一种锂离子电池荷电态的估算方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池荷电态的估算方法，用于估算电池启动时的荷电态。电池出厂前，进行不同温度、不同荷电态组合下的混合脉冲功率特性测试，并基于等效电路模型辨识得到不同测试组合下的电路元件参数值，形成数据表格并予以存储；在电池服役过程中测量并记录电池启动瞬间但尚未开始充放电时的端电压值和温度值，并在电池启动瞬间进行充放电时的电流值和端电压值的同步采样，形成电流测量值序列和端电压测量值序列；对比确定系数r2最大的端电压预测值序列，找到与之对应的等效电路模型的电路元件参数值所对应的荷电态，即为电池启动时荷电态的估算值。本发明专利技术的锂离子电池荷电态的估算方法科学合理、逻辑清晰、执行硬件成本低。本低。本低。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池荷电态的估算方法


[0001]本专利技术涉及电池领域，特别涉及一种锂离子电池荷电态的估算方法。

技术介绍

[0002]当前锂离子电池因较高的能量密度、功率密度和绿色环保等优点而得到大量应用。锂离子电池工作过程，需要准确获得其荷电态(Stage ofCharge，SOC)。通常，需要知道电池工作启动时初始的荷电态，然后在线监测电池工作过程充放电电流大小，并通过电流对时间积分(安时积分法)来统计得到电量的变化量并换算成荷电态的改变量，由此实时得出电池工作过程的荷电态。
[0003]由于安时积分因采样频率和采样精度因素限制，时间长了难免会累积误差并带来荷电态计量精度的下降。为此需要每隔一定时间对电池的荷电态进行标定，且为了方便起见最好是进行在线标定，这样就不需要对电池进行返厂处理。目前广泛使用的在线标定思路是基于电池的等效电路模型来进行的，即事先通过出厂前的测量和计算获得等效电路模型中内阻等元件参数与电池荷电态之间的关系并构成数据表格，然后电池工作期间通过电流、电压的采样值进行等效电路模型参数的在线辨识，最终基于模型参数的辨识结果再查表来获得电池的荷电态。这种基于等效电路模型的荷电态标定方式尤其适用于磷酸铁锂电池，因为磷酸铁锂电池的开路电压随荷电态的变化曲线存在着一个很大的平台阶段，在这个平台阶段即使荷电态显著变化，电池的开路电压的变化量也很微小；但是，若对磷酸铁锂电池建立等效电路模型，欧姆内阻等相关电路元件参数随荷电态的变化规律却十分明显，因此对其基于等效电路模型进行荷电态在线标定，与单纯基于开路电压的标定方式相比，具有更为显著的效果。
[0004]等效电路模型参数的辨识依赖于电池的脉冲充放电数据，其中最为典型的方式是对电池进行混合功率脉冲特性(HybridPulse Power Characteristic，HPPC)测试，且测试过程采样频率越高则参数辨识精度也越高。当前公知的技术方案中，大多依靠电池工作过程的电流电压采样数据进行等效电路模型的在线参数辨识，这种方式存在两方面的不足：一是受限于成本因素，电池产品中很难部署高精度、高频率的电流电压采样电路及相应的数据通讯和存储模块来满足高精度在线辨识的需要；二是电池产品实际工作过程的充放电情况千差万别且不受制造商来控制，即不能因为等效电路模型参数辨识的需要而事先人为规定电池产品工作过程需要执行某个特定的充放电过程。例如，为了准确获得RC等效电路中的欧姆内阻值，通常需要捕捉电池恒流脉冲放电瞬间的端电压下降量，这需要电池执行一个恒流脉冲放电且进行高频率的电压值采样，对大多数实际电池产品而言，很难完全满足这一要求。
[0005]因此，有必要发展新的技术手段，改进现有基于等效电路模型的荷电态估算方法，能够以低硬件成本且不影响电池正常工作的方式来估算电池的荷电态以提供其标定依据。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种科学合理、逻辑清晰、执行硬件成本低且不影响电池正常工作的锂离子电池荷电态的估算方法，其技术方案是，一种锂离子电池荷电态的估算方法，用于估算电池启动时的荷电态。
[0007]电池出厂前，在实验室进行不同温度、不同荷电态组合下的混合脉冲功率特性测试，并基于等效电路模型辨识得到不同测试组合下的电路元件参数值，形成数据表格并予以存储：所述等效电路模型由依次串联的恒压源、欧姆电阻和RC并联回路构成，所述RC并联回路由互相并联的极化电阻和电容构成，所述电路元件参数值包括恒压源电压Voc、欧姆内阻Ro、极化内阻R
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和电容C；所述数据表格由一系列子表格构成且每个子表格对应一个温度值；每个子表格中的每一行数据对应某个荷电态及该荷电态下的电路元件参数值；
[0008]电池服役过程，测量并记录电池启动瞬间但尚未开始充放电时的端电压值U0和温度值T0；并从电池启动瞬间且开始充放电时，每隔固定的时间间隔Δt，对电池的充放电电流值和端电压值进行n次同步采样，形成电流测量值序列[I1，I2，
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]和端电压测量值序列[U1，U2，
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]，其中时间间隔Δt在0.1s至2s之间，n在10至100之间；电流测量值序列中，当电池为放电状态时电流值为正，当电池为充电状态时电流值为负；
[0009]按以下步骤进行电池荷电态的估算：
[0010]步骤S1、从数据表格中找到温度值与电池启动工作前的温度值T0最为接近的子表格；
[0011]步骤S2、从步骤S1获得的子表格中，找到恒压源电压Voc在(1
‑
m)U0至(1+m)U0之间的数据行，其中参数m处于0.005至0.01之间，U0为电池启动瞬间但尚未开始充放电时的端电压值；
[0012]步骤S3、对步骤S2中获得的每个数据行，分别基于其所包含的电路元件参数值信息构建与之对应的等效电路模型；
[0013]步骤S4、针对步骤S3构建的每一个等效电路模型，分别输入电流测量值序列并计算获得其对应的端电压预测值序列[V1，V2，
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]：
[0014]对步骤S3构建的任一等效电路模型，令各时刻通过其欧姆电阻的电流值为电流测量值序列中该时刻对应的电流测量值，由此计算得到各时刻的端电压值并构成该等效电路模型下的端电压预测值序列[V1，V2，
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]；
[0015]步骤S5、对步骤S4获得的每一个端电压预测值序列[V1，V2，
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]，分别与端电压测量值序列[U1，U2，
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]进行比较计算并获得其对应的确定系数r2：
[0016][0017]式中为端电压测量值序列[U1，U2，
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n
]中所有元素的算术平均值；
[0018]步骤S6、找出步骤S5中确定系数r2最大的端电压预测值序列，由此找到与之对应的等效电路模型，并从步骤2的子表格中查得该电路模型的电路元件参数值所对应的荷电态，即为电池启动时荷电态的估算值。
[0019]上述锂离子电池荷电态的估算方法，所述锂离子电池的正极活性物质为磷酸铁锂。
[0020]上述锂离子电池荷电态的估算方法，所述实验室进行的不同温度、不同荷电态组合下的混合脉冲功率特性测试，不同温度的取值为以ΔT为间隔、
‑
20℃至50℃范围内的温度取值，所述不同荷电态的取值为以ΔSOC为间隔、0％至100％范围内的荷电态取值，其中所述温度取值间隔ΔT本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池荷电态的估算方法，用于估算电池启动时的荷电态，其特征在于，电池出厂前，在实验室进行不同温度、不同荷电态组合下的混合脉冲功率特性测试，并基于等效电路模型辨识得到不同测试组合下的电路元件参数值，形成数据表格并予以存储：所述等效电路模型由依次串联的恒压源、欧姆电阻和RC并联回路构成，所述RC并联回路由互相并联的极化电阻和电容构成，所述电路元件参数值包括恒压源电压Voc、欧姆内阻Ro、极化内阻R
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和电容C；所述数据表格由一系列子表格构成且每个子表格对应一个温度值；每个子表格中的每一行数据对应某个荷电态及该荷电态下的电路元件参数值；电池服役过程，测量并记录电池启动瞬间但尚未开始充放电时的端电压值U0和温度值T0；并从电池启动瞬间且开始充放电时，每隔固定的时间间隔Δt，对电池的充放电电流值和端电压值进行n次同步采样，形成电流测量值序列[I1，I2，
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‑
m)U0至(1+m)U0之间的数据行，其中参数m处于0.005至0.01之间，U0为电池启动瞬间但尚未开始充放电时的端电压值；步骤S3、对步骤S2中获得的每个数据行，分别基于其所包含的电路元件参数值信息构建与之对应的等效电路模型；步骤S4、针对步骤S3构建的每一个等效电路模型，分别输入电流测量值序列并计算获得其对应的端电压预测值序列[V1，V2，
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]：对步骤S3构建的任一等效电路模型，令各时刻通过其欧姆电阻的电流值为电流测量值序列中该时刻对应的电流测量值，由此计算得到各时刻的端电压值并构成该等效电路模型下的端电压预测值序列[V1，V2，
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【专利技术属性】
技术研发人员：张翮辉，宗禹彤，李康，左青松，尹德友，沈伟，国海鹏，蒋良兴，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：