CN103884994B - 一种防止锂离子电池过放的soc在线检测与修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，该方法是不依赖于放电倍率的SOC在线检测与修正方法，通过对不同倍率放电曲线的处理，获得统一的判定条件，并据此对电池SOC估计值进行修正。采用该方法，能够准确地估算电池SOC，判定电池过放特征点，在充分利用电池电量的同时延长电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理***及电动汽车电源设备技术领域，特别是涉及一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法。
背景技术
传统能源日益枯竭，环境污染日益严重，为了应对能源危机，减缓全球气候变暖，世界各国相继提出了节能减排和发展低碳经济的政策。锂离子电池具有能量密度高、自放电小、循环寿命长、环境污染低、无记忆效应等优点，被广泛应用于便携装置储能电池和电动汽车动力电池领域，并逐渐向大规模太阳能***、电网调峰、住家电力储存设施延伸。
荷电状态（State of Charge，SOC）是电池使用过程中一个十分重要的指标，通常定义为电池当前状态下实际所能提供的电量与额定容量之比。准确掌握电池的SOC值，能够充分发挥电池的动力性能，并有效防止电池过充和过放。对于锂离子电池而言，频繁和长期的过充或过放都会对电池造成损害，轻则减少电池的使用寿命，重则引发***等安全事故。因此，对锂离子电池的SOC进行准确估算，一直是电池管理***（Battery ManagementSystem，BMS）的重要任务，更是锂离子电池在电动汽车和储能领域应用的研究重点。
目前电池SOC估算方法包括开路电压法、安时积分法、内阻法、负载电压法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。其中安时积分法具有操作简便，可实时在线测量等优点，常被采用。但其无法给出SOC初值，且在高温状态和电流波动剧烈时，误差较大。因此，人们常将安时积分法与其他方法相结合，对SOC估计值进行修正，从而提高SOC估算的准确度。比如，公开日为2013年10月09日，专利号为201310261830.5的中国专利文献利用负载电压法获得的SOC值对安时积分法计算的SOC值进行修正；公开日为2011年07月06日，专利号为200980130989.5的中国专利文献将分别采用开路电压法和安时积分法获得的两个SOC值进行加权平均，估计电池健康状态；公开日为2013年06月05日，专利号为201310031309.2的中国专利文献建立了温度、负载电压、放电电流及电流积分的四维表单，通过查表获得磷酸铁锂电池的SOC值。
上述专利中的方法均是针对某一放电倍率提出的。然而，实际应用中，由于温度、电流等因素的影响，电池的放电倍率并不恒定。因此，需要一种不依赖于放电倍率的SOC在线检测与修正方法，判断电池过放特征点并修正其SOC值，充分利用电池电量的同时延长电池使用寿命。
发明内容
本发明针对电池实际应用中放电倍率不恒定导致SOC估算不准确的问题，提供了一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，该方法是不依赖于放电倍率的SOC在线检测与修正方法，通过对不同倍率放电曲线的处理，获得统一的判定条件，并据此对电池SOC估计值进行修正。采用该方法，能够准确地估算电池SOC，判定电池过放特征点，在充分利用电池电量的同时延长电池使用寿命。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
A．获取不同放电倍率下的V-SOC曲线，所述V-SOC曲线是以纵轴为电压，横轴为容量构建的电压－容量曲线；
B．以A步骤中获得的不同放电倍率的V-SOC曲线为基础，对相邻采样点的电压值进行差值计算，得到各倍率相应的DV-SOC曲线，对所述DV-SOC曲线进行平移和纵坐标变换，并移至重合，将重合后的曲线标记为3rd DV-SOC曲线；
C．根据获得的3rd DV-SOC曲线，选取适当的3rd DV值，标记出A点和B点作为SOC低值点与SOC高值点，从而得到V-SOC曲线中各区域的SOC阀值范围；
D．采用安时积分法对电池SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录电池电压Vi，并计算相应的3rd DV值；
E．依据步骤D中的Vi、3rd DV及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi值进行修正，最终输出修正后的SOC。
所述的步骤A中的不同放电倍率下的V-SOC曲线的获得，包括以下步骤：
a1．将电池充满电，电压达到最高电压，电流达到最小电流；
a2．使用电池测试柜，测量并记录充满电的电池在不同放电倍率下，电池电压随放电时间的变化情况，以及电池放出电量随放电时间的变化情况；
a3．根据上述电池放出电量随放电时间的变化情况，结合SOC的计算公式，，得到SOC随放电时间的变化情况；
a4．根据上述电池电压随放电时间的变化情况，以及SOC随放电时间的变化情况，得到不同放电倍率下的V-SOC曲线。
所述步骤B中3rd DV-SOC曲线的获得包括如下步骤：
b1．计算不同放电倍率下的DV-SOC曲线，其中DV=k´(Vi-Vi+1)，k为任意常数，Vi为前一时刻测量的电压值，Vi+1为后一时刻测量的电压值，DV表示V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系；
b2．将不同放电倍率下的DV-SOC曲线，以1C放电倍率的DV-SOC曲线为基准作平移，使各倍率DV-SOC曲线的平台区域重合，将平移后的曲线标记为level DV-SOC曲线；其中level DV为DV经平移变换后的值，所述平台区域为DV随SOC值变化极小的区域；
b3．将不同放电倍率下的level DV-SOC曲线，以1C放电倍率的level DV-SOC曲线为基准，将纵坐标缩小，得不同放电倍率下的3rd DV-SOC曲线；缩小公式为：，其中所述I为电池放电电流，C0为电池的额定容量，3rd DV为level DV经上述变化后的值。
所述的步骤E中对SOCi值的修正过程，包括以下步骤：
c1．根据检测的Vi值及相应的3rd DV计算值，判断电池在步骤A所述的V-SOC曲线中的所处区域；
c2．比较安时积分法检测的SOCi值与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
c3．若SOCi值在阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC=SOCi；
c4．若SOCi值不在阈值范围内，则根据上述步骤c1所述的电池在V-SOC曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
(1) 电池处在B点左侧，修正值SOC=SOC1；
(2) 电池处在B点右侧，修正值SOC=SOCi-a；
(3) 电池处在A点右侧，修正值SOC=SOC0；
(4) 电池处在A点左侧，修正值SOC=SOCi+b；
上面所述的SOC1和SOC0为电池的SOC高点阈值与SOC低点阈值，a和b为SOC修正量。
本发明只需对不同放电倍率下的V-SOC曲线进行简单处理，就可获得统一的判定条件和SOC阈值范围，进而对安时积分法在线检测的SOC值进行修正，提高电池SOC估算的准确度。本发明提供了一种简单易行、不依赖于放电倍率的SOC在线检测与修正方法，能够有效解决电池实际应用中放电倍率不恒定导致SOC估算不准确的问题，有效防止电池过放，提高电池使用安全。
附图说明
图1是MT电池在不同放电倍率下的V-SOC曲线；
图2是MT电池在不同放电倍率下的DV-SOC曲线；
图3是MT电池在不同放电倍率下的level DV-SOC曲线；
图4是MT电池在不同放电倍率下的3rd DV-SOC曲线；
图5是利用标定的A点与B点划分V-SOC曲线的示意图；
图6是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步说明本发明。
实施例 一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，包含以下步骤：
A、获取不同放电倍率下的V-SOC曲线，通过以下步骤实现：
（1）采用恒流转恒压方式将11 Ah的锰酸锂钛酸锂（MT）电池充满电，恒电流值为11A（1C充电），最高电压阈值为2.8 V，最小电流阈值为0.15 A；
（2）使用电池测试柜，测量并记录充满电的电池在不同放电倍率（1C、2C、3C、4C、5C）下电池电压随放电时间的变化情况，以及电池放出电量随放电时间的变化情况，数据采集时间间隔为3 s；
（3）根据上述电池放出电量随放电时间的变化情况，利用公式，计算电池SOC，得到SOC随放电时间的变化情况；
（4）根据上述电池电压随放电时间的变化情况，以及SOC随放电时间的变化情况，得到不同放电倍率下的V-SOC曲线，如图1所示。
B、 根据步骤A中不同放电倍率下的V-SOC曲线（图1），计算不同放电倍率下的DV-SOC曲线；其中所述DV=k´(Vi-Vi+1)，k为任意常数（本例中取 k=104），Vi为前一时刻测量的电压值，Vi+1为后一时刻测量的电压值，（例如：如Vi+1为与Vi间隔3秒后的电压值），DV为V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系，如图2所示；
将上述不同放电倍率下的DV-SOC曲线以1C放电倍率DV-SOC曲线的平台为基准作平移，使各倍率DV-SOC曲线的平台区域重合，所述平台区域为DV随SOC值变化极小的区域，将平移后的曲线标记为level DV-SOC曲线，本例中平移公式为：
其中所述I为电池放电电流，level DV为DV经平移变换后的值，由此获得不同放电倍率下的level DV-SOC曲线，如图3所示；
将上述不同放电倍率下的level DV-SOC曲线以1C放电倍率的level DV-SOC曲线为基准将纵坐标缩小，缩小公式为：
其中所述I为电池放电电流，3rd DV为level DV经过纵坐标缩小变换后的数值，从而获得不同放电倍率下的3rd DV-SOC曲线，如图4所示。
C、从3rd DV-SOC曲线（图4）可看出，各倍率放电曲线在经上述系列处理后放电平台较为接近，平台两侧拐点相对集中。为了寻找统一的特征点以有效修正不同倍率放电时的电池SOC，平台拐点的选取应满足各倍率曲线重合度较高且尽量接***台端点。由图4可知平台拐点的3rd DV的有效取值范围为6到10。这里选取3rd DV=10为例，从而可在图4中标定出不同放电倍率下的SOC低值特征点与SOC高值特征点（A点与B点）。图4中各倍率曲线A点与B点的SOC值如表1中1#电池所示。
表1显示了4只电池（编号为1#、2#、3#、4#）在不同放电倍率下A点与B点的SOC值。表中不同电池、不同放电倍率下A点与B点的SOC值偏差较小，表明以本发明所述方法标定的A点与B点具有较高的一致性。这为寻找不依赖于放电倍率的统一判定条件提供了可靠基础。
依据步骤E中标定的A点和B点将步骤A中所述的V-SOC曲线划分为三个区域，如图5所示。
参考表1的数据，为有效防止电池过放，选取SOC低点阈值为6.5%，SOC高点阈值为97%，则三个区域的SOC阈值范围分别为：I区，97%£SOC£100%；II区，6.5%<SOC<97%；III区，0%£SOC£6.5%。
D、采用常规安时积分法对电池SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录电池电压Vi，并计算相应的3rd DV值。
E、依据步骤D中的Vi、3rd DV及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi值进行修正，最终输出修正后的SOC。
对SOCi值的修正过程，包括以下步骤：
（1）根据检测的Vi值及相应的3rd DV计算值判断电池在步骤A所述的V-SOC曲线中的所处区域；
（2）比较安时积分法检测的SOCi值与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
（3）若SOCi值在阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC=SOCi；
（4）若SOCi值不在阈值范围内，则根据上述步骤（1）所述的电池在V-SOC曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
a)电池处在B点左侧，修正值SOC=97%；
b)电池处在B点右侧，修正值SOC=SOCi-2%；
c)电池处在A点右侧，修正值SOC=6.5%；
d)电池处在A点左侧，修正值SOC=SOCi+4%；
以上所述的判断条件和修正方法，可用以下判断语句综合描述：
1.IF Vi ³ 2.38 and 3rd ΔV ³ 10 and SOCi ³ 97% , SOC= SOCi;
2.IF Vi ³ 2.38 and 3rd ΔV ³ 10 and SOCi < 97% , SOC= 97%;
3.IF Vi ³ 2.38 and 3rd ΔV < 10 and SOCi < 97% , SOC= SOCi;
4.IF Vi ³ 2.38 and 3rd ΔV < 10 and SOCi ³ 97% , SOC= SOCi -2%;
5.IF Vi < 2.38 and 3rd ΔV ³ 10 and SOCi £ 6.5% , SOC= SOCi;
6.IF Vi < 2.38 and 3rd ΔV ³ 10 and SOCi > 6.5% , SOC=6.5%;
7.IF Vi < 2.38 and 3rd ΔV < 10 and SOCi > 6.5% , SOC= SOCi;
8.IF Vi < 2.38 and 3rd ΔV < 10 and SOCi £ 6.5% , SOC= SOCi+4%;
9.Others, error.
本发明的基本原理：
预先对锂离子电池进行测量，获得不同放电倍率下的V-SOC曲线；对V-SOC曲线进行系列处理，获得3rd DV-SOC曲线，从而找到不依赖于放电倍率的统一判定条件，将V-SOC曲线划分为三个区域并给出各区域的SOC阈值范围。锂离子电池工作时，采集电池的放电电流I和电池电压Vi，并通过常规安时积分法估算电池荷电状态SOCi。通过测量所得的Vi值和相应的3rd DV计算值判定电池在预先获得的V-SOC曲线中的所处区域，并根据该区域的SOC阈值范围对估算的SOCi值进行修正，最终输出修正后的电池SOC值，总体工作流程如图6所示。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优先实施方式进行描述，显然本发明的具体实现并不受上述方式的限制。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作的各种变形和改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：包括以下步骤：
A.获取不同放电倍率下的V-SOC曲线，所述V-SOC曲线是以纵轴为电压，横轴为荷电状态构建的电压-荷电状态曲线；
B.以A步骤中获得的不同放电倍率的V-SOC曲线为基础，对相邻采样点的电压值进行差值计算，得到各放电倍率相应的△V-SOC曲线，对所述△V-SOC曲线进行平移使各放电倍率的△V-SOC曲线的平台区域重合，再进行纵坐标变换，并将所得曲线标记为3rd△V-SOC曲线；所述平台区域为△V随SOC值变化极小的区域；
C.根据获得的3rd△V-SOC曲线，选取适当的3rd△V，标记出A点和B点作为SOC低值点与SOC高值点，从而得到V-SOC曲线中各区域的SOC阀值范围；
D.采用安时积分法对SOC进行在线检测，标记为SOCi，同时记录Vi，并计算相应的3rd△V；
E.依据步骤D中的Vi、3rd△V及步骤C给出的SOC阈值范围对步骤D中的SOCi进行修正，最终输出修正后的SOC。
2.根据权利要求1所述的防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述的A步骤中的不同放电倍率下的V-SOC曲线的获得，包括以下步骤：
a1.将电池充满电，电压达到最高电压，电流达到最小电流；
a2.使用电池测试柜，测量并记录充满电的电池在不同放电倍率下，电压随放电时间的变化情况，以及电池放出电量随放电时间的变化情况；
a3.根据上述电池放出电量随放电时间的变化情况，结合SOC的计算公式，得到SOC随放电时间的变化情况；
a4.根据上述电压随放电时间的变化情况，以及SOC随放电时间的变化情况，得到不同放电倍率下的V-SOC曲线。
3.根据权利要求1所述的防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述步骤B中3rd△V-SOC曲线的获得包括如下步骤：
b1.计算不同放电倍率下的△V-SOC曲线，其中△V＝k×(Vi-Vi+1)，k为任意常数，△V表示V-SOC曲线中相邻两个采样点的电压差值关系；
b2.将不同放电倍率下的△V-SOC曲线，以1C放电倍率的△V-SOC曲线为基准作平移，使各放电倍率△V-SOC曲线的平台区域重合，将平移后的曲线标记为level△V-SOC曲线；其中level△V为△V经平移变换后的值，所述平台区域为△V随SOC变化极小的区域；
b3.将不同放电倍率下的level△V-SOC曲线，以1C放电倍率的level△V-SOC曲线为基准，将纵坐标缩小，得不同放电倍率下的3rd△V-SOC曲线；缩小公式为：其中所述I为电池放电电流，C0为电池的额定容量，3rd△V为level△V经上述变化后的值。
4.根据权利要求1所述的防止锂离子电池过放的SOC在线检测与修正方法，其特征在于：所述的步骤E中对SOCi的修正过程，包括以下步骤：
c1.根据检测的Vi及相应的3rd△V，判断电池在A步骤所述的V-SOC曲线中的所处区域；
c2.比较安时积分法检测的SOCi与上述步骤判断的电池所处区域的SOC阈值范围，判断是否进行修正；
c3.若SOCi在SOC阈值范围内，则不进行修正，修正值SOC＝SOCi；
c4.若SOCi不在SOC阈值范围内，则根据上述步骤c1所述的电池在V-SOC曲线中的所处区域及相应的SOC阈值范围进行修正，修正算法如下：
(1)电池处在B点左侧，修正值SOC＝SOC1；
(2)电池处在B点右侧，修正值SOC＝SOCi-a；
(3)电池处在A点右侧，修正值SOC＝SOC0；
(4)电池处在A点左侧，修正值SOC＝SOCi+b；
上面所述的SOC1和SOC0为电池的SOC高点阈值与SOC低点阈值，a和b为SOC修正量。
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