CN102116846A - 蓄电池能量效率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池能量效率测量方法，包括步骤：根据电池组开路电压和荷电状态的定量关系式计算任一荷电状态区间电池组的静能量；将处于放电截止电压的电池组以恒流充电至充电截止电压，记录电池组单体的充电平均电压同荷电状态变化的曲线，根据该曲线得到电池组在任一荷电状态区间充入的电能；将处于放电截止电压的电池组以0.33C恒流冲至充电截止电压，再以恒流放电至放电截止电压，记录电池组单体的放电平均电压同荷电状态变化的曲线，根据该曲线得到电池组在任一荷电状态区间放出的电能；根据相同荷电状态区间电池净能量、充入的电能或放出的电能计算电池能量效率。本方法能测量电池能量效率，测量方法简便，测量结果稳定。

Description

蓄电池能量效率测量方法

技术领域

本发明涉及化学电源应用技术领域，特别涉及一种测量蓄电池，尤其是动力蓄电池能量效率的方法。

背景技术

电池是通过电化学氧化还原反应将活性材料内贮存的化学能直接转换成电能的装置。二次电池，即蓄电池，通过放电过程的反向充电使已放电的活性材料化学能得以恢复，能够重复使用。蓄电池放电时将化学能转换成电能，充电时将电能转换成化学能，这两个过程与内燃机或热机不同，可以避开由热力学第二定律中卡诺循环的限制，因而电池具有高的能量转化效率。电池能够为各种设备提供电力且携带方便，而广泛应用于多种领域。

不同于小型蓄电池，大中型蓄电池，特别是应用于电动汽车的动力蓄电池在使用过程中，除了关注电池的基本特性如容量、比能量、比功率等外，还需要研究与车用环境密切相关的性能如温度、功率、能量效率特性等。其中，测量动力蓄电池的能量效率具有显著的意义：1)优化电池工作参数提高能量转换效率，以节约资源；2)已知放电能量效率，可判断放电结束时间，对于纯电动汽车而言可预测汽车的续驰里程；3)电池的性能与电池的能量效率相辅相成，通过能量效率的比较可辨别电池性能优劣；4)能量是守恒的，损失的电能或化学能主要转变成热能，测量能量效率可分析电池在工作中热量的产生，便于电池的热管理。

因此，有必要提供一种蓄电池能量效率测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供蓄电池的能量效率测量方法，能测量蓄电池的能量效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种蓄电池能量效率测量方法，包括如下步骤：

(1)根据开路电压和荷电状态的定量关系式计算任一荷电状态区间的电池组的静能量，计算公式为：

其中，ΔQ_n为静能量，C_n为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间；

(2)将按照电池类型确定的放电制度放完电的电池组以恒流充电至充电截止电压后停止，记录电池组单体的充电平均电压同荷电状态变化的曲线，将该曲线在任一荷电状态区间的积分结果与额定容量之积确定为电池组在该电流和荷电状态区间充入的电能；

(3)将按照电池类型确定的充电制度充满电的电池组以恒流放电至放电截止电压后停止，记录电池组单体的放电平均电压同荷电状态变化的曲线，将该曲线在任一荷电状态区间的积分结果与所述额定容量之积确定为电池组在该电流和荷电状态区间放出的电能；

(4)确定荷电状态区间，将电池组在该荷电状态区间内的静能量与在该荷电状态区间充入的电能之商确定为电池组的充电能量效率，将电池组在该荷电状态区间放出的电能与在该荷电状态区间的静能量之商确定为电池组的放电能量效率，将电池组在该电流和荷电状态区间放出的电能与在该电流和荷电状态区间充入的电能之商确定为电池组的充放电能量效率。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(1)中电池组开路电压和荷电状态的定量关系式的建立过程为：

(11)将处于放电截止电压的电池组以0.04C恒流充电25h或至充电截止电压停止，记录电池组单体充电电压随荷电状态变化的充电曲线；

(12)将所述电池组以0.04C恒流放电25h后或至放电截至电压后停止，记录电池组单体放电电压随荷电状态变化的放电曲线；

(13)将所述充电曲线和所述放电曲线相加取平均值，得到电池组单体开路电压随荷电状态变化的开路电压曲线；

(14)根据开路电压同荷电状态的关系式U_ocv＝E₀+K₁lnSOC+K₂ln(1-SOC)以及所述开路电压曲线的对应值求出关系式中的未知参数，进而得到开路电压和荷电状态的定量关系式，其中U_ocv为开路电压，SOC为荷电状态，E₀、K₁、K₂为未知参数

在本发明的另一实施例中，所述方法还包括：

充电或者放电完毕后，将所述电池组静止一段时间。

在本发明的再一实施例中，所述步骤(2)和步骤(3)中的电池组温度相同。

在本发明的又一实施例中，所述方法还包括：

根据电池类型确定充电制度和放电制度；

将电池组按照确定的放电制度将其剩余电放完，接着按照确定的充电制度充电至充电截至电压，然后按照确定的放电制度放电至放电截至电压，将所放出的电荷值确定为电池组的额定容量。

在本发明的再一实施例中，所述步骤(4)还包括：

将按照确定的放电制度放完电的电池组以多个不同的恒流充电至充电截止电压后停止，得到电池组对应每个恒流在任一荷电状态区间充入的电能；

则，所述步骤(4)还包括：

确定荷电状态区间，获取电池组对应每个恒流的充电能量效率；

将电池组对应所有恒流的充电能量效率通过线形拟合或多项式拟合，得到充电能量效率与电流的经验公式：η_charge＝0.99121-0.04221×I+0.0082×I²，其中，η_charge为充电能量效率，I为电流。

在本发明的又一实施例中，所述步骤(4)还包括：

将按照确定的充电制度充满电的电池组以多个不同的恒流放电至放电截止电压后停止，，得到电池组对应每个恒流在任一荷电状态区间放出的电能；

确定荷电状态区间，获取电池组对应每个恒流的放电能量效率；

将电池组对应所有恒流的放电能量效率通过线形拟合或多项式拟合，得到放电能量效率与电流的经验公式：η_disch＝0.99722-0.04137×I+0.00344×I²，其中，η_disch为放电能量效率，I为电流。

与现有技术相比，本发明蓄电池能量效率测量方法能测量蓄电池的能量效率，并且测试过程简单易行，测量结果稳定，适用范围广。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明蓄电池能量效率测量方法的流程图。

图2展示了0.04C恒流充电时的充电电压与SOC关系的充电曲线、0.04C恒流放电时的放电电压与SOC关系的充电曲线、开路电压曲线、拟和开路电压曲线。

图3展示了2C恒流充电时的充电平均电压与SOC关系的充电曲线及拟和开路电压曲线。

图4展示了2C恒流放电时的放电平均电压与SOC关系的放电曲线及拟和开路电压曲线。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

在说明本发明蓄电池能量效率测量方法之前，先对涉及的几个概念进行说明。

电池的充电能量效率：当对电池进行充电至充电结束，充电电源输入电池的能量记为Q_in，电池本身能量变化记为ΔQ_n，则电池充电过程中的能量效率的表达式为：

η_charge＝ΔQ_n/Q_in        (1)

电池的放电能量效率：当电池开始放电至放电结束，电池输给放电负载的能量记为Q_out，电池本身能量变化记为ΔQ_n，则电池的放电能量效率的表达式为：

η_disch＝Q_out/ΔQ_n        (2)

电池的充放电能量效率：在一定的条件下(温度、充电倍率等)将电池充电至一定的荷电状态(SOC)，充电电源输入电池的能量记为Q_in，然后在同样的条件下(温度、放电倍率等)将电池进行放电，电池输给放电负载的能量记为Q_out，则电池在该条件下的充放电过程能量效率为：

η_battery＝Q_out/Q_in      (3)

下面对本发明蓄电池能量效率测量方法进行详细说明。下面实施例以电池组为某公司生产的LiFePO₄型锂离子动力电池为例，其额定容量是60Ah，电池组由30个单体串联组成。

下面参考图1并结合图2、3和图4，说明本发明蓄电池能量效率测量方法。所述方法包括如下步骤：

步骤S1，根据电池类型确定充电制度和放电制度，本实施例中电池类型为LiFePO₄电池(确定充电制度和放电制度是对电池实施操作的前提，根据这些制度可以确定如何将电池充满电、如何将电池电放完、测定额定容量和剩余容量、确定充电截至电压或结束条件、放电截至电压或结束条件，在充电制度和放电制度中包含了静止时间，在每完成一个充电或放电过程电池组都要静止一段时间才能进行下一步操作，静止时间以电池电压不在发生任何变动为准，在本实例通常需要2h，充电制度和放电制度既可由电池生产厂家提供，也可依据国家标准如QC/T742-2006、QC/T743-2006和QC/T744-2006分别对应铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池来设定)；

步骤S2，确定LiFePO₄电池组的额定容量：将LiFePO₄电池组按照步骤S1确定的放电制度(以0.33C恒流放电)将其剩余电放完，接着按照步骤S1确定的充电制度(以0.33C恒流充电)充电至充电截至电压，单体平均电压达到3.6V，正常情况下电池能够达到的最高电压)，然后按照步骤S1确定的放电制度(以0.33C恒流放电)放电至放电截至电压(单体平均电压到2.5V，正常情况下电池能够达到的最低电压)，记录所放出的电荷值，即为LiFePO₄电池组的额定容量，在本实施例中，测量值是60Ah，即额定容量是60Ah；

步骤S3，将LiFePO₄电池组以0.33C(QC/T744-2006提供测试额定容量时采用的充电和放电电流值，在本实例中需要把电池充满电或放完电使用的电流大小就是0.33C)恒流放电至放电截止电压，静止2h后，以0.04C恒流充电25h(0.04C对应的充满电的时间就是25h)或至充电截止电压后停止，记录LiFePO₄电池组单体充电电压随荷电状态(SOC)变化的充电曲线，如图2中标号1所示；

步骤S4，静止2h，将步骤S3得到的LiFePO₄电池组以0.04C恒流放电25h(0.04C对应的放完电的时间就是25h)后或至放电截至电压后停止，记录LiFePO₄电池组单体放电电压随荷电状态(SOC)变化的放电曲线，如图2中标号4所示；

步骤S5，将步骤S3得到的充电曲线和步骤S4得到的放电曲线相加取平均值，得到LiFePO₄电池组单体开路电压(U_OCV)随荷电状态(SOC)变化的开路电压曲线，如图2中标号2所示(之所以选取0.04C的充电曲线和0.04C的放电曲线相加取平均值的办法得到开路电压曲线是依据文献(J Power Sources，134(2004)262-272))；

步骤S6，依据文献(J Power Sources，134(2004)262-272)提供的开路电压(U_OCV)同SOC的关系式U_ocv＝E₀+K₁lnSOC+K₂ln(1-SOC)，把步骤S5得到的开路电压曲线中电池开路电压U_OCV与荷电状态(SOC)的对应值代入上述关系式，采取迭代方式获取上述关系式中的三个未知参数E₀，K₁，K₂，从而建立电池开路电压U_OCV和荷电状态SOC的定量关系式，根据此定量关系式得到拟和曲线，如图2中标号3所示(在图1中，开路电压曲线2与拟合曲线3十分吻合，表明拟合的精度较高)；

步骤S7，确定荷电状态(SOC)区间(即SOC(0)至SOC(t)，其中，SOC(0)为起始SOC，SOC(t)为终止SOC)，计算所述荷电状态(SOC)区间的电池组的静能量，计算公式为：

${\mathrm{\ΔQ}}_n={\∫}_{\mathrm{SOC}\left(0\right)}^{\mathrm{SOC}\left(t\right)}{U}_{\mathrm{COV}}{C}_n\mathrm{dSOC}---\left(4\right)$

其中，ΔQ_n为电池组的静能量，C_n为步骤S2得到的LiFePO₄电池组的额定容量，将步骤S6中电池开路电压U_OCV和荷电状态SOC的定量关系式代入方程(4)，得到：

${\mathrm{\ΔQ}}_n={\∫}_{\mathrm{SOC}\left(0\right)}^{\mathrm{SOC}\left(t\right)}(E_0+K_1\ln \mathrm{SOC}+K_2\ln (1-\mathrm{SOC}))C_n\mathrm{dSOC}---\left(5\right)$

在方程(5)中，C_n、E₀，K₁，K₂已知，确定荷电状态(SOC)区间后，可得到对应静能量ΔQ_n，只要荷电状态区间确定，就能计算得到电池组对应的静能量；

步骤S8，在20±5℃条件下，将荷电的LiFePO₄电池组以0.33C(QC/T744-2006提供测试额定容量时采用的充电和放电电流值，在本实例中需要把电池充满电或放完电使用的电流大小就是0.33C)恒流放电，至放电截止电压时停止放电，静止2h，然后在相同温度条件下，以2C恒流充电至充电截止电压后停止，记录LiFePO₄电池组单体的充电平均电压U_charge同荷电状态(SOC)变化的充电平均电压曲线(2C倍率下的充电曲线)，如图3中标号5所示，则荷电状态(SOC)区间的电池组充入的电能为：

$Q_{\mathrm{in}}={\∫}_{\mathrm{SOC}\left(0\right)}^{\mathrm{SOC}\left(t\right)}{U}_{\mathrm{ch}\arg e}{C}_n\mathrm{dSOC}---\left(5\right)$

其中，Q_in为充入的电能，C_n为步骤S1得到的LiFePO₄电池组的额定容量，荷电状态(SOC)区间【SOC(0)，SOC(t)】的范围为0至标号6所对应的横坐标值。SOC(t)的计算式为：SOC(t)＝SOC(0)-I×t/C_n，I为电流(充电时为负值，放电时为正值)，t为充电时间，事实上，计算Q_in只需把图3标号5的曲线积分再乘以C_n，只要荷电状态区间确定，就能计算得到电池组对应充入的电能；

步骤S9，在20±5℃条件下，将荷电的LiFePO₄电池组以0.33C恒流(QC/T744-2006提供测试额定容量时采用的充电和放电电流值，在本实例中需要把电池充满电或放完电使用的电流大小就是0.33C)放电，至放电截止电压时停止放电，静置2h，然后在相同温度条件下，以0.33C(QC/T744-2006提供测试额定容量时采用的充电和放电电流值，在本实例中需要把电池充满电或放完电使用的电流大小就是0.33C)恒流冲至充电截止电压时停止，再以2C恒流放电至放电截止电压时停止，记录LiFePO₄电池组单体的放电平均电压(U_disch)同荷电状态(SOC)变化的放电平均电压曲线(2C倍率下的放电曲线)，如图4中标号7所示，则荷电状态(SOC)区间的电池组放出的电能为：

$Q_{\mathrm{out}}={\∫}_{\mathrm{SOC}\left(0\right)}^{\mathrm{SOC}\left(t\right)}{U}_{\mathrm{disch}}{C}_n\mathrm{dSOC}---\left(6\right)$

其中，Q_out为放出的电能，荷电状态(SOC)区间【SOC(0)，SOC(t)】的范围为1至标号8所对应的横坐标值，事实上，计算Q_out只需把图4标号7的曲线积分再乘以C_n，只要荷电状态区间确定，就能计算得到电池组对应放出的电能；

步骤S10，根据在相同荷电状态(SOC)区间时步骤S8得到的充入的电能Q_in和步骤S7得到的静能量ΔQ_n计算电池充电过程中的充电能量效率η_charge，计算公式为η_charge＝ΔQ_n/Q_in(图3中，ΔQ_n对应的拟合曲线3位于Q_in对应的充电平均电压曲线5(电流大小2C)之下，即在相同的SOC区间，ΔQ_n小于Q_in)，如果在步骤S8中变换充电电流大小(即不采用2C恒流充电，采用其他恒流充电)，可得到不同电流情况下的充电能量效率η_charge，通过线形拟合或多项式拟合可得到充电能量效率η_charge与电流I的经验公式：η_charge＝0.99121-0.04221×I+0.0082×I²，其中I的单位是倍率C；

步骤S11，根据在相同荷电状态(SOC)区间时步骤S9得到的放出的电能Q_out和步骤S7得到的静能量ΔQ_n计算电池放电过程中的放电能量效率η_disch，计算公式为η_disch＝Q_out/ΔQ_n(图4中，ΔQ_n对应的拟合曲线3位于Q_out对应的放电平均电压曲线7(电流大小为2C)之上，即在相同的SOC区间，ΔQ_n大于Q_out)，如果在步骤S9中变换放电电流大小(即不采用2C恒流放电，采用其他恒流放电)，可得到不同电流情况下的放电能量效率η_disch值，通过线形拟合或多项式拟合可得到放电能量效率η_disch与电流I的经验公式：η_disch＝0.99722-0.04137×I+0.00344×I2，其中I的单位是倍率C；

步骤S12，根据在相同荷电状态(SOC)区间以及采用相同的恒流充放电时步骤S8得到的充入的电能Q_in和步骤S9得到的放出的电能Q_out计算电池的充放电能量效率η_battery，计算公式为η_battery＝Q_out/Q_in，计算时，步骤S8充电电流和步骤S9放电电流大小完全相同，例如步骤S8中充电电流是2C，则步骤S9中放电电流也为2C。

需要说明的是，上述步骤S8和步骤S9中，也可以采用除2C恒流以外的恒流充电、放电，都可以实现蓄电池能量测量，测量步骤与上述方法类似。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种蓄电池能量效率测量方法，包括如下步骤：

(1)采用电池组开路电压和荷电状态的定量关系式计算任一荷电状态区间的电池组的静能量，计算公式为：

其中，ΔQ_n为静能量，C_n为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间；

(2)将按照电池类型确定的放电制度放完电的电池组以恒流充电至充电截止电压后停止，记录电池组单体的充电平均电压同荷电状态变化的曲线，将该曲线在任一荷电状态区间的积分结果与额定容量之积确定为电池组在该电流和荷电状态区间充入的电能；

(3)将按照电池类型确定的充电制度充满电的电池组以恒流放电至放电截止电压后停止，记录电池组单体的放电平均电压同荷电状态变化的曲线，将该曲线在任一荷电状态区间的积分结果与所述额定容量之积确定为电池组在该电流和荷电状态区间放出的电能；

(4)确定荷电状态区间，将电池组在该荷电状态区间内的静能量与在该荷电状态区间充入的电能之商确定为电池组的充电能量效率，将电池组在该荷电状态区间放出的电能与在该荷电状态区间的静能量之商确定为电池组的放电能量效率，将电池组在该电流和荷电状态区间放出的电能与在该电流和荷电状态区间充入的电能之商确定为电池组的充放电能量效率。

2.如权利要求1所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，所述步骤(1)中电池组开路电压和荷电状态的定量关系式的建立过程为：

(11)将处于放电截止电压的电池组以0.04C恒流充电25h或至充电截止电压后停止，记录电池组单体充电电压随荷电状态变化的充电曲线；

(12)将所述电池组以0.04C恒流放电25h后或至放电截至电压后停止，记录电池组单体放电电压随荷电状态变化的放电曲线；

(13)将所述充电曲线和所述放电曲线相加取平均值，得到电池组单体开路电压随荷电状态变化的开路电压曲线；

(14)根据开路电压同荷电状态的关系式U_ocv＝E₀+K₁lnSOC+K₂ln(1-SOC)以及所述开路电压曲线的对应值求出关系式中的未知参数，进而得到开路电压和荷电状态的定量关系式，其中U_ocv为开路电压，SOC为荷电状态，E₀、K₁、K₂为未知参数。

3.如权利要求1或2所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，还包括：

充电或者放电完毕后，将所述电池组静止一段时间。

4.如权利要求1所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，所述步骤(2)和步骤(3)中的电池组温度相同。

5.如权利要求1所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，还包括：

根据电池类型确定充电制度和放电制度；

将电池组按照确定的放电制度将其剩余电放完，接着按照确定的充电制度充电至充电截至电压，然后按照确定的放电制度放电至放电截至电压，将所放出的电荷值确定为电池组的额定容量。

6.如权利要求1所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括：

将按照确定的放电制度放完电的电池组以多个不同的恒流充电至充电截止电压后停止，得到电池组对应每个恒流在任一荷电状态区间充入的电能；

则，所述步骤(5)还包括：

确定荷电状态区间，获取电池组对应每个恒流的充电能量效率；

将电池组对应所有恒流的充电能量效率通过线形拟合或多项式拟合，得到充电能量效率与电流的经验公式：η_charge＝0.99121-0.04221×I+0.0082×I²，其中，η_charge为充电能量效率，I为电流。

7.如权利要求1所述的蓄电池能量效率测量方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括：

将按照确定的充电制度充满电的电池组以多个不同的恒流放电至放电截止电压后停止，得到电池组对应每个恒流在任一荷电状态区间放出的电能；

确定荷电状态区间，获取电池组对应每个恒流的放电能量效率；

将电池组对应所有恒流的的放电能量效率通过线形拟合或多项式拟合，得到放电能量效率与电流的经验公式：η_disch＝0.99722-0.04137×I+0.00344×I²，其中，η_charge为充电能量效率，I为电流。

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