CN103257323A - 一种锂离子电池剩余可用能量的估计方法 - Google Patents

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本发明公开了一种锂离子电池剩余可用能量的估计方法，包括以下步骤：从电池说明书中获得标准温度、标准放电电流和电池内阻，基于电池台架测试数据，获得电池标称容量，绘制温度-电流-SOC三维曲面；根据电池当前温度、电池当前SOC、电池标称容量、电池内阻、电池未来电流以及温度-电流-SOC三维曲面，估计电池在电池未来电流下的剩余可用容量；根据剩余可用容量、电池当前端电压、电池内阻和电池未来电流，计算电池剩余可用能量。本方法较全面的考虑了电池放电电流、电池温度和电池内阻对锂离子电池剩余可用能量的影响，能提供较为准确的电池剩余可用能量估计值，进一步用于电动汽车的剩余里程估计和整车能量管理。

Description

一种锂离子电池剩余可用能量的估计方法
技术领域
本发明属于电池管理与电池状态估计领域，具体涉及一种锂离子电池剩余可用能量的估计方法。
背景技术
目前全球石油资源日益枯竭，温室效应等环境问题愈加严峻，使得燃油价格日趋升高，排放法规越来越严苛。与传统燃油汽车相比，电动汽车在行驶经济性和环境友好程度上有很大优势，有很好的发展前景。但电动汽车的续驶里程较短，在日常使用中较不方便。电动汽车的续驶里程取决于动力电池的剩余可用能量和整车的能量消耗。其中动力电池的剩余可用能量涉及电池的数据采集、参数辨识和状态估计，需要着重研究。
某时刻动力电池的剩余可用能量是指在某一电流工况下，从这一时刻开始直到电池端电压达到电池放电截止电压的过程中，电池输出端放出的总能量。电池剩余可用能量的影响因素很多，如当前电池的荷电状态（SOC）、电池温度、电池放电电压、电池容量和内阻等等，这些因素都会对电池能给整车提供的能量产生影响，进而影响电动汽车的续驶里程。
目前已有一些电动汽车动力电池剩余可用能量的计算方法，但这些方法对电池剩余可用能量的计算较为简单，实车工况使用时会造成较大的估计误差。具体来说，电池剩余可用能量计算中，以往方法多采用电池荷电状态（SOC）、电池标称容量与当前端电压直接相乘的方式，较少考虑电池温度、未来放电电流、未来放电过程中的电池温升、未来放电过程中的电压变化、电池内阻等因素，因此会影响电池剩余可用能量的估计精度。
相对于传统的铅酸电池和镍氢电池，锂离子电池具有能量密度较大、寿命较长的特点，因此在电动汽车上得到广泛应用。在估计锂离子电池的剩余可用能量时，要考虑锂离子电池自身的一些特点。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种精度较高的锂离子电池剩余可用能量的估计方法。
根据本发明实施例的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，包括以下步骤：S1.从电池说明书中获得标准温度、标准放电电流和电池内阻，基于电池台架测试数据，获得电池标称容量，绘制温度-电流-SOC三维曲面；S2.根据电池当前温度、电池当前SOC、所述电池标称容量、所述电池内阻、电池未来电流以及所述温度-电流-SOC三维曲面，估计电池在所述电池未来电流下的剩余可用容量；S3.根据所述剩余可用容量、所述电池当前端电压、所述电池内阻和所述电池未来电流，计算电池剩余可用能量。
在本发明的一个实施例中，所述获得电池标称容量的方法为：根据电池使用说明书，测量电池在标准温度、标准放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为标称容量Cbatt_nom。
在本发明的一个实施例中，所述绘制温度-电流-SOC三维曲面的方法为：首先进行电池台架进行测试，测量电池在不同温度、不同放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为在T，I条件下的电池容量Cbatt_T_I；然后根据电池标称容量Cbatt_nom和电池条件容量Cbatt_T_I，计算电池在T，I条件下的电池的放电截止SOC，记为SOCcutoff_T_I，计算公式为SOCcutoff_T_I=1-Cbatt_T_I/Cbatt_nom；最后绘制温度-电流-SOC三维曲面。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S2进一步包括：S21.根据电池当前温度、电池当前SOC、电池内阻和电池未来电流，利用锂离子电池电-热耦合模型计算电池在未来放电过程中的温度变化过程Tbatt_fut和SOC变化过程SOCfut，并将该电池状态变化过程表示在温度-电流-SOC三维坐标上，表现为一条温度-电流-SOC曲线；S22.所述温度-电流-SOC曲线与所述温度-电流-SOC三维曲面相交于一点，认为该点对应的SOC为电池放电截止的真实SOC，记为SOCcutoff_real；S23.根据所述真实SOC，计算所述剩余可用容量Cbatt_usable，计算公式为Cbatt_usable=Cbatt_nom*（1-SOCcutoff_real）。
在本发明的一个实施例中，所述步骤S3进一步包括：S31.根据电池当前端电压Ut，电池内阻Rbatt和未来电流Ifut，计算电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut；S32.根据所述电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut，电池的所述剩余可用容量Cbatt_usable，并根据电流Ifut在未来时间上的积分计算出电池的累计放电电量Cbatt_cum，当电池在未来某时刻tfut的累计放电电量Cbatt_cum(tfut)与电池所述剩余可用能量Cbatt_usable相等时，认为电池未来放电将在tfut时刻结束。对照端电压变化曲线Ut_fut和电流变化曲线Ifut，计算电池在当前时刻t0到未来放电结束时刻tfut期间的电池累计能量∫Ut_fut*Ifut*dt，即所述电池剩余可用能量Ebatt_usable。
在本发明的一个实施例中，所述电池为磷酸铁锂/石墨电池、锰酸锂/石墨电池、三元锂/石墨电池、三元锂/钛酸锂电池等锂离子动力电池。
本方法较全面的考虑了电池放电电流、电池温度和电池内阻对锂离子电池剩余可用能量的影响，能提供较为准确的电池剩余可用能量估计值，进一步用于电动汽车的剩余里程估计和整车能量管理。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的锂离子电池剩余可用能量的估计方法的流程图。
图2是温度-电流-SOC三维坐标上的温度-电流-SOC曲面的示意图。
图3是利用温度-电流-SOC曲面和温度-电流-SOC曲线确定SOC值的示意图。
图4是由电池剩余可用容量计算电池剩余可用能量的方法示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明针对现有方法存在的问题，提出一种锂离子电池剩余可用能量估计方法。其核心思想为：基于电池台架测试数据，获得电池在不同温度、不同放电电流下的放电截止SOC。根据电池当前测量值，电池当前SOC，电池台架测试数据，以及电池未来的放电电流，估计电池在此条件下的放电截止SOC和剩余可用容量。进而利用剩余可用容量、电池内阻信息，结合电池未来的端电压变化，估计电池的剩余可用能量。本方法较全面的考虑了电池放电电流、电池温度和电池内阻对锂离子电池剩余可用能量的影响，能提供较为准确的电池剩余可用能量估计值，进一步用于电动汽车的剩余里程估计和整车能量管理。
参看图1，根据本发明实施例的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，包括以下步骤：
S1.从电池说明书中获得标准温度、标准放电电流和电池内阻，基于电池台架测试数据，获得电池标称容量，绘制温度-电流-SOC三维曲面；
S2.根据电池当前温度、电池当前SOC、电池标称容量、电池内阻、电池未来电流以及温度-电流-SOC三维曲面，估计电池在电池未来电流下的剩余可用容量；
S3.根据剩余可用容量、电池当前端电压、电池内阻和电池未来电流，计算电池剩余可用能量。
下面详细介绍各个步骤的具体实施方式或计算方法。
在本发明的一个实施例中，步骤S1中获得电池标称容量的方法为：根据电池使用说明书，测量电池在标准温度、标准放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为标称容量Cbatt_nom。
在本发明的一个实施例中，步骤S1中绘制温度-电流-SOC三维曲面的方法为：首先进行电池台架进行测试，测量电池在不同温度、不同放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为在T，I条件下的电池容量Cbatt_T_I；然后根据电池标称容量Cbatt_nom和电池条件容量Cbatt_T_I，计算电池在T，I条件下的电池的放电截止SOC，记为SOCcutoff_T_I，计算公式为SOCcutoff_T_I=1-Cbatt_T_I/Cbatt_nom；最后在温度-电流-SOC三维坐标中绘制温度-电流-SOC三维曲面，参看图2。对于锂离子电池，一般来说温度越高，电池放出的容量Cbatt_T_I越多，相应的放电截止SOC值SOCcutoff_T_I越小。放电电流越大，电池放出的容量Cbatt_T_I越少，相应的放电截止SOC值SOCcutoff_T_I越大。
在本发明的一个实施例中，步骤S2进一步包括以下步骤：
S21.根据电池当前温度、电池当前SOC、电池内阻和电池未来电流，利用锂离子电池电-热耦合模型计算电池在未来放电过程中的温度变化过程Tbatt_fut和SOC变化过程SOCfut，并将该电池状态变化过程表示在温度-电流-SOC三维坐标上，表现为一条温度-电流-SOC曲线。
S22.温度-电流-SOC曲线与温度-电流-SOC三维曲面相交于一点，参看图3，当电池状态变化曲线与放电截止SOC曲面相交时，电池无法继续放电，交点为图上B点，对应的SOC为电池在这一温度和这一放电电流下的放电截止SOC，记为SOCcutoff_real。
S23.根据真实SOC，计算出电池在这一温度、这一放电电流下的剩余可用容量Cbatt_usable，计算公式为Cbatt_usable=Cbatt_nom*（1-SOCcutoff_real）。
在本发明的一个实施例中，参考图4，步骤S3进一步包括以下步骤：
S31.根据电池当前端电压Ut，电池内阻Rbatt和未来电流Ifut，计算电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut；
S32.根据电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut，电池的剩余可用容量Cbatt_usable，并根据电流Ifut在未来时间上的积分计算出电池的累计放电电量Cbatt_cum，当电池在未来某时刻tfut的累计放电电量Cbatt_cum(tfut)与电池所述剩余可用能量Cbatt_usable相等时，认为电池未来放电将在tfut时刻结束。对照端电压变化曲线Ut_fut和电流变化曲线Ifut，计算电池在当前时刻t0到未来放电结束时刻tfut期间的电池累计能量∫Ut_fut*Ifut*dt，即电池剩余可用能量Ebatt_usable。
本发明的锂离子电池剩余可用能量的估计方法的适用范围为磷酸铁锂/石墨电池、锰酸锂/石墨电池、三元锂/石墨电池、三元锂/钛酸锂电池等锂离子动力电池。
由上可知，本方法考虑了未来电流，电池温度，放电过程中的温度变化，以及未来端电压对电池能量的影响，能提供较准确的电池剩余可用能量估计值。
需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种锂离子电池剩余可用能量的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.从电池说明书中获得标准温度、标准放电电流和电池内阻，基于电池台架测试数据，获得电池标称容量，绘制温度-电流-SOC三维曲面；
S2.根据电池当前温度、电池当前SOC、所述电池标称容量、所述电池内阻、电池未来电流以及所述温度-电流-SOC三维曲面，估计电池在所述电池未来电流下的剩余可用容量；
S2.根据所述剩余可用容量、所述电池当前端电压、所述电池内阻和所述电池未来电流，计算电池剩余可用能量。
2.如权利要求1所述的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，其特征在于，所述获得电池标称容量的方法为：根据电池使用说明书，测量电池在标准温度、标准放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为标称容量Cbatt_nom。
3.如权利要求2所述的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，其特征在于，所述绘制温度-电流-SOC三维曲面的方法为：首先进行电池台架进行测试，测量电池在不同温度、不同放电电流下，从满电状态开始直到电池端电压达到放电截止电压时电池放出的容量，记为在T，I条件下的电池容量Cbatt_T_I；然后根据电池标称容量Cbatt_nom和电池条件容量Cbatt_T_I，计算电池在T，I条件下的电池的放电截止SOC，记为SOCcutoff_T_I，计算公式为SOCcutoff_T_I=1-Cbatt_T_I/Cbatt_nom；最后绘制温度-电流-SOC三维曲面。
4.如权利要求3所述的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
S21.根据电池当前温度、电池当前SOC、电池内阻和电池未来电流，利用锂离子电池电-热耦合模型计算电池在未来放电过程中的温度变化过程Tbatt_fut和SOC变化过程SOCfut，并将该电池状态变化过程表示在温度-电流-SOC三维坐标上，表现为一条温度-电流-SOC曲线；
S22.所述温度-电流-SOC曲线与所述温度-电流-SOC三维曲面相交于一点，认为该点对应的SOC为电池放电截止的真实SOC，记为SOCcutoff_real；
S23.根据所述真实SOC，计算所述剩余可用容量Cbatt_usable，计算公式为Cbatt_usable=Cbatt_nom*（1-SOCcutoff_real）。
5.如权利要求4所述的锂离子电池剩余可用能量的估计方法，其特征在于，所述步骤S3进一步包括：
S31.根据电池当前端电压Ut，电池内阻Rbatt和未来电流Ifut，计算电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut；
S32.根据所述电池未来端电压随时间的变化曲线Ut_fut，电池的所述剩余可用容量Cbatt_usable，并根据电流Ifut在未来时间上的积分计算出电池的累计放电电量Cbatt_cum，当电池在未来某时刻tfut的累计放电电量Cbatt_cum(tfut)与电池所述剩余可用能量Cbatt_usable相等时，认为电池未来放电将在tfut时刻结束。对照端电压变化曲线Ut_fut和电流变化曲线Ifut，计算电池在当前时刻t0到未来放电结束时刻tfut期间的电池累计能量∫Ut_fut*Ifut*dt，即所述电池剩余可用能量Ebatt_usable。
6.根据权利要求1-5所述的锂离子电池剩余可用能量估计方法，其特征在于，所述电池为磷酸铁锂/石墨电池、锰酸锂/石墨电池、三元锂/石墨电池、三元锂/钛酸锂电池等锂离子动力电池。
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