出端子(P+)与电池110的正极之间，并根据BMS 111的继电器控制信号(RCS)断开或闭合。继电器114可以根据接通电平的继电器控制信号(RCS)闭合，根据关断电平的继电器控制信号(RCS)断开。
根据如上所述根据通过恒定电流放电的放电电压曲线图的预测方法，BMS 111可以预测达到与多个电池单体110_1至110_n中的每个电池单体相对应的放电极限电压(VCO_i，i是从1到n的自然数)所需的时间。为此，BMS 111可以存储查找表115，查找表115存储关于放电操作开始时针对每个SOC和电池温度的比例常数和指数参数的信息。
当针对多个电池单体110_1至110_n中的任一个以任意恒定电流(Ix)执行放电时，通过使用存储的比例常数和指数参数以及等式3，BMS 111可以针对对应电池单体电压来预测达到放电极限电压(VCOx)所需的时间。在这种情况下，BMS 111可以从查找表115读取与作为对应电池单体电压的SOC和温度的相同SOC和温度相对应的比例常数和指数参数。
虽然已经结合目前被认为是实用示例性实施例的内容描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例。相反，旨在涵盖包括在所附权利要求书精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (10)

1.一种预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，包括：
测量电池单体电压通过第一恒定电流放电下降到第一放电极限电压所需的第一时间；
测量所述电池单体电压通过第二恒定电流放电下降到第二放电极限电压所需的第二时间；以及
基于所述第一恒定电流和所述第一时间以及所述第二恒定电流和所述第二时间，计算放电期间恒定电流与放电时间之间的关系中的比例常数和指数参数，
其中，所述第一放电极限电压是通过从放电电流为0时的放电参考电压减去由于所述第一恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第一压降所获得的电压，并且所述第二放电极限电压是通过从所述放电参考电压减去由于所述第二恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第二压降所获得的电压。
2.根据权利要求1所述的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，进一步包括：
在以第三恒定电流对所述电池单体进行放电时，通过使用所述比例常数和所述指数参数来预测所述电池单体的电压达到第三放电极限电压所需的时间，以及
所述第三放电极限电压是通过从所述放电参考电压减去由于所述第三恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第三压降所获得的电压。
3.根据权利要求2所述的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，其中
通过所述第一恒定电流、所述第二恒定电流和所述第三恒定电流的放电开始时所述电池单体的SOC和所述电池单体的温度相同。
4.根据权利要求2所述的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，进一步包括：
改变所述放电参考电压；
测量所述电池单体电压通过第四恒定电流放电下降到第四放电极限电压所需的第三时间；
测量所述电池单体电压通过第五恒定电流放电下降到第五放电极限电压所需的第四时间；以及
基于所述第四恒定电流和所述第三时间以及所述第五恒定电流和所述第四时间，计算所述放电电流与时间之间的关系中的所述比例常数和所述指数参数，
所述第四放电极限电压是通过从所改变的放电参考电压减去由于所述第三恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第四压降所获得的电压，并且所述第五放电极限电压是通过从所改变的放电参考电压减去由于所述第四恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第五压降所获得的电压。
5.根据权利要求4所述的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，进一步包括：
在以第六恒定电流对所述电池单体进行放电时，通过使用所述比例常数和所述指数参数来预测所述电池单体的电压达到第六放电极限电压所需的时间，以及
所述第六放电极限电压是通过从所改变的放电参考电压减去由于所述第六恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第六压降所获得的电压。
6.根据权利要求1所述的预测电池单体的恒定电流放电曲线图的方法，其中
所述放电电流和时间之间的关系与等式1所示的相同，
[等式1]
I＝a*tb
其中，在等式1中，I是放电电流，t是时间，a是比例常数，并且b是指数参数。
7.一种电池系统，包括：
多个电池单体；以及
电池管理系统，所述电池管理系统用于预测在恒定电流放电期间多个电池单体电压中的每个电池单体电压达到对应放电极限电压所需的放电时间，
其中，所述电池管理系统存储关于限定恒定电流与放电时间之间的关系的比例常数和指数参数的信息，
在测量所述电池单体电压通过第一恒定电流放电下降到第一放电极限电压所需的第一时间以及测量所述电池单体电压通过第二恒定电流放电下降到第二放电极限电压所需的第二时间之后，基于所述第一恒定电流和所述第一时间以及所述第二恒定电流和所述第二时间来计算关于多个电池单体当中的一个电池单体的所述比例常数和所述指数参数，
所述第一放电极限电压是通过从放电电流为0时的放电参考电压减去由于所述第一恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第一压降所获得的电压，并且所述第二放电极限电压是通过从所述放电参考电压减去由于所述第二恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第二压降所获得的电压。
8.根据权利要求7所述的电池系统，其中
在以第三恒定电流对所述电池单体进行放电时，所述电池管理系统通过使用所述比例常数和所述指数参数来预测所述电池单体的电压达到第三放电极限电压所需的时间，以及
所述第三放电极限电压是通过从所述放电参考电压减去由于所述第三恒定电流和所述电池单体的内阻引起的第三压降所获得的电压。
9.根据权利要求8所述的电池系统，其中
通过所述第一恒定电流、所述第二恒定电流和所述第三恒定电流的放电开始时所述电池单体的SOC和所述电池单体的温度相同。
10.根据权利要求7所述的电池系统，其中
所述放电电流和时间之间的关系与等式1所示的相同，
[等式1]
I＝a*tb
其中，在等式1中，I是放电电流，t是时间，a是比例常数，b是指数参数。
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