CN102608540A - 一种用于动力电池soc估计的库伦效率测定方法 - Google Patents

Abstract

一种用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，涉及动力电池或动力电池组管理技术领域。发明目的在于为了解决现有技术计算库伦效率时没有考虑电池在实际使用时的容量范围，电池在充放电过程中自身的温度变化影响等原因导致库伦效率的不准确的问题。本方法具体步骤为将待检测电池进行HPPC测试，记录HPPC测试中的电压时间曲线和电流时间曲线；根据获得的电压时间曲线和电流时间曲线，计算脉冲功率能力与充电电量的关系曲线，并根据该曲线计算出最小放电深度和最大放电深度；计算出中间放电深度库伦效率；将电池充电到中间放电深度，做n次充电保持工况，将电池放光，计算出待测电池库伦效率。本方法用于电动汽车、可再生能源以及大规模储能领域电池库伦效率的测定。

Description

一种用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法

技术领域

本发明为一种用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，涉及动力电池或动力电池组管理技术领域。

背景技术

目前，人们日益重视对环境的保护和能源的有效、合理使用。因此，高效、节能、环保的新能源汽车就成为汽车行业的发展趋势。为了确保动力电池安全与整车控制策略的执行，动力电池管理***的研发尤为重要。其中SOC(剩余电量百分比)作为电池特性最主要的影响因素，是近年来电池组管理***研究的热点和难点之一。

安时计量法是目前电动汽车最常使用的电池SOC估计方法，其原理是通过负载电流的积分估计SOC，简单易用、算法稳定，公式如下：

$\mathrm{SOC}={\mathrm{SOC}}_0-\frac{1}{C_A}{\∫}_{t_0}^t\mathrm{\ηIdt}$

式中SOC₀为初试SOC，C_A为电池可用容量，η为库伦效率。由以上公式可以看出库伦效率的准确计算直接影响安时法的计算精度。

由于内阻的存在，电池的任何充电、放电过程都有电量的损失，在估计电池的SOC时，必须考虑库伦效率。美国先进电池联合会(USABC)在其《电动汽车电池测试手册》中定义库伦效率为：用放电电流I_d从电池中放出的电量Q_d与用充电电流I_c使电池SOC恢复到放电前状态所需要的电量Q_c之比。还有文献提出折算库伦效率的概念，其将电池变电流充放电过程归一化为恒流充放电过程，核心思想是将不同电流的库伦效率统一到3小时倍率放电电流C₃/3的库伦效率上。但是通过以上定义计算得到的库伦效率都没有考虑电池在实际使用时的容量范围，电池在充放电过程中自身的温度会发生变化导致库伦效率变化，从而影响库伦效率的准确性，导致SOC估计不准。

发明内容

本发明目的在于为了解决现有技术计算库伦效率时没有考虑电池在实际使用时的容量范围，电池在充放电过程中自身的温度会发生变化导致库伦效率变化，从而影响库伦效率的准确性，导致SOC估计不准的问题，本发明通过以下步骤实现：

步骤一：选择某一待测动力电池工作温度范围内的温度做为待测温度，以下步骤二至步骤七均在此待测温度条件下进行；

步骤二：对待检测电池进行混合功率脉冲特性测试，记录混合功率脉冲特性测试中的电压时间曲线和电流时间曲线，计算对应的充电脉冲功率能力和放电脉冲功率能力获得充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线和放电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最小放电深度，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与放电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最大放电深度；

步骤三：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最小放电深度，充入的电量为Q_MinDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MinDOD-dis，根据最小放电深度充入的电量和放出的电量计算最小放电功率平均库伦效率η_MinDOD，计算公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MinDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤四：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最大放电深度，充入的电量为Q_MaxDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MaxDOD-dis，根据最大放电深度充入和放出的电量计算最大放电功率平均库伦效率η_MidDOD，计算公式为： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MaxDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤五：最小放电深度和最大放电深度的充电电量的平均值为中间放电深度，根据步骤三和步骤四分别计算出来的最小放电功率平均库伦效率和最大放电功率平均库伦效率计算出中间放电深度库伦效率估计值η_MidDOD，计算公式为

步骤六：以不超过安全电流的恒流将电池充电到中间放电深度，充入的电量为Q_MidDOD-cha，静止一个小时，做n次充电保持工况，其中10＜n＜1000，计算n次充电保持工况的总充电量为Q_{Power-sustain-cha}和总放电量为Q_{Power-sustain-dis}，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MidDOD-dis；

步骤七：根据步骤三到步骤六，计算电池在实际使用范围中的库伦效率η，计算公式为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{MidDOD}}\×Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{cha}}-Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{Power}-\mathrm{sustain}-\mathrm{cha}}})\×100\%.$

本发明利用电池在特定使用范围内的充电保持工况来计算电池的库伦效率，已达到实际使用中计算电池的库伦效率，为电池工作时利用安时法估算SOC提供准确的数据，保证电池在实车运行的过程中准确估算SOC，

该方法的有益效果是：

一、考虑到了电池在新能源车实际使用时所应用的范围，保证了计算得到的库伦效率满足实车使用要求。

二、该方法利用电池在特定使用范围内的充电保持工况来计算电池的库伦效率，因此该方法计算速度快，简单，容易操作。

三、该方法考虑到了电池在不同温度条件下的使用情况，因此有更宽的温度适用范围。

附图说明

图1为测定动力电池库伦效率的流程图；图2为具体实施方式二中混合功率脉冲特性测试的电压时间曲线和电流时间曲线；图3为具体实施方式二中脉冲功率能力与电池电量的关系曲线；图4为具体实施方式二中充电保持工况的功率曲线；图5为具体实施方式二中步骤六的电压时间曲线和电流时间曲线；图6为图5中100次充电保持工况的电压时间曲线和电流时间曲线。

具体实施方式

下面结合图1至图6说明本发明的具体实施方式；

具体实施方式一：如图1所示，动力电池库伦效率测定通过以下步骤进行：

步骤一：选择某一工作温度范围为-20℃-60℃的待测动力电池，选择该温度范围内的温度做为待测温度，以下步骤二至步骤七均在待测温度条件下进行；

步骤二：对待检测电池进行混合功率脉冲特性测试，将待检测的电池放空电，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池充电电量为电池可用电量的m₁％，然后进行脉冲功率测试，静止一个小时，再将电池以不超过安全电流的恒流充电到电量为电池可用电量的m₂％，进行混合功率脉冲特性测试，如此循环，直到充电电量为电池可用电量的m_a％，其中：m₁＜m₂……＜m_a，0＜m₁＜15，85＜m_a＜100，5＜a ＜50，结束混合功率脉冲特性测试。记录混合功率脉冲特性测试中的电压时间曲线和电流时间曲线，计算对应的充电脉冲功率能力和放电脉冲功率能力获得充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线和放电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最小放电深度，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与放电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最大放电深度；

步骤三：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最小放电深度，充入的电量为Q_MinDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MinDOD-dis，根据最小放电深度充入的电量和放出的电量计算最小放电功率平均库伦效率η_MinDOD，计算公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MinDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤四：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最大放电深度，充入的电量为Q_MaxDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MaxDOD-dis，根据最大放电深度充入和放出的电量计算最大放电功率平均库伦效率η_MidDOD，计算公式为： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MaxDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤五：最小放电深度和最大放电深度的充电电量的平均值为中间放电深度，根据步骤三和步骤四分别计算出来的最小放电功率平均库伦效率和最大放电功率平均库伦效率计算出中间放电深度库伦效率估计值η_MidDOD，计算公式为

步骤六：以不超过安全电流的恒流将电池充电到中间放电深度，充入的电量为Q_MidDOD-cha，静止一个小时，做n次充电保持工况，其中10＜n＜1000，计算n次充电保持工况的总充电量为Q_{Power-sustain-cha}和总放电量为Q_{Power-sustain-dis}，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MidDOD-dis，如果100次充电保持工况后电量的变化率超过5％，会导致库伦效率测定结果产生较大的误差，为保证测试结果的准确性，控制n次充电保持工况后电量的变化率不超过5％，可以通过测定开路电压的变化量，根据开路电压的变化量实现控制，具体为在n次充电保持工况开始前和结束后分别测定开路电压，根据开路电压的变化量确定n次充电保持工况后电量的变化率，如n次充电保持工况后电量的变化率超过5％，减少n次充电保持工况中每次工况中放掉的电量重新进行本步骤直至n次充电保持工况后电量的变化率小于5％；

步骤七：根据步骤三到步骤六，计算电池在实际使用范围中的库伦效率η，计算公式为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{MidDOD}}\×Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{cha}}-Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{Power}-\mathrm{sustain}-\mathrm{cha}}})\×100\%.$

具体实施方式二：对具体实施方式一的待测动力电池进行库伦效率测定，测定步骤及结果如下：

步骤一：选择待测动力电池工作温度范围内的温度20℃做为待测温度测定库伦效率；

步骤二：对待检测电池进行混合功率脉冲特性测试，将待检测的电池放空电，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池充电电量为电池可用电量的10％，然后进行脉冲功率测试，静止一个小时，再将电池以不超过安全电流的恒流充电到电量为电池可用电量的20％，进行混合功率脉冲特性测试，如此循环，直到充电电量为电池可用电量的90％，结束混合功率脉冲特性测试。记录混合功率脉冲特性测试中的电压时间曲线和电流时间曲线，图2为该曲线。计算对应的充电脉冲功率能力和放电脉冲功率能力获得充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线和放电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线，计算公式为：

Cap_Discharge＝V_Min·(OCV_dis-V_Min)÷R_discharge；

Cap_Regen＝V_Max·(V_Max-OCV_regen)÷R_regen

其中：Cap_Discharge为放电脉冲功率能力，Cap_Regen为充电脉冲功率能力，V_Min为放电脉冲过程中的最低电压，V_Max为充电脉冲过程中的最高电压，OCV_dis为放电开路电压，OCV_regen为充电开路电压， $R_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{disch}\arg e}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{disch}\arg e}}$ 为放电内阻， $R_{\mathrm{regen}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{regen}}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{regen}}}$ 为充电内阻。

如图3所示，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最小放电深度，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与放电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最大放电深度；确定的最小放电深度为40％，确定的最大放电深度为80％。

步骤三：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最小放电深度，充入的电量为Q_MinDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MinDOD-dis，根据最小放电深度充入的电量和放出的电量计算最小放电功率平均库伦效率η_MinDOD，计算公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MinDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤四：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最大放电深度，充入的电量为Q_MiaxDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量-Q_MaxDOD-dis，根据最大放电深度充入和放出的电量计算最大放电功率平均库伦效率η_MidDOD，计算公式为： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MaxDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤五：最小放电深度和最大放电深度的充电电量的平均值为中间放电深度，根据步骤三和步骤四分别计算出来的最小放电功率平均库伦效率和最大放电功率平均库伦效率计算出中间放电深度库伦效率估计值η_MidDOD，计算公式为

步骤六：以不超过安全电流的恒流将电池充电到中间放电深度，计算充入的电量Q_MidDOD-cha，静止一小时，放掉一定的电量，再充入等量的电量，以相同的工况重复100次，做100次充电保持工况，计算100次充电保持工况的总充电量为Q_{Power-sustain-cha}，总放电量为Q_{Power-sustain-dis}，每次充电保持工况的功率曲线如图4所示，根据电池的参数而确定充放电功率。以3kW功率放电30秒，再以15kW功率放电3秒，然后以3.2kW功率充电55秒，最后以10kW功率充电2秒，整个过程的电压时间曲线和电流时间曲线如图5、图6所示，静止一小时，以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MidDOD-dis；

步骤七：根据步骤三到步骤六，计算电池在实际使用范围中的库伦效率η，计算公式为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{MidDOD}}\×Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{cha}}-Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{Power}-\mathrm{sustain}-\mathrm{cha}}})\×100\%.$

具体实施方式三：

对具体实施方式二中的待测动力电池，步骤一中选择待测动力电池工作温度范围内的温度30℃做为待测温度测定库伦效率，步骤六中n＝15，其它步骤与具体实施方式二相同测定库伦效率。

具体实施方式四：

对具体实施方式二中的待测动力电池，步骤一中选择待测动力电池工作温度范围内的温度40℃做为待测温度测定库伦效率，步骤六中n＝950，其它步骤与具体实施方式二相同测定库伦效率。

经过具体实施方式二、三、四的测定，该动力电池在20℃、30℃和40℃环境温度下的库伦效率值如表一所示。

表一20℃、30℃和40℃环境温度下的库伦效率值

Claims (6)

1.一种用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：选择某一待测动力电池工作温度范围内的温度做为待测温度，以下步骤二至步骤七均在此待测温度条件下进行；

步骤二：对待检测电池进行混合功率脉冲特性测试，记录混合功率脉冲特性测试中的电压时间曲线和电流时间曲线，计算对应的充电脉冲功率能力和放电脉冲功率能力获得充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线和放电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与充电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最小放电深度，满足整车功率需求的最小功率值在充电脉冲功率能力与放电电量的关系曲线上的对应的点的充电电量为最大放电深度；

步骤三：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最小放电深度，充入的电量为Q_MinDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MinDOD-dis，根据最小放电深度充入的电量和放出的电量计算最小放电功率平均库伦效率η_MinDOD，计算公式为

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MinDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MinDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤四：将待检测电池放空，以不超过安全电流的恒流将电池充电到最大放电深度，充入的电量为Q_MaxDOD-cha，静止一个小时，然后以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MaxDOD-dis，根据最大放电深度充入和放出的电量计算最大放电功率平均库伦效率η_MidDOD，计算公式为： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{MaxDOD}}=\frac{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{MaxDOD}-\mathrm{cha}}}\×100\%;$

步骤五：最小放电深度和最大放电深度的充电电量的平均值为中间放电深度，根据步骤三和步骤四分别计算出来的最小放电功率平均库伦效率和最大放电功率平均库伦效率计算出中间放电深度库伦效率估计值η_MidDOD，计算公式为

步骤六：以不超过安全电流的恒流将电池充电到中间放电深度，充入的电量为Q_MidDOD-cha，静止一个小时，做n次充电保持工况，其中10＜n＜1000，计算n次充电保持工况的总充电量为Q_{Power-sustain-cha}和总放电量为Q_{Power-sustain-dis}，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池放空，计算放出的电量Q_MidDOD-dis；步骤七：根据步骤三到步骤六，计算电池在实际使用范围中的库伦效率η，计算公式为：

$\mathrm{\η}=(1-\frac{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{MidDOD}}\×Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{cha}}-Q_{\mathrm{MidDOD}-\mathrm{dis}}}{Q_{\mathrm{Power}-\mathrm{sustain}-\mathrm{cha}}})\×100\%.$

2.如权利要求1所述的用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于步骤一中待测温度为20℃、30℃或40℃。

3.如权利要求1所述的用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于步骤二中对待检测电池进行混合功率脉冲特性测试的测试过程为：将待检测的电池放空电，静止一个小时，以不超过安全电流的恒流将电池充电电量为电池可用电量的m₁％，然后进行脉冲功率测试，静止一个小时，再将电池以不超过安全电流的恒流充电到电量为电池可用电量的m₂％，进行混合功率脉冲特性测试，如此循环，直到充电电量为电池可用电量的m_a％，其中：m₁＜m₂……＜m_a，0＜m₁＜15，85＜m_a＜100，5＜a＜50，结束混合功率脉冲特性测试。

4.如权利要求1所述的用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于步骤二中计算对应的充电脉冲功率能力和放电脉冲功率能力的计算公式为：

Cap_Discharge＝V_Min·(OCV_dis-V_Min)÷R_discharge

Cap_Regen＝V_Max·(V_Max-OCV_regen)÷R_regen；

其中：Cap_Discharge为放电脉冲功率能力，Cap_Regen为充电脉冲功率能力，V_Min为放电脉冲过程中的最低电压，V_Max为充电脉冲过程中的最高电压，OCV_dis为放电开路电压，OCV_regen为充电开路电压， $R_{\mathrm{disch}\arg e}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{disch}\arg e}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{disch}\arg e}}$ 为放电内阻， $R_{\mathrm{regen}}=\frac{{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{regen}}}{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{regen}}}$ 为充电内阻。

5.如权利要求1所述的用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于步骤六所述的做n次充电保持工况的过程为：通过放电放掉一定的电量，再充入等量的电量，以相同的工况重复做n次，在n次充电保持工况开始前和结束后分别测定开路电压，根据开路电压的变化量确定n次充电保持工况后电量的变化率，如n次充电保持工况后电量的变化率超过5％，减少n次充电保持工况中每次工况中放掉的电量重新进行步骤六直至n次充电保持工况后电量的变化率小于5％。

6.如权利要求1所述的用于动力电池SOC估计的库伦效率测定方法，其特征在于步骤六中n＝100。

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