法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-01-20
授权
授权
2014-04-16
实质审查的生效 IPC(主分类):G01R19/00 申请日:20131227
实质审查的生效
2014-03-19
公开
公开
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域,具体涉及一种二次电池开路电压估计方法。
背景技术
电池的开路电压(OCV)作为电池的重要参数反应了电池的内部状态,在电池技术 的各个领域发挥着重要作用。由于电池的开路电压取决于电池电极材料及材料中的活性物 质含量,所以电池的开路电压不仅可以用来分析电池电极的能级特性,同时还可以用来估 计电池的剩余电量状态(SOC)。电池的开路电压还可以被用来估计电池的健康状态 (SOH),例如在锂离子电池中,随着电池的老化,电池的开路电压只在其高电量区域发 生衰减。此外,电池的开路电压还是电池系统均衡的重要依据。所以,准确的开路电压估 计是电池管理及其相关技术的必要保障。
电池电压只有在电池处于开路状态,并充分静置待其电压完全释放后,才等于电池的 开路电压。在这个过程中,电池的过电势不断减小,电池电压逐渐趋向于平衡状态,即电 池的开路电压。但这一过程往往需要很长的时间,一般认为在20小时以上。一般为了获 得电池的开路电压,只能通过长时间的等待,但这个长时间的等待严重地限制了电池开路 电压的在线应用。针对这一问题的解决方法,相关的研究还十分有限。仅有的一些方法也 无法很好的拟合电池的释放过程,这使得其开路电压的估计会出现一定的误差。
发明内容
本发明是为了解决现有的电池开路电压的获取速度慢,通用性差,以及受工作温度范 围限制的问题,从而提供一种二次电池开路电压快速估计方法。
一种二次电池开路电压快速估计方法,它由以下步骤实现:
步骤一、对电池在进入开路状态后的前A分钟内进行n次电压采样,获得n个开路 时间tk与电压值URLX,k;A为正数;k=1,2,…,n,表示第k个采样点;n为大于2的 整数;
步骤二、建立开路时间tk与由扩散电容Cd与扩散电阻Rd所组成的扩散极化环节的弛 豫时间τd的线性函数:
τd,k=αtk+β
式中:α与β是用来表征线性关系的系数;
将上述线性函数代入传统二阶等效模型中,获得关于电池释放电压URLX的改进模型:
式中:OCV为电池的开路电压;t0为初始时刻;
对上述关于电池释放电压URLX的改进模型进行整理,获得关于待求变量所组成的向 量M=[OCVαβ]T的线性化表达式:
步骤三、将步骤一中获得的n个开路时间tk与电压值URLX,k分别代入步骤二获得的 线性化表达式,并联立组成关于待求变量的线性超定方程组:
Y=XM;
其中:
然后利用M=[XT X]-1XTY对待求变量的线性超定方程组进行求解,获得关于开路电 压OCV在内的各待求变量的解,将开路电压OCV的解作为最终的估计值,实现对电池 开路电压的估计。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、避免长时间的等待,实现对电池开路电压的快速预测。
2、方法的计算量小,适合于在线使用。
3、方法不需要预先进行特性实验,使用成本低。
4、方法仅需要测量电池在开路状态下的开路时间与电压值,无需其他辅助测量,硬 件成本低。
5、本方法适用于各类工况,且具有宽广的工作温度范围。
附图说明
图1是实施方式中的实验的测试图;
图2是在30℃下,以2C的电流由SOC=1放电至SOC=0.9的仿真示意图;
图3是在30℃下,以FUDS循环工况由SOC=0.9工作至SOC=0.7的仿真示意图;
图4是在50℃下,以0.5C的电流由SOC=0.7放电至SOC=0.4的仿真示意图;
图5是在10℃下,以0.5C电流由SOC=0.4放电至SOC=0.3的仿真示意图;
图6是在30℃下,以1C电流由SOC=0.3充电至SOC=0.5的仿真示意图;
图7是在30℃下,以1C电流由SOC=0.5充电至SOC=0.8的仿真示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、一种二次电池开路电压快速估计方法,它由以下步骤实现:
步骤一、对电池在进入开路状态后的前A分钟内进行n次电压采样,获得n个开路 时间tk与电压值URLX,k;A为正数;k=1,2,…,n,表示第k个采样点;n为大于2的 整数;
步骤二、建立开路时间tk与由扩散电容Cd与扩散电阻Rd所组成的扩散极化环节的弛 豫时间τd的线性函数:
τd,k=αtk+β
式中:α与β是用来表征线性关系的系数;
将上述线性函数代入传统二阶等效模型中,获得关于电池释放电压URLX的改进模型:
式中:OCV为电池的开路电压;t0为初始时刻;
对上述关于电池释放电压URLX的改进模型进行整理,获得关于待求变量所组成的向 量M=[OCVαβ]T的线性化表达式:
步骤三、将步骤一中获得的n个开路时间tk与电压值URLX,k分别代入步骤二获得的 线性化表达式,并联立组成关于待求变量的线性超定方程组:
Y=XM;
其中:
然后利用M=[XT X]-1XTY对待求变量的线性超定方程组进行求解,获得关于开路电 压OCV在内的各待求变量的解,将开路电压OCV的解作为最终的估计值,实现对电池 开路电压的估计。
由于本发明只用到了电池在开路状态下的开路时间与电池电压值,所以本发明的使 用不依赖于先进的测试设备,也不依赖于任何前期特性实验,同时方法适用于各种工况条 件与温度条件。
以下用具体的实验对本发明的效果进行验证:
对磷酸铁锂电池进行各种工况与温度的实验,包括:
(a)在30℃下,以2C的电流由SOC=1放电至SOC=0.9;仿真结果如图2所示;
(b)在30℃下,以FUDS循环工况由SOC=0.9工作至SOC=0.7;仿真结果如图 3所示;
(c)在50℃下,以0.5C的电流由SOC=0.7放电至SOC=0.4;仿真结果如图4所 示;
(d)在10℃下,以0.5C电流由SOC=0.4放电至SOC=0.3;仿真结果如图5所示;
(e)在30℃下,以1C电流由SOC=0.3充电至SOC=0.5;仿真结果如图6所示;
(f)在30℃下,以1C电流由SOC=0.5充电至SOC=0.8;仿真结果如图7所示。
各实验过程曲线的测量结果如图1所示,其中:111、121、131、141、151和161为 电流曲线,112、122、132、142、152与162为电压曲线。
对各实验电池开路后的电压及对应的开路时间以2s为周期进行采集,得到图2至图 7中201、301、401、501、601与701六条电压数据曲线。
采用实验的前20min数据带入到X,Y中。
再利用M=[XT X]-1XTY得到向量M的值。取M的第一个变量即为方法估计得到的 开路电压值,如图2至图7中的203、303、403、503、603与703所示。同时,M的其 他两个变量α和β值也分别在图2至7中给出。
为了分析新方法估计的准确性,这里通过长时间静置而获得了开路电压的真实值,分 别如图2至7中202、302、402、502、602与702所示。
对比六个实验所得到的估计值与真实值,20分钟内的误差分别为:(a)0.3mV,(b)-0.7 mV,(c)0.9mV,(d)-1.7mV,(e)0.6mV与(f)0.5mV。而使用传统等待方法的误差分别为: (a)–3.2mV,(b)-9.6mV,(c)–2.6mV,(d)-18.4mV,(e)4.9mV与(f)4.1mV。
通过以上实验,充分印证了新方法的可行性与估计结果的准确性。
机译: 一种用于估计二次电池的充电状态的方法,用于估计二次电池的充电状态的系统,以及用于二次电池的异常检测方法
机译: 一种用于估计二次电池的充电状态及其方法的装置
机译: 一种估计二次电池电容的方法