CN112816893A - 一种基于电池组单体剩余充电电量快速估计电池组容量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，针对化成后出厂分选完毕的电池，其容量已知，SOC由于自放电因素会导致些许差异，继而进行容量估计。本发明通过选拟充电基准曲线，计算单体电池SOC，推算电池组容量，将最小剩余放电电量曲线作为放电基准曲线，计算电池组内最大、最小剩余放电电量之差得出剩余放电时间极差，从而利用插值法在放电基准曲线上得出电压值，修正内阻差异引起的电压差，最终预测出电池组满放状态下的电压极差，最终将电池组放电至出厂电压。本发明能大幅度减少对于出厂电池组容量估计的时间，具有较高精度的电池组容量估计与满放电状态下电池组的电压极差估计。

Description

一种基于电池组单体剩余充电电量快速估计电池组容量方法

技术领域

本发明属于锂离子电池组容量估计领域，主要涉及一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法。

背景技术

随着国家大力提倡发展新能源，新能源汽车越来越受到消费者的青睐。锂离子电池由于其自身比能量高、比功率大、循环寿命长以绿色环保无污染的特点，已成为当前车载动力电池的主流选择。但锂离子电池会随着使用及储存，出现老化，容量衰减，这将直接影响电动汽车的续驶里程。锂离子电池作为电动汽车中至关重要的一环，其电池组容量的大小关系到了电动汽车的最大行驶里程，因此确定出电池组的容量对于电动汽车的剩余行驶里程的估计是有巨大帮助的。如何准确估计电池组内电池容量及预测电池寿命成为当今电池管理***的新挑战。

由于锂离子电池组中各个单体电池存在着不一致性，因此电池组容量与单体电池的容量存在着和差异。目前，国内外对于单体电池的容量估计和SOC估计有很多的研究，但是由于单体电池的不一致性，对于成组之后的电池组容量有着一定的差异，根据单体电池容量估计方法去估计电池组容量是不可取的。对于电池组的初始容量测试均是可以通过实验测量得到，按照厂家建议的测试手段对电池组进行满充和满放电实验，继而得出电池组的初始容量。但由于电池组容量的演化，通过实验手段得到的电池组的初始容量其意义也是有限的，实验方法还存在着诸多的不确定性和不准确性，例如对于化成后出厂分选完毕的电池，由于自放电的因素导致了各个单体电池之间存在着SOC差异，此外通过对电池组进行满充和满放电实验需要大量的时间去进行，过程中消耗了大量的人力和时间。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法。

本发明的目的可以通过以下的方技术方案实现：

一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，该方法包括以下步骤：

S1：将电池组进行满充，以率先到达充电截止电压的曲线为充电基准曲线；

S2：通过充电基准曲线将各单体充电曲线进行曲线变化得出电池组内各单体电池的SOC，进而推算出电池组容量；

S3：计算电池组满充后各单体电池的剩余放电电量，将最小剩余放电电量曲线作为放电基准曲线；

S4：通过计算电池组内最大、最小剩余放电电量之差得出剩余放电时间极差；

S5：利用插值法在放电基准曲线上得出电压值，修正内阻差异引起的电压差，最终预测出电池组满放状态下的电压极差；

S6：将电池组放电至出厂电压。

基于上述方案，所述电池组中包含N只单体电池，N≥2。

基于上述方案，所述锂离子电池组中的电池类型为出厂分选完毕的电池，其容量已知，SOC由于自放电因素会导致些许差异。

基于上述方案，步骤S1对电池组进行满充，得到电池组内各单体电池的充电曲线，将率先充电至充电截止电压的曲线作为充电基准曲线。

基于上述方案，首先得出电池组内各单体电池的SOC。所述步骤S2中对于率先至充电截止电压的单体，由于其容量已被恒定充电电流充满，则其SOC可以表示为：

SOC₀＝100％

其中：SOC₀表示率先充电至充电截止电压的单体的SOC。

基于上述方案，所述步骤S2中对于不能充电至充电截止电压的单体，则需要计算出其剩余充电电量，通过充电基准曲线，将该单体的

插值于该曲线上，得到在充电基准曲线上

所对应的时刻t_chg'，继而得出该单体的剩余充电时间Δt_chg＝(t_chg-t_chg')，则其SOC可以表示为：

其中：

表示充电结束时刻该单体电池的电压值，t_chg'表示为充电基准曲线上

对应的时刻，I_chg为充电电流，Δt_chg为剩余充电时间，SOC_i表示充电结束后该单体的SOC,

为修正系数，C₀为率先充电至充电截止电压的单体的出厂标称容量。

基于上述方案，所述步骤S2中得出电池组内各单体电池的SOC与容量之后，由于电池组的容量可以表示为最小剩余放电电量与最小剩余充电电量之和，则其容量的可以表示为：

C_pack＝min(SOC_end·C)+min((1-SOC_end)·C)

其中：C_pack为电池组容量，SOC_end为满充后电池组内全体单体SOC组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量，运算符min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘。

基于上述方案，所述步骤S3中对于率先充满的单体电池，其放电电量即为其出厂标称容量：Q₀＝C₀，对于不能充满的单体电池而言，其放电电量即为充电终了时刻单体的电量，则需要得到充电结束后单体的SOC，根据步骤S2中求得的单体SOC_i，则可以计算出充电结束后的该单体的电量为：Q_i＝SOC_i·C_i。

其中：SOC_i表示不能充电至充电截止电压的单体的SOC，Q_i表示为该单体的放电电量，C_i为该单体的出厂标称容量。

基于上述方案，得出了电池组内各个单体的放电电量，将其中最小放电电量曲线作为放电基准曲线。

基于上述方案，所述步骤S4中首先求得各个单体的放电电量Q_i。

基于上述方案，所述步骤S4中进一步计算出剩余放电电量极差，可以表示为：

ΔQ_max＝max(SOC_end·C)-min(SOC_end·C)

其中：ΔQ_max表示剩余放电电量极差，运算符max()表示对向量内的元素求最大值，min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘，SOC_end表示满充后电池组内各单体的SOC值组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量。

基于上述方案，通过步骤S4中求得的剩余放电电量极差，由于是恒定电流放电，则该单体的剩余放电时间为：

其中：

表示为充电结束后该单体的剩余放电时间，I_dis表示为放电电流，

为修正系数，C_min表示最小放电电量的单体电池标称容量，C_max表示最大放电电量的单体电池标称容量。

基于上述方案，所述步骤S5中根据步骤S1得出的放电基准曲线与步骤S4中得出的剩余放电时间极差，通过在放电基准曲线上插值，得出

时刻的电压值V_插值

其中：t_dis表示为电池组放电终了时刻，V_插值表示插值于放电基准曲线上的电压值。

基于上述方案，根据步骤S1中满充后电池组内各个单体的充电曲线，依次找到最大剩余放电电量单体的充电曲线与最小放电容量单体的充电曲线，由于这两个单体之间存在着阻值差异ΔR，故会产生一个电压差，则最终电池组满放状态下的电压差预计值为：

其中：

表示为电池组满放状态下的电压差，ΔR表示为阻值差异。

基于上述方案，所述步骤S6中完成电池组容量与满放状态下的电压差估计后，将电池组放电至出厂电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明涉及一种基于电池剩余充电电量快速估计电池容量的方法，针对化成后出厂分选完毕的电池，将其组成电池组后，能快速估计出电池组容量与预测满放电状态下电池组的电压差，大幅度减少对于出场电池组容量估计的时间，节省了大量的人力和时间，具有很重要的现实意义，且将电池组中单体电池自放电影响SOC因素考虑在内，具有较高精度的电池组容量估。

附图说明

图1为本发明的锂离子电池组容量快速估计方法流程图

图2为本发明实施例的满充后，各单体的充电曲线示意图

图3为本发明实施例的根据充电基准曲线推导电池单体SOC示意图

图4为本发明实施例的电池组满充后，各个单体电池的容量—电量散点示意图

图5为本发明实施例的根据放电基准曲线推导满放状态下电池组电压差示意图

图6为传统电池组容量测量流程与本发明快速估计电池组容量流程对比示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

在本发明的实施例中，锂电池组中的单体电池均是出厂分选完毕的电池，其容量已知，SOC由于自放电因素会导致些许差异。图1所示为根据本发明的锂离子电池组容量快速估计的流程图，本实施例基于一种电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，包括以下步骤：

S1:将电池组进行满充，以率先到达充电截止电压的曲线为充电基准曲线。

图2所示为本发明实施例的各单体充电曲线，其中将锂电池组中最先充电至充电截止电压的曲线作为充电基准曲线。

S2：通过充电基准曲线将各单体充电曲线进行曲线变化得出单体电池的SOC，进而推算出电池组容量。

图3所示为根据充电基准曲线推导电池单体初始SOC，首先对于率先充电至充电截止电压的单体而言，其容量已经被恒定充电电流充满，此时的SOC状态为100％,则该单体的SOC值为：SOC₀＝100％，其中SOC₀表示该单体充电结束时刻的SOC。进而对于不能充电至充电截止电压的单体而言，要想计算出其SOC，则需要计算出其剩余充电电量。通过S1步骤中得出的充电基准曲线，将该单体的充电终了时刻的电压

(曲线终点值)插值于充电基准曲线上，得到在充电基准曲线上

所对应的时刻t_chg'，继而得出该单体的剩余充电时间Δt_chg＝(t_chg-t_chg')，由于曲线之间存在着误差，则需要对剩余充电容量进行修正，则该单体的SOC值为：

其中

表示充电结束时刻该单体电池的电压值，t_chg'表示为充电基准曲线上

对应的时刻，I_chg为充电电流，Δt_chg为剩余充电时间，SOC_i表示该单体充电结束时刻的SOC,

为修正系数，C₀为率先充满的单体的出厂标称容量。

由于在实际应用中，锂电池组内的的各个单体电池存在着不一致性，各个单体电池的实际容量、初始SOC都存在着些许差异。对电池组进行充电时，电池组内剩余充电电量最小的单体将会率先到达充电截止电压，当其到达之后，其余单体均不能再继续充电，若继续充电会引起过充等问题。同样的，对电池组进行放电时，电池组内剩余放电电量最小的单体将会率先到达放电截止电压，当其到达之后，其余单体均不再继续放电，若继续放电会引起过放等问题。

最终，锂电池组实际真正的容量为最小剩余充电电量与最小剩余放电电量之和，而想得出最小剩余充电电量与最小剩余放电电量则需要知道电池组内各个单体单体的SOC和容量大小，则电池组容量可以表示为：

C_pack＝min(SOC_end·C)+min((1-SOC_end)·C)，其中C_pack为电池组容量，SOC_end为充电结束后电池组内全体单体SOC组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量，运算符min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘。

S3：计算电池组满充后各单体电池的剩余放电电量，将最小剩余放电电量曲线作为放电基准曲线。

对于S1步骤中率先充满的单体电池，其放电电量即为其出厂标称容量：Q₀＝C₀，而对于不能充满的单体电池而言，其放电电量为充电终了时刻其电量大小，继而需要得到充电结束后单体的SOC，根据步骤S2中求得的单体SOC_i，则可以计算出充电结束后的该单体的放电电量为：Q_i＝SOC_i·C_i，其中：SOC_i表示充电结束后的该单体的SOC，Q_i表示为该单体的放电电量，C_i为该单体的出厂标称容量。

图4所示为该锂电池组满充后各个单体电池的容量—电量散点示意图,该示意图形象的表示出了满充之后，各个单体的容量与电量之间的联系，该示意图横坐标为容量，纵坐标为电量，则将该电池组内的电池单体电量状态用离散点的形式表示出来，图中45°过坐标原点的直线为充电截止线，即当点在这条线上时，该单体的电量与容量相等，即该单体处于满充状态。图中标号①所指为各个单体电池的剩余充电电量，标号②所指为各个单体电池的剩余放电量。通过比较各个单体电池的剩余放电电量，可得标号③所指是最大剩余放电电量，标号④所指是最小剩余放电电量。

计算出电池组满充后各单体电池的剩余放电电量，通过图4中锂电池组中各个单体的剩余放电电量比较，将最小放电电量曲线作为基准放电曲线。

S4：通过计算电池组内最大、最小放电电量之差得出剩余放电时间极差。

根据S3步骤中电池组内各单体电池的剩余放电电量，将最大放电电量与最小放电电量相减，可得出剩余放电电量极差ΔQ_max＝max(SOC_end·C)-min(SOC_end·C)，其中：ΔQ_max表示剩余放电电量极差，运算符max()表示对向量内的元素求最大值，min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘，SOC_end表示充电结束后电池组内各单体的SOC值组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量。

因为曲线间存在着误差，所以对于电池的剩余放电时间需要修正。电池组由于恒定电流放电，则该单体的剩余放电时间为：

其中

表示为充电结束后该单体电池的剩余放电时间，I_dis表示为放电电流，

为修正系数，C_min表示最小放电电量的单体电池标称容量，C_max表示最大放电电量的单体电池标称容量。

S5：利用插值法在放电基准曲线上得出电压值，通过内阻差异引起的电压差修正，最终预测出电池组满放状态下的电压差。

图5所示为根据放电基准曲线推导满放状态下电池组电压差，根据S3中得出的放电基准曲线与S4步骤中得出的最大剩余放电时间，将放电基准曲线上的放电终了时刻向左平移

在放电基准曲线上插值，得出

时刻的电压值V_插值，其中t_dis表示为电池组放电终了时刻，V_插值表示插值于放电基准曲线上的电压值。

根据步骤S2中得出的电池组内各个单体的充电曲线，依次找到最大剩余放电电量单体的充电曲线与最小放电容量单体的充电曲线，由于这两个单体之间存在着阻值差异ΔR，故会产生一个电压差，则最终电池组满放状态下的电压差预计值为：ΔV_dismax＝V_插值-U_截止电压-I_dis·ΔR，其中：

表示为电池组满放状态下的电压差，ΔR表示为阻值差异。

S6:将电池组放电至出厂电压。

完成电池组容量与满放状态下的电压差估计后，将电池组放电至出厂电压。

图6中(a)为按照厂家建议的测试手段对锂电池组进行满充和满放电测试锂电池组容量流程图，(b)为本发明的快速估计锂电池组容量流程图，厂家建议的测试手段包括恒流充电、恒流放电、对电池组进行静置，最后将锂电池组调整至出厂电压，而本发明的流程则只包括恒流充电与对锂电池组调整至出厂电压。通过两者的对比不难发现，后者省去了对锂电池组满放电与静置过程，这将大大减少对于锂电池组容量估计的时间，节省了大量时间，提高了工作效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (7)

1.一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将电池组进行满充，以率先到达充电截止电压的曲线作为充电基准曲线；

S2：通过充电基准曲线将各单体充电曲线进行曲线变化得出单体电池的SOC，进而推算出电池组容量；

其中，对于率先至充电截止电压的单体，其SOC可以表示为：SOC₀＝100％；SOC₀表示率先充电至充电截止电压单体的SOC；

对于不能充电至充电截止电压的单体，其SOC可以表示为：

其中：SOC_i表示充电结束后的该单体的SOC，Δt_chg为剩余充电时间，Δt_chg＝(t_chg-t_chg'),

表示充电结束时刻该单体电池的电压值，t_chg'表示为充电基准曲线上

对应的时刻，I_chg为充电电流，

为修正系数，C₀为率先充至充电截止电压的单体的出厂标称容量；

电池组的容量表达式为：

C_pack＝min(SOC_end·C)+min((1-SOC_end)·C)

其中：C_pack为电池组容量，SOC_end为满充后电池组内全体单体SOC组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量，运算符min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘；

S3：计算电池组满充后各单体电池的剩余放电电量，将最小剩余放电电量曲线作为放电基准曲线；

S4：通过计算电池组内最大、最小剩余放电电量之差得出剩余放电时间极差；

S5：利用插值法在放电基准曲线上得出电压值，修正内阻差异引起的电压差，最终预测出电池组满放状态下的电压极差；

S6：将电池组放电至出厂电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述电池组中包含N只单体电池，N≥2；所述锂离子电池组中的电池类型为出厂分选完毕的电池，其容量已知，SOC由于自放电因素会导致些许差异。

3.根据权利要求1所述的一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述的步骤S1具体步骤如下：

对电池组进行满充，得到电池组内各单体电池的充电曲线，将率先充电至充电截止电压的曲线作为充电基准曲线。

4.根据权利要求1所述的基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述的步骤S3具体步骤如下：

对于率先充满的单体电池，其放电电量即为其出厂标称容量：Q₀＝C₀，对于不能充满的单体电池而言，其放电电量为充电截止时该单体的电量，继而需要得到充电结束后单体的SOC，根据未充满的单体SOC_i，则可以计算出充电结束后该单体的放电电量，可以表示为：Q_i＝SOC_i·C_i，得出了各单体的放电电量，将其中最小放电电量的放电曲线作为放电基准曲线。

其中：SOC_i表示充电结束后的该单体的SOC，Q_i表示为该单体的放电电量，C_i为该单体的出厂标称容量。

5.根据权利要求1所述的基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述的步骤S4具体步骤如下：

S41根据各个单体的放电电量Q_i，进一步计算出电池组内电池组内剩余放电电量极差，可以表示为：

ΔQ_max＝max(SOC_end·C)-min(SOC_end·C)

其中：ΔQ_max表示剩余放电电量极差，运算符max()表示对向量内的元素求最大值，min()表示对向量内的元素求最小值，运算符·表示向量间元素的对应相乘，SOC_end表示满充后电池组内各单体的SOC值组成的向量，C为电池组内全部单体电池容量构成的向量。

S42由S41中得出的电池组中剩余放电电量极差，由于是恒定电流放电，则该单体的剩余放电时间为：

其中：

表示为电池组放电终了后该单体的剩余放电时间，I_dis表示为放电电流，

为修正系数，C_min表示最小放电电量的单体电池容量，C_max表示最大放电电量的单体电池容量。

6.根据权利要求1所述的基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述的步骤S5具体步骤如下：

S51根据放电基准曲线与剩余放电时间极差，通过在放电基准曲线上插值，得出

时刻的电压值V_插值

其中：t_dis表示为电池组放电终了时刻，V_插值表示插值于放电基准曲线上的电压值。

S52根据电池组内各个单体的充电曲线，依次找到最大剩余放电电量单体的充电曲线与最小放电容量单体的充电曲线，由于这两个单体之间存在着阻值差异ΔR，故会产生一个电压差，则最终电池组满放状态下的电压差预计值为：

其中：

表示为电池组满放状态下的电压极差，I_dis表示为放电电流，ΔR表示为阻值差异。

7.根据权利要求1所述的一种基于电池剩余充电电量快速估计电池组容量的方法，其特征在于，所述的步骤S6具体步骤如下：

完成电池组容量与满放状态下的电压差估计后，将电池组放电至出厂电压。

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