一种锂离子电池组中单体电池容量估算方法与流程

本发明属于车用及储能动力电池技术领域，主要涉及一种锂离子电池组中单体电池容量的估算方法。

背景技术：

随着国家大力倡导新能源，电动汽车的发展异军突起，成为替代传统燃油车辆的最佳选择。锂离子电池作为电动汽车的心脏，对电动汽车的行驶里程和功率特性起着决定性作用。电池容量是衡量电池性能的一个重要指标，也是决定电动汽车行驶里程的重要因素之一。由于电动汽车对电池能量的需求，用于电动汽车的电池都是通过大量单体电池并联和串联而成的电池组形式，因此，能够了解锂离子电池组的可用容量对于汽车电池管理而言至关重要。

由于锂离子电池组中各单体电池之间存在不一致性，因此锂离子电池组的可用容量与单体电池可用容量之间存在差异。当锂离子电池组中某只电池达到充电截止电压时，锂离子电池组充电结束，此时锂离子电池组充入的电量即为锂离子电池组的充电容量，此时，其他没有达到充电截止电压的电池只充入了部分电量，导致充电电压高端部分容量不可用；类似地，当锂离子电池组中某只电池达到放电截止电压时，锂离子电池组放电结束，此时锂离子电池组放出的电量即为锂离子电池组的放电容量，此时，其他没有达到放电截止电压的电池只放出了部分电量，导致放电电压低端部分容量不可用。如此以来，势必造成锂离子电池组的容量浪费。因此，在使用过程中需要对锂离子电池组进行均衡管理，而均衡策略的制定是基于单体电池容量和单体电池剩余容量(soc)状态进行的，由此可知，了解单体电池之间容量差异至关重要，换句话说，掌握锂离子电池组中单体电池容量对于制定锂离子电池组均衡策略有着重要的指导意义。

目前，对于单体电池的容量估计和soc估计的研究很多，但是由于单体电池的不一致性，成组后的可用容量与成组前相比存在一定差异，因此，根据单体电池容量估计的方法进行锂离子电池组容量估计是不可取的。为达到电动汽车上电池能量最大化利用，需要掌握每个单体电池容量，从而为制定锂离子电池组的均衡策略奠定基础。

技术实现要素：

为解决上述动力电池应用中的技术问题，在本发明专利中，提出了一种锂离子电池组中单体电池容量估算方法，包括以下步骤：

s1：将锂离子电池组中最先充满电的单体电池作为基准电池，根据基准电池的充、放电曲线计算基准电池的近似q-ocv曲线qv0；

s2：根据第i只待估容量单体电池的充、放电曲线计算待估容量单体电池的近似q-ocv曲线qvi；

s3：分别对qv0和qvi进行微分计算，得到基准电池的容量微分曲线d0和待估容量单体电池的容量微分曲线di，将d0和di归一化后，对di进行平移使di与d0重合；

s4：记录di中充电截止时刻的近似ocv值ocvi(曲线终点值)；

s5：根据曲线qv0计算基准电池的近似soc-ocv曲线s0；

s6：在曲线s0中确定与ocvi对应的soc值soci；

s7：根据第i只待估容量单体电池的部分放电容量qi和soci计算第i只待估容量单体电池的实际容量qir。

在上述方案的基础上，所述锂离子电池组中包含n只单体电池，n≥2，且为整数。

在上述方案的基础上，所述锂离子电池组中的电池可以为新电池，也可以为经历过相同老化路径的梯次利用电池，或者是使用过一段时间的旧电池。

在上述方案的基础上，所述基准电池的近似q-ocv曲线qv0由基准电池的充、放电曲线以及充放电倍率计算而得；假设电池的充电倍率为mc，放电倍率为nc，基准电池充电曲线中某一时刻t时的电压值为vtc，放电曲线中相同时刻的电压值为vtd，则近似ocv值的计算公式为ocv(v)＝vtc-[m/(m+n)]×(vtc-vtd)＝vtd+[n/(m+n)]×(vtc-vtd)，其中，m∈(0,k1]，n∈(0,k2]，k1、k2分别为电池的最大允许充电倍率和最大允许放电倍率。

在上述方案的基础上，步骤s2中所述待估容量单体电池的近似q-ocv曲线qvi的计算和获取方法与基准电池的近似q-ocv曲线qv0的计算和获取方法相同。

在上述方案的基础上，所述锂离子电池组首先放电至单只单体电池到达放电截止电压，再充电至单只单体电池到达充电截止电压，然后对每只单体电池放电至放电截止电压。

在上述方案的基础上，所述最先到达放电截止电压的单体电池和最先到达充电截止电压的单体电池不一定是同一只电池。

在上述方案的基础上，所述步骤s3中所述容量微分曲线通过多种微分计算方式获取，包括但不限于直接求导、电压插值等。

在上述方案的基础上，所述di的归一化包括峰强和峰位置的归一化。

在上述方案的基础上，步骤s5中当基准电池电压达到充电截止电压后，附加一个对每只待估容量单体电池放电至2.5v截止电压的步骤，由此可得基准电池的实际放电容量q0和待估容量单体电池的部分放电容量qi，基于基准电池的实际放电容量q0将qv0曲线中的容量q转化为soc，假设t时刻基准电池的容量为qt，则该时刻对应的soc值soct＝qt/q0×100％，得到基准电池的soc-ocv曲线s0。

在上述方案的基础上，步骤s7中利用第i只待估容量单体电池的部分放电容量qi和soci估算待估容量单体电池的实际容量qir，计算公式为qir＝qi/soci；此外，还可以基于soc-ocv曲线，采用δq/δsoc的思想计算待估容量单体电池的实际容量qir，qir＝δq/δsoc，δq为ocv区间两端点对应的电池容量之差，δsoc为ocv区间两端点对应的soc之差。

在上述方案的基础上，所述δsoc不限于[0,soci]，可以是此区间内的任何一个子区间；优选地，soc区间在10％-95％之间选取。

在上述方案的基础上，所述锂离子电池组的电池类型为现有各种商用锂离子电池，包括负极为石墨，正极为钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元的电池，还包括负极为钛酸锂，正极为以上各种材料的电池，但不限于这几类电池。

本发明的有益效果如下：

本发明专利的提出，将单体电池容量估计的方法应用到锂离子电池组中，实现了锂离子电池组中单体电池的容量估算，对电动车用锂离子电池的均衡策略制定奠定了良好的基础，具有很重要的现实意义，此发明方法可以用于电池组在循环过程中处于不同老化阶段时的单体电池容量估算。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明；

图1为本发明的锂离子电池组中单体电池容量估算方法的流程图；

图2为本发明实施例的基准电池的近似q-ocv曲线图；

图3为本发明实施例的待估容量单体电池的近似q-ocv曲线图；

图4为本发明实施例的基准和待估容量单体电池的微分容量曲线图；

图5为本发明实施例的基准和待估容量单体电池的微分容量曲线归一化图；

图6为本发明实施例的基准电池的近似soc-ocv图；

图7为本发明实施例的容量估算结果图；

图8为本发明实施例的容量估算的相对误差图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1所示为根据本发明的锂离子电池组中单体电池容量估算方法的流程图。本发明的思想基于锂离子电池组中n只单体电池经历的老化路径相同，且各单体电池的soc-ocv曲线一致的假设，认为组成锂离子电池组的各单体电池处于相同soc状态时的ocv也相同，即锂离子电池组中各单体电池之间的soc-ocv曲线能够重合，认为内阻不一致性对该曲线影响不大。对于不重合的情况，可以通过归一化或平移的方式实现重合。

在本发明的实施例中，锂离子电池组中包含n只基本处于相同老化状态的单体电池，包括以下步骤：

s1：将锂离子电池组中最先充满电的单体电池作为基准电池，根据基准电池的充、放电曲线计算基准电池的近似q-ocv曲线qv0。

图2所示为本发明实施例的基准电池的近似q-ocv曲线图，将锂离子电池组中最先充电到充电截止电压的单体电池作为基准电池，横坐标为基准电池的容量，将充电截止时刻与放电起始时刻的容量对齐，通过充放电倍率或电流计算得到基准电池近似的ocv值，之所以说是近似ocv值，是因为由此方法得到的并非基准电池真实的ocv，而是忽略内阻不一致和极化不同的影响得到的近似开路电压。假设电池的充电倍率为mc，放电倍率为nc，基准电池充电曲线中某一时刻t时的电压值为vtc，放电曲线中相同时刻的电压值为vtd，则近似ocv值的计算公式为ocv(v)＝vtc-[m/(m+n)]×(vtc-vtd)＝vtd+[n/(m+n)]×(vtc-vtd)，其中，m∈(0,k1]，n∈(0,k2]，k1、k2分别为电池的最大允许充电倍率和最大允许放电倍率。假设已知电池的充电电流或放电电流，可将电流转换成充放电倍率，然后按照上式计算近似ocv值。

s2：根据第i只待估容量单体电池的充、放电曲线计算待估容量单体电池的近似q-ocv曲线qvi。

图3为本发明实施例的待估算容量单体电池的近似q-ocv曲线图qvi，横坐标为待估容量单体电池的容量，待估容量单体电池qvi的计算和获取方法与基准电池的近似q-ocv曲线图的计算和获取方法相同，只是式中的vtc和vtd分别为待估算容量单体电池充电和放电曲线中在时刻t时对应的电压值，如果没有特别说明，其余参数与基准电池并无差别。

s3：分别对qv0和qvi进行微分计算，得到基准电池的容量微分曲线d0和待估容量单体电池的容量微分曲线di，将d0和di归一化后，对di进行平移使di与d0重合。

由于电池充放电过程中仪器数据记录存在误差，或者单体电池之间的不一致也会带来误差，因此，需要对近似ocv值进行校正，采用曲线微分-归一化-平移法。

图4为本发明实施例的基准和待估容量单体电池的微分容量曲线图，在本发明中，微分容量曲线图的获取方法有很多，包括直接对qv0和qvi进行求导计算，还包括利用电压插值的方法计算求得，插值电压间隔范围取值δv为1mv～10mv，优选地，δv取[2mv,5mv]；以上只是举例说明可以使用求导或电压插值法求微分容量曲线，但并不限于这两种方法。

由于不同单体电池之间容量存在差异，因此微分曲线的峰强和峰面积也会有所差别，因此，需要将待估容量单体电池和基准电池的容量微分曲线进行归一化，可以选定曲线中的任意一个峰的峰强作为归一化的基准，优选地，是按照最强峰的峰强进行归一化，使最强峰的峰强均转换为1，其余峰的峰强相应按照比例发生变化。为了减小数据记录和电池不一致性带来的误差，还需要将待估容量单体电池归一化的微分容量曲线进行左右平移，使其与基准电池的微分容量曲线重合，判定重合的标准为微分容量曲线中峰中心位置完全重合，图5为本发明实施例中待估容量单体电池归一化的微分容量曲线与基准电池重合后的效果图。

s4：记录di中充电截止时刻的近似ocv值ocvi(曲线终点值)。

由于基准电池为锂离子电池组中最先充电到充电截止电压的电池，当基准电池到达充电截止电压时，其余电池尚未达到充电截止电压，因此，电池组中其余单体电池的近似ocv值小于基准电池的近似ocv值，也就是说，在归一化后的微分容量曲线中，待估容量单体电池充电截止时的近似ocv值(ocvi)小于基准电池充电截止时的近似ocv值(ocv0)，记录待估容量单体电池di曲线中充电截止时刻的近似ocv值ocvi，即曲线终点值。

s5：根据曲线qv0计算基准电池的近似soc-ocv曲线s0。

图6为本发明实施例的基准电池的近似soc-ocv图，因为基准电池在充电过程已充电至充电截止电压，因此，可以认为基准电池充电截止时为100％soc。在本实施例中，当锂离子电池组中某只单体电池(基准电池)电压达到充电截止电压后，附加一个对每只待估容量单体电池放电至2.5v截止电压的步骤，由此可得基准电池的实际放电容量q0和待估容量单体电池的部分放电容量qi，基于基准电池的实际放电容量q0，可以将qv0曲线中的容量q转化为soc，假设t时刻基准电池的容量为qt，则该时刻对应的soc值soct＝qt/q0×100％，得到基准电池的soc-ocv曲线，记为s0。

s6：在曲线s0中确定与ocvi对应的soc值soci。

步骤s5得到的soc-ocv曲线中ocv随soc增加呈现单调递增的关系，可以看出，ocv与soc是一一对应的，给定一个ocv值，则有唯一的一个soc值与之相对应。在步骤s4中提到，待估容量单体电池在充电截止时刻的近似ocv值小于基准电池在相同时刻的近似ocv值，基于锂离子电池组中不同单体电池之间soc-ocv曲线一致的假设，步骤s4中确定的ocvi在步骤s5中得到的soc-ocv曲线s0中能到找到与之对应的一个soc值，记为soci，需要说明的是，soci＜100％。

s7：根据第i只待估容量单体电池的部分放电容量qi和soci计算第i只待估容量单体电池的实际容量qir。

在本实施例中，可以利用第i只待估容量单体电池的部分放电容量qi估算待估容量单体电池的实际容量qir，计算公式为qir＝qi/soci。基于soc-ocv曲线，可以采用δq/δsoc的思想计算电池的实际容量。在本实施例中，还选取了充电过程中的不同ocv区间(或soc区间)和容量变化来估算电池的实际容量，不同区间的代码分别表示为数字1-7。

具体实施方式为，在步骤s4中选取di曲线部分区间，记录区间起点和终点的近似ocv值，记为ocvi1和ocvi2。由于充电开始前并非每只单体电池都达到了放电截止电压，因此，充电起始时刻各单体电池的近似ocv值也不尽相同，为保证容量估算所选区间的可靠性，近似ocv值的范围应在3.0v～ocvi之间；在步骤s6中确定分别与ocvi1和ocvi2对应的soci1和soci2值；同时确定分别与ocvi1和ocvi2对应的容量值qi1和qi2值；根据上述各值估算第i只待估容量单体电池容量，计算公式为qir＝δqi/δsoci，其中，qir为第i只待估容量单体电池的实际容量，δqi为区间[ocvi1,ocvi2]两端点对应的电池容量之差，δsoci为区间[ocvi1,ocvi2]两端点对应的电池soc之差，δqi＝qi2-qi1，δsoci＝soci2-soci1。

需要说明的是，如果没有特殊说明，用来估算电池容量的ocv区间或soc区间可以任意选取。

图7和图8为根据本发明实施例的容量估算结果图和容量估算的相对误差图，结果表明，磷酸铁锂电池组中单体电池的估算容量和实验数据具有高度的一致性，相对误差基本小于2％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术和名词。