CN105738828A - 一种电池容量精准测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池容量精准测量方法，首先通过动态电阻法得到电池的剩余容量初值，即SOC初值，然后判断此SOC值是否在设定的5个参数段，在相应的参数段，根据相应的方法得到精确的SOC值；相应的包括安时积分法和力学参数法等。本发明综合采用了力学特性与SOC值得关系、电流积分法以及动态电阻法，避开了三种方法中每种的缺点，使得结果精确可信。

Description

一种电池容量精准测量方法

技术领域

本发明属于电池容量测量技术领域，特别涉及一种电池容量精准测量方法。

背景技术

随着能源的不断消耗，新能源技术已经成为新时代迫切需要的技术，而电池技术也在不断发展，在电池技术中，电池的剩余电量(也叫电荷状态，即StateofCharge)的估算是一项至关重要的技术，得到准确的SOC值可以充分了解每节电池的状态，从而可以最大化电池组的效率。

目前已有的测量电池的容量的方法有根据库伦值估计容量的电流积分法和基于电池开路电压计算剩余容量的方法。

在实际测量中，即使对于相同类型的电池，由于测量条件等的不同导致库伦值或者开路电压存在差异，从而给测量容量带来误差。

专利申请号为CN200710089847的专利提供了一种电池容量计算方法，包括：参考放电曲线计算步骤，用于获得用作参考的放电曲线；校正电压计算步骤，用于通过电池电阻元件校正电池测量电压(V1)，从而获得校正电压(V)；以及容量计算步骤，用于利用校正电压(V)，根据用作参考的放电曲线计算电池放电容量。容量计算步骤包括退化指数计算步骤，用于作为因电池退化导致的容量降低比率计算容量退化指数(S)。利用校正电压(V)根据用作参考的放电曲线算出的放电容量与容量退化指数(S)进一步相乘，从而计算放电容量。此方法虽然避免了电池退化给测量带来的误差，但是仍旧使用的是测量电池电压计算剩余容量的方法，精确度仍旧不高，且受环境影响较大。

而专利申请号为CN201310652648的专利提供了一种电池容量评估方法，包括，通过电流积分以及数据表查询两种方式对电池容量进行评估，虽然精度较高，但是却是采用电学的方法进行测量和估算，仍不能够较为精确的得到SOC的值而且受外界因素影响较大，鲁棒性较差。

发明内容

本发明技术解决方案：克服现有技术的不足，提供一种电池容量精准测量方法，

本发明采用的技术方案为：一种电池容量精准测量方法，首先通过动态电阻法得到电池的剩余容量SOC值，然后判断此SOC值是否在设定的5个参数段，在相应的参数段，根据相应的方法得到精确的SOC值；5个参数段中包括4个参数，4个参数为c₁,c₂,c₃,c₄，0＜c₁＜c₂＜c₃＜c₄＜1；在相应的参数段，根据相应的方法得到精确的SOC值的过程具体如下：

(1)当SOC值＜c₁时，采用安时积分法计算电池容量SOC；

(2)当c₁≤SOC值＜c₂时，采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC；

(3)当c₂≤SOC值＜c₃时，采用力学参数法，计算电池容量SOC；

(4)当c₃≤SOC值＜c₄时，采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC；

(5)当c₄≤SOC值≤1时，采用安时积分法计算电池容量SOC。

所述动态电阻法得到SOC值的公式如下：

${\mathrm{SOC}}_n=\frac{1}{2\×a_{now}}\×(\frac{{\mathrm{\Δr}}_n}{{\mathrm{\ΔSOC}}_n}-b_{now})$

其中：SOC_n为当前时刻的SOC的初始值，a_now和b_now为中间变量，

$a_{now}=\frac{\mathrm{\Δ}{\left(\mathrm{\Δ}r\right)}_n}{2\×\mathrm{\Δ}{\left(\mathrm{\Δ}SOC\right)}_n}$

$b_{now}=\frac{b_{origin}\×(a_{now}-a_{origin})}{2\×a_{now}}$

a_origin和b_origin为电池出厂参数；Δ(Δr)_n为相邻两个时刻动态电阻平均值之差，

Δ(Δr)_n＝r_avg,n-r_avg,n-1

$r_n=\frac{\mathrm{\Δ}V}{\mathrm{\Δ}I}$

$r_{avg,n}=\frac{r_n+r_{n-1}+r_{n-2}}{3}$

r_n为当前时刻动态电阻，r_n-1为前一时刻n-1动态电阻，r_n-2为相对于r_n-1前一时刻动态电阻，r_avg,n为当前时刻动态电阻平均值，ΔV，ΔI分别为电池电压变化量和电流变化量；r_avg,n-1为前一时刻动态电阻平均值，计算公式与r_avg,n相同；

Δ(ΔSOC)_n＝ΔSOC_n-ΔSOC_n-1

当前时刻总电量变化：

${\mathrm{\ΔSOC}}_n=\frac{I_{n-1}+I_n}{2\×C_{rated}\×3600}$

C_rated为1小时内放电完毕的电流大小，I_n为当前时刻电流值，I_n-1为前一时刻电流值。

所述c₂取0.2，c₃取0.65，c₁取0.1，c₄取0.75。

所述(1)和(5)中采用安时积分法电池容量SOC如下：

${\mathrm{SOC}}_{na}={\mathrm{SOC}}_{n-1}-\frac{{\mathrm{\ΔC}}_n}{C}$

其中：SOC_na为当前时刻电池容量，SOC_n-1为前一时刻的SOC值，C为SOC＝1时对应的电池电量；

${\mathrm{\ΔC}}_n=\frac{I_n+I_{n-1}}{2}$

ΔC_n为电池由n-1时刻放电至当前n时刻的电量变化值，I_n为当前时刻电流值，I_n-1为前一时刻电流值。

所述(2)和(4)中采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC如下：

SOC_n＝γSOC_nε+(γ-1)SOC_na

其中，SOC_n为当前时刻电池容量，γ为采用力学参数法的电池容量权重，(γ-1)为采用安时积分法的电池容量权重，

$\mathrm{\γ}=\frac{\[(C-C_1)\×100\]}{10}$

ε_n为SOC所对应理论应变值，ε_n与SOC_nε之间的关系：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)

ε_n＝f₁(SOC_nε)

由所述(1)中动态电阻法计算SOC值过程得到初始残余应变量：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ϵ}}_{re}-{\mathrm{\ϵ}}_{n_1}$

其中设定动态电阻法中循环时间为n₁，指的是循环次数为n₁时刻的理论应变值，ε_re为动态电阻法循环次数n₁时刻结束时的实测应变，理论应变值ε_n与实际测得应变值ε之间的关系：

ε＝ε_n+Δε

因此：

${f_1}^{-1}\left({\mathrm{\ϵ}}_n\right)={f_1}^{-1}(\mathrm{\ϵ}-({\mathrm{\ϵ}}_{re}-{\mathrm{\ϵ}}_{n_1}\left)\right)=f_2\left(\mathrm{\ϵ}\right)$

故SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)。

所述(3)中采用力学参数法计算电池容量SOC如下：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)

其中SOC_nε为当前时刻电池容量，ε＝ε_n+Δε，ε为实际测得应变值，ε_n为理论应变值，残余应变量设定动态电阻法中循环时间为n₁，指的是循环次数为n₁时的理论应变值，ε_re为动态电阻法循环次数n₁时结束时的实测应变。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明综合采用了力学特性与SOC值的关系、电流积分法以及动态电阻法，避开了三种方法中每种的缺点，使得结果精确可信。

(2)采用了动态电阻法来求初始值，弥补了电流积分法不能求初值的缺点；

(3)采用了电池力学性能与SOC的关系，由于采用了力学的方法，较电学方法误差小，使得SOC值精确可信，且鲁棒性好；

(4)采用了加权平均对采用力学性能的方法和电流积分法进行了过渡，使得结果符合实际情况，且过渡平稳。

(5)采用过渡处理，使得SOC值的变化符合实际情况，且过渡平稳。

(6)能够实时测量电池的剩余电量，测量方便。

附图说明

图1为本发明实现流程图；

图2为本发明动态电阻计算过程图；

图3为电池应变与电池容量及温度之间的关系；

图4为电池应变回弹；

图5为应变与SOC关系拟合曲线。

具体实施方式

本发明首先通过动态电阻法得到SOC的初值，然后进行判断，判断此SOC值在何范围内，然后根据相应的方法得到精确的SOC值。

本发明结合了安时积分法，动态电阻法(State-of-chargeandstate-of-healthestimationforlithium-ionbatteriesbasedondynamicimpedancetechnique)和力学参数法(Fastandslowiondiffusionprocessesinlithiumionpouchcellsduringcyclingobservedwithfiberopticstrainsensors)三种方法。

其中动态电阻法是利用电流电压传感器实时监测电池的电流电压信息，计算出电池的动态电阻值，并利用由大量实验数据得到的动态电阻与电池容量(SOC)的二次方关系模型，计算出实时的电池容量值，该方法具有实时监测，受温度等外界因素影响较小，可以自己计算电池容量初值等优点。

安时积分法是直接用电流对时间积分，以此计算电池容量，安时积分法具有简单可靠，计算容易等优点，缺点是随着时间积累，温度等外界因素引起的累计误差会越来越大。

安时积分法和动态电阻法已经比较成熟，力学参数法是一种比较新的电池容量估算方法。首先是通过大量实验数据，可以得到电池应变与电池容量，温度以及充电电流之间的关系见图3，图3横坐标SOC，纵坐标为应变，表示在不同温度和电流下电池应变与SOC的关系，同时在充电完毕之后，静置电池，电池的应变会有所回弹见图4，图4横坐标为时间，纵坐标为应变，表示在不同SOC值下，电池应变回弹量的大小，回弹量与电池容量以及时间都有关系。分析发现当电池容量在0.2到0.65之间，温度以及充电电流对电池应变的影响极小，可以忽略。同时在这个区间里面，电池应变的回弹量极小，也可以忽略，因此，取了0.2到0.65区间上的点进行拟合见图5，图5横坐标为SOC值，纵坐标为应变，表示SOC值在0.2到0.65之间时，SOC与应变之间的对应关系，得到了电池容量与电池应变之间的关系(ε_n表示电池应变，SOC表示电池容量)：

ε_n＝54.65-46.51cos(4.41SOC)-25.19sin(4.41SOC)-26.24cos(8.82SOC)

+28.53sin(8.82SOC)+11.52cos(13.23SOC)+7.88sin(13.23SOC)

+6.684cos(17.64SOC)-3.328sin(17.64SOC)

对参考文献(Fastandslowiondiffusionprocessesinlithiumionpouchcellsduringcyclingobservedwithfiberopticstrainsensors)中数据进行分析后发现，电池容量在0.2到0.65之间时，温度以及充电电流对电池应变的影响极小，可以忽略，同时此区间电池应变的回弹量极小，亦可忽略，故将c₂取0.2，c₃取0.65，使c₂～c₃成为力学参数法应用范围；c₁～c₂、c₃～c₄为安时积分法与力学参数法的过渡区段，现初步拟定c₁＝0.1，c₄＝0.75，其最优取值将通过实验进一步验证得到。

因此可以利用测量电池应变来求出电池容量。力学参数法是一种机械类方法，其精度要比电学方法高。在本发明中，利用动态电阻法求电池容量初值，在电池容量0.2到0.65区间用力学参数法。

根据实验初始设置几个参数：

V_max，锂电池满电时的最大电压(额定值)；

V_min，锂电池放完电后的最小电压(额定值)；

n₁，动态电阻法循环次数；

a_origin，b_origin，电池出厂参数；

a_now，b_now，动态电阻法计算过程中不同时刻的参数。

γ，加权权重；

c₁,c₂,c₃,c₄,判断使用何种方法进行计算的；电池电量常数。

0＜c₁＜c₂＜c₃＜c₄＜1

初步拟定：c₁＝0.1，c₂＝0.2，c₃＝0.65，c₄＝0.75。

如图1所示，本发明具体实现如下：

1)从电池管理系统中读取电池电压，电流信息。

2)比较此时刻电压V与设置值V_max，V_min的大小，

若V≥V_max或V≤V_min，说明电量已经充满或已放完。

3)比较循环次数n与常数n₁的大小：

若0≤n≤n₁，采用图2所示动态电阻法求解容量值C_n：

i.V≠0时，比较此时刻电流值与上一时刻电流值与电压值，若发生变化，即I_n-1-I_n≠0或V_n-1-V_n≠0则继续，否则本次循环结束；V＝0，退出本次循环；

计算此时刻动态电阻：

$r_n=\frac{\mathrm{\Δ}V}{\mathrm{\Δ}I}$

取此时刻动态电阻平均值：

$r_{avg,n}=\frac{r_n+r_{n-1}+r_{n-2}}{3}$

计算动态电阻平均值之差：

Δ(Δr)_n＝Δr_n-Δr_n-1

计算此时刻总电量变化：

${\mathrm{\ΔSOC}}_n=\frac{I_{n-1}+I_n}{2\×C_{rated}\×3600}$

Δ(ΔSOC)_n＝ΔSOC_n-ΔSOC_n-1

计算此时刻参数a和b的值：

$a_{now}=\frac{\mathrm{\Δ}{\left(\mathrm{\Δ}r\right)}_n}{2\×\mathrm{\Δ}{\left(\mathrm{\Δ}SOC\right)}_n}$

$b_{now}=\frac{b_{origin}\×(a_{now}-a_{origin})}{2\×a_{now}}$

计算此时刻电池容量：

${\mathrm{SOC}}_n=\frac{1}{2\×a_{now}}\×(\frac{{\mathrm{\Δr}}_n}{{\mathrm{\ΔSOC}}_n}-b_{now})$

储存此时刻电池状态。

4)判断此时循环时间n是否等于n₁：

是则由上述力学参数法计算公式可得当前时刻理论应变值与SOC之间的关系获取此刻应变状态：

${\mathrm{\ϵ}}_{n_1}=f_1\left({\mathrm{SOC}}_n\right)$

以校核应变变化，获得残余应变量：

Δε＝ε_re-ε_n

以此残余应变量作为力学参数法应用部分的常量；

否则，将电池状态输出至显示器。

5)若n>n₁，计算电量变化量并储存，

${\mathrm{\ΔC}}_n=\frac{I_n+I_{n-1}}{2}$

计算利用安时积分法时的电量表达式并储存，

${\mathrm{SOC}}_{na}={\mathrm{SOC}}_{n-1}-\frac{{\mathrm{\ΔC}}_n}{C}$

6)判断SOC_n-1是否小于C₁。

是则利用安时积分法进行电量计算：

SOC_n＝SOC_na

储存此时刻电池状态并输出至显示器；

否则继续判断SOC_n-1是否小于C₂。

是则进入由安时积分法转入力学模型的过渡阶段：

ε＝ε_n+Δε

计算：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)

将安时积分法与力学模型法分别取权重γ与1-γ，即：

SOC_n＝γSOC_nε+(γ-1)SOC_na

其中：

$\mathrm{\γ}=\frac{\[(C-C_1)\×10\]}{10}$

储存此时刻电池状态并输出至显示器；否则进入下一步进行判断。判断SOC_n-1是否小于C₃：

是则利用力学模型进行计算：

ε＝ε_n+Δε

计算：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)

令：

SOC_n＝SOC_nε

储存此时刻电池状态并输出至显示器；否则继续进行判断。

判断SOC_n-1是否小于C₄：

是则进入由力学模型转入安时积分法的过渡阶段：将力学模型法与安时积分法分别取权重γ与1-γ，即：

SOC_n＝γSOC_na+(1-γ)SOC_nε

其中：

$\mathrm{\γ}=\frac{\[(C-C_3)\×10\]}{10}$

储存此时刻电池状态并输出至显示器；

否则利用安时积分法进行电量计算：

SOC_n＝SOC_na

储存此时刻电池状态并输出至显示器。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种电池容量精准测量方法，其特征在于：首先通过动态电阻法得到电池的剩余容量SOC值，然后判断此SOC值是否在设定的5个参数段，在相应的参数段，根据相应的方法得到精确的SOC值；5个参数段中包括4个参数，4个参数为c₁,c₂,c₃,c₄，0<c₁<c₂<c₃<c₄<1；在相应的参数段，根据相应的方法得到精确的SOC值的过程具体如下：

(1)当SOC值<c₁时，采用安时积分法计算电池容量SOC；

(2)当c₁≤SOC值<c₂时，采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC；

(3)当c₂≤SOC值<c₃时，采用力学参数法，计算电池容量SOC；

(4)当c₃≤SOC值<c₄时，采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC；

(5)当c₄≤SOC值≤1时，采用安时积分法计算电池容量SOC。

2.根据权利要求1所述的电池容量精准测量方法，其特征在于：所述动态电阻法得到SOC值的公式如下：

${\mathrm{SOC}}_n=\frac{1}{2\&times;a_{now}}\&times;(\frac{{\mathrm{\&Delta;r}}_n}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_n}-b_{now})$

其中：SOC_n为当前时刻的SOC的初始值，a_now和b_now为中间变量，

$a_{now}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\left(\mathrm{\&Delta;}r\right)}_n}{2\&times;\mathrm{\&Delta;}{\left(\mathrm{\&Delta;}SOC\right)}_n}$

$b_{now}=\frac{b_{origin}\&times;(a_{now}-a_{origin})}{2\&times;a_{now}}$

a_origin和b_origin为电池出厂参数；Δ(Δr)_n为相邻两个时刻动态电阻平均值之差，

Δ(Δr)_n＝r_avg,n-r_avg,n-1

$r_n=\frac{\mathrm{\&Delta;}V}{\mathrm{\&Delta;}I}$

$r_{avg,n}=\frac{r_n+r_{n-1}+r_{n-2}}{3}$

r_n为当前时刻动态电阻，r_n-1为前一时刻n-1动态电阻，r_n-2为相对于r_n-1前一时刻动态电阻，r_avg,n为当前时刻动态电阻平均值，ΔV，ΔI分别为电池电压变化量和电流变化量；r_avg,n-1为前一时刻动态电阻平均值，计算公式与r_avg,n相同；

Δ(ΔSOC)_n＝ΔSOC_n-ΔSOC_n-1

当前时刻总电量变化：

${\mathrm{\&Delta;SOC}}_n=\frac{I_{n-1}+I_n}{2\&times;C_{rated}\&times;3600}$

C_rated为1小时内放电完毕的电流大小，I_n为当前时刻电流值，I_n-1为前一时刻电流值。

3.根据权利要求1所述的电池容量精准测量方法，其特征在于：所述c₂取0.2，c₃取0.65，c₁取0.1，c₄取0.75。

4.根据权利要求1所述的电池容量精准测量方法，其特征在于：所述(1)和(5)中采用安时积分法电池容量SOC如下：

${\mathrm{SOC}}_{na}={\mathrm{SOC}}_{n-1}-\frac{{\mathrm{\&Delta;C}}_n}{C}$

其中：SOC_na为当前时刻电池容量，SOC_n-1为前一时刻的SOC值，C为SOC＝1时对应的电池电量；

${\mathrm{\&Delta;C}}_n=\frac{I_n+I_{n-1}}{2}$

ΔC_n为电池由n-1时刻放电至当前n时刻的电量变化值，I_n为当前时刻电流值，I_n-1为前一时刻电流值。

5.根据权利要求1所述的电池容量精准测量方法，其特征在于：所述(2)和(4)中采用安时积分法和力学参数法两个方法加权，计算电池容量SOC如下：

SOC_n＝γSOC_nε+(γ-1)SOC_na

其中，SOC_n为当前时刻电池容量，γ为采用力学参数法的电池容量权重，(γ-1)为采用安时积分法的电池容量权重，

$\mathrm{\&gamma;}=\frac{\&lsqb;(C-C_1)\&times;10\&rsqb;}{10}$

ε_n为SOC所对应理论应变值，ε_n与SOC_nε之间的关系：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)

ε_n＝f₁(SOC_nε)

由于电池内部存在残余应变，考虑到这部分因素的影响，其值由SOC初始指对应的残余应变量表示，减小误差。由所述(1)中动态电阻法计算SOC值过程得到初始残余应变量：

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&epsiv;}={\mathrm{\&epsiv;}}_{re}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{n_1}$

其中设定动态电阻法中循环时间为n₁，指的是循环次数为n₁时刻的理论应变值，ε_re为动态电阻法循环次数n₁时刻结束时的实测应变，理论应变值ε_n与实际测得应变值ε之间的关系：

ε＝ε_n+Δε

因此：

${f_1}^{-1}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_n\right)={f_1}^{-1}(\mathrm{\&epsiv;}-({\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{re}}-{\mathrm{\&epsiv;}}_{n_1}))=f_2\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)$

故SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)。

6.根据权利要求1所述的电池容量精准测量方法，其特征在于：所述(3)中采用力学参数法计算电池容量SOC如下：

SOC_nε＝f₁ ^-1(ε_n)＝f₂(ε)

其中SOC_nε为当前时刻电池容量，ε＝ε_n+Δε，ε为实际测得应变值，ε_n为理论应变值，残余应变量设定动态电阻法中循环时间为n₁，指的是循环次数为n₁时的理论应变值，ε_re为动态电阻法循环次数n₁时结束时的实测应变。