CN105353316B - 动力电池充电时soc变化量及充电电量折算系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种结果准确、方法简便的动力电池充电电量折算系数测量方法，它是将完全充电的电池单体在标准规定条件下以C/3倍率恒流放电至放电终止电压，计算得到标准放电电量Q_SD；用同样方法进行不同电流I恒流充电，计算得到电池在不同电流I充电的电量值Q_IC；将多个不同充电电流I与相应的充电电量折算系数K_IC＝Q_SD/Q_IC拟合，得到充电电量折算系数K_IC与电流I的函数关系式：K_IC＝f_IC(I)。本发明同时还提供了一种测试准确、简单易行的动力电池充电时SOC变化量的测量方法，它是把动力电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放电量Q_Z＝∫f_IC(I)Idt；动力电池充电时SOC变化量△SOC＝Q_Z/Q_n,Q_n为额定容量。

Description

动力电池充电时SOC变化量及充电电量折算系数测量方法

技术领域

本发明涉及化学电源应用技术领域，特别涉及一种动力电池充电的测量，尤其是电池充电电量折算系数和SOC变化量测量方法。

背景技术

动力电池SOC变化量是计算电池SOC的基础，而动力电池SOC是电动汽车整车能量控制策略和电池管理***中的一个重要参数，准确的SOC信息对电池的高效管理和整车性能提高有着重要意义。SOC即State of Charge，意为荷电状态，也叫剩余电量。目前国际上关于电池SOC尚无统一的定义，但大多数是采用电池电量进行定义。例如美国先进电池联合会(USABC)在《电动汽车电池实验手册》中定义SOC为：在指定的放电倍率下，电池剩余容量与等同条件下额定容量的比值。由于不同充放电倍率下，电池的额定容量不同，而我国GB/T18332.2-2001是用规定条件C/3倍率放电定义电池的额定容量Q_n。

电动汽车的动力电池在使用过程中，需要关注电池的许多状态参数，其中，测量动力电池SOC变化量具有显著的意义：1)由准确的电池SOC变化量可以准确预估电池当前的SOC值；2)准确的电池SOC值是制定电动汽车整车能量控制策略的基础；3)准确的电池SOC值是进行电池高效管理的重要参数；4)对于纯电动汽车而言，准确的电池SOC值可预测汽车的续驰里程。

为了准确计算电池在充电时的SOC，应将不同充电电流I下的电量通过电量折算系数统一到C/3倍率放电的释放电量，通过折算到电池C/3倍率放电的释放电量可以得到电池剩余容量，用电池剩余容量与额定容量Q_n的比值可以准确估算电池充电时SOC值。

因此，定义电池充电电量折算系数测量方法和动力电池充电时SOC变化量的测量方法很有必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种结果准确、方法简便的电池充电电量折算系数测量方法，通过该电池充电电量折算系数可以将电池在任意充电电流I下的电量折算为C/3倍率放电的释放电量。

为了实现上述目的，本发明的动力电池充电电量折算系数测量方法，包括如下步骤：

(1)将处于完全充电的电池单体在标准规定条件下以C/3倍率恒流放电至放电终止电压，记录电池放电电流随时间变化的曲线，采用安时积分法计算得到电池C/3倍率放电的标准放电电量Q_SD；C为电池3h率额定容量；

(2)将处于放电终止电压的电池单体在标准规定条件下以电流I恒流充电至充电终止电压，计算得到电池在电流I充电的电量值Q_IC；

(3)电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放电量Q_Z的电池充电电量折算系数K_IC＝Q_SD/Q_IC；

(4)获取电池单体以多个不同电流I恒流充电的充电电量折算系数K_IC；将充电电流I、充电电量折算系数K_IC通过拟合，得到充电电量折算系数K_IC与电流I的函数关系式：K_IC＝f_IC(I)。

所述的动力电池充电电量折算系数测量方法，所述步骤(3)中的多个不同电流I的电流I值为0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C。

所述的动力电池充电电量折算系数测量方法，充电或者放电完毕后，将所述的电池静置1小时。

所述的动力电池充电电量折算系数测量方法，电池单体充放电的测试温度为标准规定条件。

动力电池充电电量折算系数测量方法的有益效果：本发明通过电池充电电量折算系数K_IC将电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放的电量Q_Z。将该折算电量Q_Z＝∫K_IC Idt＝∫f_IC(I)Idt(安时积分法，即对电流I按时间进行积分后，再乘以K_IC进行折算。在充电时电流符号取正)。为了得到函数关系式K_IC＝f_IC(I)，本发明采用了拟合方法，也就是说，将不同的充电电流I及与该充电电流对应的充电电量折算系数K_IC通过拟合，得到充电电量折算系数与电流I的函数关系式K_IC＝f_IC(I)。拟合得到的函数关系式K_IC＝f_IC(I)适用范围广，对于不同的充电电流I，只有代入函数关系式K_IC＝f_IC(I)即可得到电池充电电量折算系数K_IC，简单易行，测试更加快捷方便，测量结果稳定，适用范围广。

将充电电流I与充电电量折算系数拟合时，通过线性拟合或多项式拟合。

本发明同时还提供了一种与测试准确、简单易行的动力电池充电时SOC变化量的测量方法。

本动力电池充电时SOC变化量的测量方法包括如下步骤：

(1)将处于放电终止电压的电池单体在常温下以C/3充电倍率恒流充电至充电终止电压，再恒压充电至电流小于0.5A，最后，放电至终止电压，记录电池单体放电电流随时间变化的曲线，采用安时积分法得到电池单体放电电量，记作动力电池单体的额定容量Q_n；

(2)采用上述的动力电池充电电量折算系数测量方法得到充电电量折算系数K_IC与电流I的函数关系式：K_IC＝f_IC(I)；

(3)通过充电电量折算系数K_IC把动力电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放电量Q_Z，折算电量Q_Z＝∫K_ICIdt＝∫f_IC(I)Idt，在充电时电流符号取正；以不同电流I充电时动力电池SOC变化量△SOC是折算成C/3放电倍率下的电量Q_Z与额定容量的比值，计算公式为△SOC＝Q_Z/Q_n。

动力电池充电时SOC变化量的测量方法的有益效果：本发明通过电池充电电量折算系数K_IC将电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放的电量Q_Z，将该折算电量Q_Z＝∫K_ICIdt＝∫f_IC(I)Idt(安时积分法，即对电流I按时间进行积分后，再乘以K_IC进行折算)与额定容量Q_n相比即可得到以不同电流I充电时动力电池SOC变化量△SOC＝Q_Z/Q_n。该SOC变化量△SOC的测量方法简单易行，测试更加快捷方便，测量结果稳定，适用范围广。

附图说明

图1为本发明蓄电池荷电电量变化量测量方法的流程图。

图2为不同充电电流与不同电流充电电量折算系数的多项式拟合曲线图。

图3为不同放电电流与不同电流放电电量折算系数的多项式拟合曲线图。

具体实施方式

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。

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电量折算系数测量方法之前，先对涉及的几个概念进行说明。

充电电量折算系数：K_IC＝Q_SD/Q_IC

放电电量折算系数：K_ID＝Q_SD/Q_ID

后面还会对发明蓄电池电量折算系数测量方法进行详细说明。

下面实施例以电池单体为某公司生产的LiFePO₄型锂离子动力电池为例，其3h率额定容量C为10Ah，额定电压为3.2V，充电终止电压为3.65V，放电终止电压为2.5V。

下面参考图1并结合图2、3，说明本发明的蓄电池荷电电量SOC变化量的测量方法。所述方法包括以下步骤：

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、确定充电终止电压或结束条件、放电终止电压或结束条件；在每完成一个充电或放电过程都要静置一段时间才能进行下一次操作，静置时间以电池电压不再发生任何变动为准，在本实例中通常需要1h；充电制度和放电制度既可由电池生产厂家提供，也可以依据国家标准如QC/T742-2006、QC/T743-2006和QC/T744-2006分别对应铅酸电池、锂电池电池和镍氢电池来设定)；

步骤S2，确定LiFePO₄电池的额定容量：将LiFePO₄电池组按照步骤S1确定的放电制度(以0.33C即3.3A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即3.3A恒流充电)充电至充电终止电压，再恒压放电至电流小于0.5A，最后放电至放电终止电压，从充满电状态到放电终止电压放出的电量即为额定容量Q_n，在本实施例中，额定容量Q_n的测量值为10.57Ah；

步骤S3，确定LiFePO₄电池的标准充电电量Q_SC：将LiFePO₄电池单体按照步骤S1确定的放电制度将处于完全充电的电池单体在20±5℃条件下(以C/3倍率恒流放电)放电至放电终止电压停止，接着按照步骤S1确定的充电制度(以C/3倍率恒流充电)充电至充电终止电压停止，对充电电流在时间上进行积分，即得电池的标准充电电量Q_SC；

步骤S4，确定LiFePO₄电池的标准放电电量Q_SD：将LiFePO₄电池单体按照步骤S1确定的充电制度将处于放电终止电压的电池单体在20±5℃条件下(以C/3倍率恒流充电)充电至充电终止电压，然后按照步骤S1确定的放电制度(以C/3倍率恒流放电)放电至放电终止电压(电池电压到2.5V，正常情况下电池能够达到的最低电压)，对放电电流在时间上进行积分，即为LiFePO₄电池的标准放电电量Q_SD；

步骤S5，确定LiFePO₄电池在不同电流I充电的电量值Q_IC：在本实例中需要将处于完全充电的LiFePO₄电池单体在20±5℃条件下(以C/3倍率恒流放电)放电至放电终止电压，静止1h后，以0.1C倍率恒流充电至充电终止电压3.65V时，默认充电完成，记录LiFePO₄电池随时间变化的电流曲线，对其进行积分得到0.1C倍率恒流充电的电量值。然后以同样的步骤完成以0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C倍率的充电过程，并记录相应的电流随时间变化的曲线，分别对其积分计算得到对应不同电流恒流充电的电量值Q_IC；

步骤S6，确定LiFePO₄电池在不同电流I放电的电量值Q_ID：在本实例中需要将处于放电终止电压的LiFePO₄电池单体在20±5℃条件下(以C/3倍率恒流充电)充电至充电终止电压，静止1h后，以0.1C倍率恒流放电至电池终止电压(终止电压为2.5V)，记录LiFePO₄电池随时间变化的电流曲线，对其进行积分得到0.1C倍率下的放电电量值。然后以同样的步骤完成以0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C倍率的放电过程，并记录相应的电流随时间变化的曲线，分别对其积分计算得到对应不同电流恒流放电的电量值Q_ID；

步骤S7，利用充电电量折算系数的表达式K_IC＝Q_SD/Q_IC，用标准放电电量Q_SD值比上0.1C倍率恒流充电的电量值Q_IC，得到在0.1C倍率下的充电电量折算系数。然后用同样的方法可以得到0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C倍率对应的10个充电电量折算系数，以电流为横坐标，充电电量折算系数为纵坐标，将这些点描在图上观察可得近似为4次曲线，进行多项式拟合，取该曲线的最高幂次为4，即K_IC＝a₀I⁴+a₁I³+a₂I²+a₃I+a₄，其中a₀、a₁、a₂、a₃、a₄为待定系数。用最小二乘法进行曲线拟合，得：

K_IC＝-0.0010I⁴+0.0408I³-0.3974I²+1.6057I+95.7327，画于二维图上，即得图2；

步骤S8，利用放电电量折算系数的表达式K_ID＝Q_SD/Q_ID，用标准放电电量Q_SD值比上0.1C倍率恒流放电的电量值Q_ID，得到在0.1C倍率下的放电电量折算系数。然后用同样的方法可以得到0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C倍率对应的10个放电电量折算系数，以电流为横坐标，放电电量折算系数为纵坐标，将这些点描在图上观察及进行残差分析可得近似为4次曲线，进行多项式拟合，取该曲线的最高幂次为4，即K_ID＝b₀I⁴+b₁I³+b₂I²+b₃I+b₄，其中b₀、b₁、b₂、b₃、b₄为待定系数。用最小二乘法进行曲线拟合，得：

K_ID＝-0.0026I⁴+0.0955I³-0.9406I²+3.5690I+95.4936，画于二维图上，即得图3；

步骤S9，计算动力电池荷电状态SOC的变化量：计算公式为△SOC＝∫K_IIdt/Q_n，K_I为电量折算系数，在放电时电流符号取负，K_I为K_ID＝-0.0026I⁴+0.0955I³-0.9406I²+3.5690I+95.4936；在充电时电流符号取正，K_I为K_IC＝-0.0010I⁴+0.0408I³-0.3974I²+1.6057I+95.7327。

需要说明的是，上述步骤中采用的充放电倍率0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C，也可以采用其他合适的倍率进行充放电。

本发明在计算电池SOC时，所用的电池剩余容量应将不同充放电电流I下的电量通过电量折算系数统一折算到C/3倍率放电的释放电量，从而将不同充放电电流I下的电池SOC估算变为在C/3放电倍率下，电池剩余容量与额定容量Q_n的比值，而动力电池的SOC值为电池初始的SOC₀加上SOC变化量，即SOC＝SOC₀+△SOC。

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 (4)

1.动力电池充电电量折算系数测量方法，包括如下步骤：

(1)将处于完全充电的电池单体在标准规定条件下以C/3倍率恒流放电至放电终止电压，记录电池放电电流随时间变化的曲线，采用安时积分法计算得到电池C/3倍率放电的标准放电电量Q_SD；C为电池3h率额定容量；

(2)将处于放电终止电压的电池单体在标准规定条件下以电流I恒流充电至充电终止电压，计算得到电池在电流I充电的电量值Q_IC；

(3)电池以多个不同电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放电量Q_Z的电池充电电量折算系数K_IC＝Q_SD/Q_IC；多个不同电流I的电流I值为0.1C、0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.7C、0.8C、1C、1.5C、2C；

(4)获取电池单体以多个不同电流I恒流充电的充电电量折算系数K_IC；将充电电流I、充电电量折算系数K_IC通过拟合，得到充电电量折算系数K_IC与电流I的函数关系式：K_IC＝f_IC(I)。

2.如权利要求1所述的动力电池充电电量折算系数测量方法，其特征在于，充电或者放电完毕后，将所述的电池静置1小时。

3.如权利要求1所述的动力电池充电电量折算系数测量方法，其特征在于，电池单体充放电的测试温度为标准规定条件。

4.动力电池充电时SOC变化量的测量方法，包括如下步骤：

(1)将处于放电终止电压的电池单体在常温下以C/3充电倍率恒流充电至充电终止电压，再恒压充电至电流小于0.5A，最后，放电至终止电压，记录电池单体放电电流随时间变化的曲线，采用安时积分法得到电池单体放电电量，记作动力电池单体的额定容量Q_n；

(2)采用权利要求1-3任一所述的动力电池充电电量折算系数测量方法得到充电电量折算系数K_IC与电流I的函数关系式：K_IC＝f_IC(I)；

(3)通过充电电量折算系数K_IC把动力电池以电流I充电的电量折算成C/3倍率放电下释放电量Q_Z，折算电量Q_Z＝∫K_ICIdt＝∫f_IC(I)Idt，在充电时电流符号取正；以不同电流I充电时动力电池SOC变化量△SOC是折算成C/3放电倍率下的电量Q_Z与额定容量的比值，计算公式为△SOC＝Q_Z/Q_n。