一種鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋰離子電池荷電狀態(tài)(State of Charge，S0C)經(jīng)常被用來(lái)表征電池的剩余可用電 量，定義為電池剩余電量與電池額定容量的百分比。準(zhǔn)確及時(shí)地估計(jì)電池荷電狀態(tài)對(duì)電池 的安全、高效利用具有重大意義。電池荷電狀態(tài)不能直接測(cè)量，必須經(jīng)由與荷電狀態(tài)相關(guān)的 電池外特性參數(shù)(如電壓、電流、內(nèi)阻等)間接獲取。
[0003] 現(xiàn)有的鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法中，完全放電實(shí)驗(yàn)法雖然估計(jì)精度高，但不 可作為電池實(shí)時(shí)在線估計(jì)方法，只能作為實(shí)驗(yàn)室估計(jì)方法;計(jì)時(shí)電流法(安時(shí)法)操作簡(jiǎn)單， 易于實(shí)現(xiàn)，但初始荷電狀態(tài)值選取不當(dāng)以及電流測(cè)量的不精確使得電池荷電狀態(tài)估計(jì)的誤 差較大，且這一誤差會(huì)逐漸累積，導(dǎo)致估計(jì)誤差過(guò)大;阻抗法需要電池長(zhǎng)時(shí)間靜置達(dá)到穩(wěn)定 狀態(tài)，且測(cè)試儀器成本高，荷電狀態(tài)與阻抗的非線性關(guān)系選擇不當(dāng)會(huì)引入較大誤差，無(wú)法滿 足在線應(yīng)用；最新出現(xiàn)的模型法與估計(jì)算法(如卡爾曼濾波算法、粒子濾波算法等)結(jié)合的 方法中，多數(shù)無(wú)法考慮電池在充放電過(guò)程中內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，采取線性化近似 處理電池充放電的非線性特性，引入了較大誤差，且大量的計(jì)算也對(duì)微處理器提出了較高 的要求，增加了估計(jì)成本;開路電壓法的原理是根據(jù)開路電壓與荷電狀態(tài)的關(guān)系曲線，測(cè)定 電池的開路電壓，再根據(jù)查表法等讀取電池荷電狀態(tài)值，其估計(jì)精度較高，但傳統(tǒng)的開路電 壓法需要將電池靜置數(shù)小時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，不適于實(shí)時(shí)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有開路電壓法估計(jì)電池荷電狀態(tài)耗時(shí)長(zhǎng)及不適于在線實(shí)時(shí) 應(yīng)用的問(wèn)題，而提出的一種鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法。
[0005] -種鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0006] 步驟一:開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的獲取；
[0007] 步驟二:開路電壓擬合公式的獲?。?br>[0008] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)
[0009] 其中所述U(t)為電池非平衡態(tài)的端電壓，γ為電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓，a，b，c，d為擬 合參數(shù)，t為時(shí)間；
[0010]步驟三:獲取電池終止工作后端電壓隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)；
[0011 ]步驟四：根據(jù)步驟二和步驟三得到公式⑴中的γ值；
[0012] 步驟五:根據(jù)步驟四獲得的γ值和步驟一獲得的開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到 電池的荷電狀態(tài)。
[0013] 發(fā)明效果：
[0014] 本發(fā)明從電池工作的電化學(xué)基本原理出發(fā)，獲得的開路電壓估計(jì)方法具有普適通 用、快速準(zhǔn)確、可實(shí)時(shí)應(yīng)用的特性，易于植入嵌入式電池管理系統(tǒng)估計(jì)荷電狀態(tài)，只需幾分 鐘之內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可擬合獲得精度達(dá)到99%荷電狀態(tài)估計(jì)值，耗時(shí)長(zhǎng)度至少縮小了約兩 個(gè)數(shù)量級(jí)，大大改善了現(xiàn)有開路電壓法估計(jì)荷電狀態(tài)需要耗時(shí)數(shù)小時(shí)的缺點(diǎn)，實(shí)用性較強(qiáng)， 能夠滿足現(xiàn)有設(shè)備的需求。且開路電壓的估計(jì)公式對(duì)由任何電極材料組成的電池，在οι 00 % 的荷 電狀態(tài) 范圍內(nèi) 、在保證電池安全操作的溫度范圍 及放電 倍率條件下均適用。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為鋰離子電池開路電壓-荷電狀態(tài)的關(guān)系曲線圖；
[0016] 圖2為鋰離子電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；Li為金屬鋰，Μ為過(guò)渡金屬，0為氧，C6為石墨，f 為電子，下標(biāo)X代表氧原子數(shù)；
[0017] 圖3為電流中斷后電池端電壓隨時(shí)間的變化曲線圖；
[0018] 圖4為擬合300s范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖；
[0019] 圖5為擬合600s范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0020] 一:一種鋰離子電池荷電狀態(tài)估計(jì)方法包括以下步驟：
[0021] 步驟一:開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的獲取；
[0022] 步驟二:開路電壓擬合公式的獲?。?br>[0023] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)
[0024] 其中所述U(t)為電池非平衡態(tài)的端電壓，γ為電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓，a，b，c，d為擬 合參數(shù)，t為時(shí)間；
[0025]步驟三:獲取電池終止工作后端電壓隨時(shí)間變化的U (t)數(shù)據(jù)；
[0026] 步驟四：根據(jù)步驟二和步驟三得到公式(7)中的γ值；
[0027] 步驟五:根據(jù)步驟四獲得的γ值和步驟一獲得的開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，得到 電池的荷電狀態(tài)。即根據(jù)獲得的γ值，查表開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，即可獲得電池荷電 狀態(tài)估計(jì)值。
【具體實(shí)施方式】 [0028] 二:本實(shí)施方式與一不同的是:所述步驟一中開路電 壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)的獲取的具體過(guò)程為：
[0029]使電池在預(yù)設(shè)溫度條件下靜置lh-3h后，用C/100-C/10的倍率全充放循環(huán)兩次，記 錄電池端電壓和充放電容量值，對(duì)容量值進(jìn)行歸一化處理，獲得電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)，由于 倍率非常小，所以充放電過(guò)程中的極化可以認(rèn)為近似相等，由公式(1)獲得電池開路電壓公 式(2)，即將充電電壓和放電電壓取平均，獲得的電壓值作為電池平衡態(tài)的開路電壓值，最 終獲得開路電壓-荷電狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)如圖1所示；
[0030] 其中所述預(yù)設(shè)溫度為-30°C-6(TC;
[0031] ⑴
[0032] (2)
[0033] 其中所述V。為充電電壓，Vdis為放電電壓，Vo為穩(wěn)態(tài)電壓，I為電流，Ri為阻抗。
[0034]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述步驟二中穩(wěn) 態(tài)開路電壓擬合公式的獲取過(guò)程為：
[0035] (1)如圖2所示，設(shè)計(jì)鋰離子電池，所述電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成；
[0036] (2)采用有限元法將鋰離子電池分割為s段，s取值為視每一段內(nèi)電池的各個(gè)物 理化學(xué)性質(zhì)相同，中斷外置電路時(shí)，電池終止工作，電池內(nèi)部沒(méi)有凈電流，電池端電壓的緩 慢恢復(fù)過(guò)程主要受溫度、帶電粒子濃度及擴(kuò)散等因素影響；
[0037] (3)在相鄰兩段之間設(shè)計(jì)電極反應(yīng)，電極反應(yīng)電勢(shì)符合Nernst方程，即公式(3);由 于電池內(nèi)部各個(gè)界面上的帶電粒子濃度在不斷變化，界面之間的離子濃度梯度也變隨時(shí)間 不斷變化，所以認(rèn)為活度<^(〇是時(shí)間的函數(shù)；
[0038]
(3)
[0039] 其中ai為粒子活度，ai(t)為時(shí)間的函數(shù)，Ei(t)為電極反應(yīng)電勢(shì)，Ei'為形式電勢(shì)，R 為氣體常數(shù)，T為溫度，F(xiàn)法拉第常數(shù)，η為電極反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，Cl(t)為第i段粒子濃度；
[0040] 電池的端電壓等于電池兩端電極反應(yīng)電勢(shì)的差值；
[0041]
(4)
[0042] (4)根據(jù)對(duì)數(shù)函數(shù)的性質(zhì)，電池終止放電后，電池端電壓的弛豫恢復(fù)過(guò)程符合公式 (5)；
[0043] U(t)= γ-δ(?)-β(?) 1ηλ(?) (5)
[0044] S(t)、i3(t)和A(t)是時(shí)間t的函數(shù)0(t)、i3(t)和A(t)為中間變量）；
[0045] (5)設(shè)置公式(5)中S(t)、iKt)和A(t)得到公式(6);
[0046]
C6)
[0047] 將公式(6)代入公式(5)獲得電池終止放電后開路電壓擬合公式(7)
[0048] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)。
【具體實(shí)施方式】 [0049] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是:所述步驟三 中獲取電池終止工作后隨時(shí)間變化的U(t)數(shù)據(jù)的具體過(guò)程為：
[0050] 電池終止工作后，外電路電流為0,電壓的弛豫過(guò)程表現(xiàn)為電壓逐漸變大，直至達(dá) 到穩(wěn)態(tài)，采用電池測(cè)試設(shè)備獲取電池端電壓隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】 [0051] 五:本實(shí)施方式與一至四之一不同的是:所述步驟四 中得到公式(7)中的γ值的具體過(guò)程為：
[0052] 采用最小二乘法辨識(shí)方法，當(dāng)公式(8)中的Ε達(dá)到最小值時(shí)擬合獲得公式(7)中的 γ值，即為電池的穩(wěn)態(tài)開路電壓值;擬合過(guò)程為將步驟三獲取的U(t)數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)處理器 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，若擬合相關(guān)系數(shù)R2 99%則停止擬合，獲得電池穩(wěn)態(tài)時(shí)的開路電壓值，否 則繼續(xù)測(cè)量電壓值，增