本發(fā)明涉及電池儲能技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法。

背景技術(shù)：

電池儲能技術(shù)能夠有效提高電能質(zhì)量，同時逐步降低汽油等燃料在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用。如何合理使用電池，充分利用電池，延長電池使用壽命，是其進(jìn)一步發(fā)展必須解決的問題。荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)用于衡量電池在使用過程中產(chǎn)生的容量變化，是電池儲能系統(tǒng)控制管理及能量平衡的基礎(chǔ)。

早期的電池荷電狀態(tài)SOC主要使用電池工作過程中的工作電壓，表征電池所處的工作狀態(tài)。然而，隨著現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展，僅僅考慮電壓參數(shù)已經(jīng)不能滿足足夠的估算精度。例如，電動汽車能量系統(tǒng)的良好的控制策略，電池組之間的不一致性，以及為后續(xù)能量管理控制策略和動力總成的控制等均需要有良好的荷電狀態(tài)估算作為支撐。

安時積分法是電池儲能領(lǐng)域荷電狀態(tài)估算中應(yīng)用最廣的一種方式，但面臨初始荷電狀態(tài)SOC₀難以確定，誤差累積等弊端。開路電壓法是目前確定初始荷電狀態(tài)最經(jīng)濟(jì)和最簡單的方式，從而得到廣泛的應(yīng)用，但其缺乏高精度的初始荷電狀態(tài)，以及未考慮溫度影響等參數(shù)，限制了其荷電狀態(tài)估算精度的進(jìn)一步提高。

急需一種簡單且充分考慮溫度及使用工況等因素的鋰電池初始荷電狀態(tài)SOC₀估算方法，能夠?qū)崟r對SOC₀進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高估算精度，為電池管理以及儲能裝置能量管理和控制策略提供準(zhǔn)確的管理參量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法，以提高初始荷電狀態(tài)的估算精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

一種鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法，包括步驟：

通過脈沖充電和脈沖放電及靜置過程，獲得電池開路電壓與荷電狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，得到曲線擬合關(guān)系式；

對電池模型進(jìn)行動態(tài)分析，將電池工況分為放電、放電靜置、充電、充電靜置四個階段，獲得其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，通過系統(tǒng)參數(shù)辨識，獲得二階雙極化電池模型參數(shù)的數(shù)值；

通過電池模型，用最小二乘算法進(jìn)行曲線擬合，獲得充放電工況下SOC與歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻之間的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式；

對比充放電工況下的靜止時間，通過最小二乘算法的數(shù)學(xué)擬合，建立含荷電狀態(tài)SOC、靜置時間t和開路電壓u之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式；

采用快速溫度變化試驗(yàn)箱模擬使用工況溫度，分析電池開路電壓隨溫度的變化趨勢，獲得開路電壓與溫度變化之間的關(guān)系，對SOC₀公式進(jìn)行修正。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法，充分考慮溫度、靜置時間、開路電壓等因素對鋰離子電池初始荷電狀態(tài)SOC₀的影響，實(shí)時對SOC₀進(jìn)行補(bǔ)償，有效提高估算精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法的流程示意圖；

圖2為初始荷電狀態(tài)估算裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為二階雙極化電池模型示意圖；

圖4為本發(fā)明鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法中多個因素的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

本發(fā)明鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法，如圖1所示，包括步驟：

步驟s101、通過脈沖充電和脈沖放電及靜置過程，獲得電池開路電壓與荷電狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，得到曲線擬合關(guān)系式；

步驟s102、對電池模型進(jìn)行動態(tài)分析，將電池工況分為放電、放電靜置、充電、充電靜置四個階段，獲得其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，通過系統(tǒng)參數(shù)辨識，獲得二階雙極化電池模型參數(shù)的數(shù)值；

步驟s103、通過電池模型，用最小二乘算法進(jìn)行曲線擬合，獲得充放電工況下SOC與歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻之間的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式；

步驟s104、對比充放電工況下的靜止時間，通過最小二乘算法的數(shù)學(xué)擬合，建立含荷電狀態(tài)SOC、靜置時間t和開路電壓u之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式；

步驟s105、采用快速溫度變化試驗(yàn)箱模擬使用工況溫度，分析電池開路電壓隨溫度的變化趨勢，獲得開路電壓與溫度變化之間的關(guān)系，對SOC₀公式進(jìn)行修正。

在步驟s102中，可以通過初始荷電狀態(tài)估算裝置對電池模型進(jìn)行動態(tài)分析，如圖2所示，所述估算裝置包括電池測試模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。通過數(shù)據(jù)分析模塊控制電池測試模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。通過電池測試模塊設(shè)置電池充放電條件，控制充放電工況，并進(jìn)行過充過放保護(hù)。通過數(shù)據(jù)采集模塊獲得電池電壓、電流和溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析模塊完成電池模型動態(tài)分析和系統(tǒng)參數(shù)識別。

下面對本發(fā)明鋰電池初始荷電狀態(tài)的多因素估算方法的5個步驟，詳細(xì)介紹如下。

1、通過脈沖充放電及靜置過程，獲得電池開路電壓與荷電狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系，得到曲線擬合關(guān)系式。

所述的脈沖放電，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：(1)將電池按照恒流0.3C充電，至電池達(dá)到飽和電壓3.65V(以磷酸鐵鋰電池為例)；(2)轉(zhuǎn)為恒壓3.65V充電，直至充電電流小于0.02C，保證電池處于容量飽和狀態(tài)；(3)將電池按照0.03C恒流放電，每次放掉額定容量的10％；(4)停歇半個小時以上，讓電化學(xué)極化和濃差極化充分消失；(5)重復(fù)(3)-(4)，直至電池達(dá)到放電截止電壓。

所述的脈沖充電，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：(a)將電池按照恒流0.2C充電，每次充入額定容量的10％；(b)靜置半個小時以上，使電化學(xué)極化和濃差極化現(xiàn)象消失，記錄此時電池的開路電壓；(c)重復(fù)(a)-(b)，直至達(dá)到電池充電截止電壓3.65V。

所述的放電過程電池開路電壓與荷電狀態(tài)曲線擬合關(guān)系式為：

公式(1)所述的b為拐點(diǎn)因子，所述的p為功率因子。p表征了過拐點(diǎn)處b做一條斜率曲線后的面積。

2、對二階雙極化電池模型進(jìn)行動態(tài)分析，計算電池松弛效應(yīng)時間。通過初始荷電狀態(tài)估算裝置對電池模型進(jìn)行動態(tài)分析，將電池工況分為放電、放電靜置、充電、充電靜置四個階段，獲得其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式，通過系統(tǒng)參數(shù)辨識，獲得二階雙極化電池模型參數(shù)的數(shù)值。

所述的電池模型動態(tài)分析，以放電過程為例，關(guān)系式如(2)：

公式(2)及圖3所述的R₀為電池的歐姆電阻，R_k為電池的電化學(xué)極化電阻，R_d為濃差極化電阻，C_k是電化學(xué)極化電容，C_d為電池的濃差極化電容。V_t為電池端電壓，V_oc為電池正極與負(fù)極處于平衡狀態(tài)時兩者之間的電位差。τ_k，τ_d分別是并聯(lián)組件的時間常數(shù)。

所述的充放電工況下SOC與歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻等模型參數(shù)之間的關(guān)系，隨著荷電狀態(tài)的上升，歐姆內(nèi)阻下降，放電過程電池歐姆電阻明顯大于充電過程。隨著SOC的減小，電化學(xué)極化內(nèi)阻不斷下降。充電時的最大電化學(xué)極化內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于放電工況。充電時，濃差極化內(nèi)阻隨著SOC的增加逐漸下降。放電時，濃差極化內(nèi)阻隨著SOC的增加逐漸上升。

3、通過電池模型，用最小二乘算法進(jìn)行曲線擬合，獲得充放電工況下SOC與歐姆內(nèi)阻、電化學(xué)極化內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻等模型參數(shù)之間的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式。

4、對比充放電工況下靜止時間。以放電工況為例，脈沖放電工況下，停歇時間分別為5s，1min，5min，15min，30min，得到電池開路電壓與SOC之間的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池開路電壓波動不大，他們的擬合曲線參數(shù)相差不大。(a)根據(jù)所得到的5s，1分鐘，5分鐘和30分鐘工況下的，三條端電壓與荷電狀態(tài)SOC之間的關(guān)系曲線，采用最小二乘算法擬合的方式，分別得到相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)公式。(b)根據(jù)所得到的表達(dá)式中的關(guān)鍵性參數(shù)A，B，C，D進(jìn)行最小二乘算法曲線擬合，得到上述四個主要參數(shù)隨時間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。(c)將上述得到的數(shù)學(xué)表達(dá)式代入(a)中所確定的數(shù)學(xué)函數(shù)，即可得到放電工況下任意靜置時間點(diǎn)下的荷電狀態(tài)SOC估算。

通過最小二乘算法的數(shù)學(xué)擬合，建立含荷電狀態(tài)SOC，靜置時間t和開路電壓u之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，在5s，1分鐘，5分鐘和30分鐘下的荷電狀態(tài)與其余參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式見式見(3)-(7)。

荷電狀態(tài)SOC，靜置時間t和端電壓u之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式：

靜置時間5s放電工況下開路電壓估算荷電狀態(tài)SOC經(jīng)驗(yàn)公式：

靜置時間1min放電工況下開路電壓估算荷電狀態(tài)SOC經(jīng)驗(yàn)公式：

靜置時間5min放電工況下開路電壓估算荷電狀態(tài)SOC經(jīng)驗(yàn)公式：

靜置時間30min放電工況下開路電壓估算荷電狀態(tài)SOC經(jīng)驗(yàn)公式：

通過公式(3)-(7)得到參數(shù)A,B,C,D與時間參量t(單位：min)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

A＝-0.1252t+97.109

B＝-0.0416t+85.901

C＝0.0007t+3.2827

D＝-0.0001t+0.0187 (8)

5、采用快速溫度變化試驗(yàn)箱模擬使用工況溫度，分析電池開路電壓隨溫度的變化趨勢，獲得開路電壓隨溫度變化之間的關(guān)系，對SOC₀公式進(jìn)行修正。

以SOC50％為例，實(shí)驗(yàn)步驟：(a)采用恒流恒壓模式將電池充電至飽和狀態(tài)；(b)采用恒定電流0.3C放電至指定的荷電狀態(tài)SOC點(diǎn)，靜置放置20小時左右，盡可能讓電池極化現(xiàn)象完全消失；(c)將電池放入快速溫度變化試驗(yàn)箱，將溫度調(diào)整至3℃，觀察此時開路電壓的變化趨勢，直至開路電壓穩(wěn)定；(d)待開路電壓穩(wěn)定后，逐漸升溫至15℃，觀察開路電壓的狀態(tài)變化，直至電壓穩(wěn)定，并維持半小時左右；(e)溫度繼續(xù)升高至25℃,35℃和45℃，觀察方法類似于3℃和15℃。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸鐵鋰電池的開路電壓受到環(huán)境溫度的影響，而且相互之間的呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性特性。開路電壓的溫度系數(shù)在SOC30％-SOC100％之間成正值，而在SOC0％-SOC30％之間成負(fù)值。選25℃時的電壓為基準(zhǔn)電壓，統(tǒng)一各個溫度點(diǎn)下電池的開路電壓。采用非線性擬合方式，將靜止時間、開路電壓和溫度作為自變量，初始荷電狀態(tài)SOC₀作為因變量，獲得SOC₀函數(shù)關(guān)系式如下。

其中，參數(shù)Δu(T)為開路電壓隨溫度變化的函數(shù)關(guān)系式。該方式在原先開路電壓法基礎(chǔ)上，添加了靜置時間、溫度對開路電壓的影響等因子后，將顯著提高初始荷狀態(tài)的估算精度，而且提高電池荷電狀態(tài)SOC和功率輸出的自由度。

上列詳細(xì)說明是針對本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的專利范圍中。