基于压力辅助计算锂金属电芯SOC及预测电芯寿命的方法与流程

基于压力辅助计算锂金属电芯soc及预测电芯寿命的方法
技术领域
1.本发明涉及锂电池技术，特别涉及一种基于压力辅助计算锂金属电芯soc及预测电芯寿命的方法。


背景技术：

2.荷电状态(soc)是指电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下电池总电量之比。动力电池的荷电状态(soc)的估计是电池管理系统重要的功能之一，对于电动汽车来说，精确的估计动力电池的soc是电动汽车剩余里程的估计、动力电池的容量估计和故障诊断等功能的基础。
3.在锂电池实际应用中，精准的soc值可以反应出用电设备的实际剩余工作时长，一旦soc测量出现异常容易导致用电设备无法最大程度的利用电池实际的有效容量，严重影响电池性能的发挥。在目前的电池管理系统中，soc的测量多是基于通过对应电池的端电压给出相应的soc数值的技术。这种方式足以测试一般锂离子电池的soc，但这种技术在锂金属电池中并不适用，由于锂金属电池的负极使用锂金属而不是石墨，导致电池的充电/放电平台更加平稳，也就是说在某一部分的soc区间内，电压数值变化过于微小难以有效的与实际soc相对应。而用电设备的正常工作区间在此范围之内，因此易在设备工作过程中发生soc误判，造成不必要的系统错误。
4.锂金属电池实际应该中往往需要长时间的续航能力，如果充电方式不合理，则会导致锂金属电池未达到期望电量，续航时间不足，直接影响锂金属电池使用寿命。
5.针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于压力辅助计算锂金属电芯soc及预测电芯寿命的方法，根据压力与容量的对应关系，进行锂金属电芯soc的精准测量，在不同的循环中，由于死锂的产生，相同电压对应不同的压力，压力数值的增大，反应出死锂的增加，从而有效评估锂金属电芯的健康状态，进而对锂金属电芯寿命进行预测。
7.本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
8.一种基于压力辅助计算锂金属电芯soc的方法，包括以下步骤：
9.s1、初始化过程中：让锂金属电芯从满放状态下充电至满充状态，并记录soc＝0时对应的压力值p0、soc＝1时对应的压力值p1，将得到的p1和p0带入至公式soc＝k*(p
1-p0),此时soc＝1，获得k值，并记录py＝p0；
10.s2、soc的测量：对锂金属电芯进行充放电循环，实时监测锂金属电芯的端电压并记为v
x
，当v
x
≥v
0.8
时，通过端电压给出soc值；当v
x＜v0.8
时，测量锂金属电芯的实时压力值并记为p
x
，根据公式soc
x
＝k*(p
x-py)计算得到soc
x
值，其中，py为锂金属电芯的初始压力或者重新标定的压力；
11.s3、重新标定py：实时监测锂金属电芯的剩余使用寿命s，当锂金属电芯的剩余使
用寿命s每减小50圈时，对py进行重新标定，即将锂金属电芯放电至soc＝0，记录压力值py。
12.作为优选，初始化过程中，在锂金属电芯的两侧设置夹板，通过夹板与锂金属电芯之间的压力传感器检测压力值。
13.作为优选，所述锂金属电芯与两个夹板之间分别设置有至少一个压力传感器，上述步骤中测量的压力值均为多个压力传感器同时测量所得数据的平均值。
14.作为优选，在步骤s2中，通过端电压计算soc的公式为soc＝(端电压-放电截止电压)/(充电截止电压-放电截止电压)。
15.一种预测电芯寿命的方法，包括以下步骤：
16.c1、初始化过程中，让锂金属电芯从满放状态下充电至满充状态，并记录soc＝0.8时对应的压力值p
0.8
和端电压v
0.8
；
17.c2、对锂金属电芯进行充放电循环，实时监测锂金属电芯的端电压并记为v
x
，当v
x
＝v
0.8
时，测量锂金属电芯的实时压力值并记为p
x0.8
，当p
x0.8
＞1.5*p
0.8
时，锂金属电芯降级使用，soc充电最大值设定为0.8；当p
x0.8
≤1.5*p
0.8
时，计算锂金属电芯的剩余使用寿命s，且锂金属电芯正常循环。
18.作为优选，在步骤c2中，锂金属电芯的剩余使用寿命s通过以下公式计算：s＝(1.5*p
0.8-p
x0.8
)/(p
x0.8-p
x-10.8
)，其中p
x0.8
为循环圈数为x时，soc＝0.8时的压力值，p
x-10.8
为循环圈数为x-1时，soc＝0.8时的压力值。
19.与现有技术相比，本发明的一种基于压力辅助计算锂金属电芯soc及预测电芯寿命的方法的优点在于：
20.(1)锂金属电芯中使用的锂负极与常规的石墨负极不同，它的工作原理是通过锂离子直接在负极表面进行沉积/溶解的方式来实现对于锂离子的储存。因此，不可避免的会产生锂金属电芯体积发生一定程度的形变，在实际锂金属电芯的使用过程中，使用在锂金属电芯外加固定夹板的方式对锂金属电芯进行控制。在充电过程中，夹板与锂金属电芯之间的压力会随着充电/放电过程，发生增加/减少，然后根据压力与容量的对应关系，使用压力传感器进行锂金属电芯soc的精准测量，方案成本低，精确性高。
21.(2)锂金属电芯在循环过程中，随着充放电的进行，在锂负极一侧会形成“死锂”，由于这些“死锂”的存在会使得锂金属电芯的厚度增加，在实际锂金属电芯的使用中因夹板的存在表现为两侧压力的增加。在充放电前段，由于锂金属电芯以锂作为负极，其工作电压变化数值小，难以通过电压变化来判断soc，使用本发明申请基于压力的方法来得出soc更为精准。
22.(3)在不同循环中，由于死锂的产生，相同电压会对应不同的压力。压力数值的增大，反应出死锂的增加，从而通过本发明申请准确对锂金属电芯的寿命进行预测计算。
23.(4)当因产生死锂而产生的压力增加超过一定数值后，判定锂金属电芯需要降级使用，即现在锂金属电芯的soc最大不超过80％，增加锂金属电芯系统的安全性。
附图说明
24.图1为本实施例中基于压力辅助计算锂金属电芯soc的方法的流程框图。
25.图2为本实施例中预测锂金属电芯寿命的方法的流程框图。
具体实施方式
26.以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
27.实施例1、
28.一种基于压力辅助计算锂金属电芯soc的方法，包括以下步骤：
29.s1、初始化过程中：让锂金属电芯从满放状态下充电至满充状态，并记录soc＝0时对应的压力值p0、soc＝1时对应的压力值p1，将得到的p1和p0带入至公式soc＝k*(p
1-p0),此时soc＝1，获得k值，并记录py＝p0；
30.s2、soc的测量：对锂金属电芯进行充放电循环，实时监测锂金属电芯的端电压并记为v
x
，当v
x
≥v
0.8
时，通过端电压给出soc值；当v
x＜v0.8
时，测量锂金属电芯的实时压力值并记为p
x
，根据公式soc
x
＝k*(p
x-py)计算得到soc
x
值，其中，py为锂金属电芯的初始压力或者重新标定的压力；
31.s3、重新标定py：实时监测锂金属电芯的剩余使用寿命s，当锂金属电芯的剩余使用寿命s每减小50圈时，对py进行重新标定，即将锂金属电芯放电至soc＝0，记录压力值py。
32.在步骤s2中，通过端电压计算soc的公式为soc＝(端电压-放电截止电压)/(充电截止电压-放电截止电压)。
33.初始化过程中，在锂金属电芯的两侧设置夹板，通过夹板与锂金属电芯之间的压力传感器检测压力值。具体地，锂金属电芯与两个夹板之间分别设置有一个压力传感器，上述步骤中测量的压力值均为两个压力传感器同时测量所得数据的平均值。
34.测试例：
35.组装ncm523/li的50ah电芯，使用充放电柜进行0.33c，3.0-4.3v充放电测试，充放电柜可以给出锂金属电芯在充放电过程中的电压变化与soc变化。
36.试验例1-3通过充放电柜给出的实际soc以及本技术的方法计算soc，通过在同一时间段，两者显示的soc差别，判断本专利申请的可行性。
37.对比例1-3通过充放电柜给出的实际soc以及通过充放电柜给出的端电压利用现有技术计算soc，并与试验例1-3进行对比。
[0038][0039]
可以看出，现有技术中仅利用端电压计算soc的方法，在一定时间段内，由于端电压波动过小，无法给出精确的soc值，而采用本技术中的soc计算方法，可以精确的计算出soc的值。
[0040]
实施例2、
[0041]
一种预测锂金属电芯寿命的方法，如图2所示，包括以下步骤：
[0042]
c1、初始化过程中，让锂金属电芯从满放状态下充电至满充状态，并记录soc＝0.8时对应的压力值p
0.8
和端电压v
0.8
；
[0043]
c2、对锂金属电芯进行充放电循环，实时监测锂金属电芯的端电压并记为v
x
，当v
x
＝v
0.8
时，测量锂金属电芯的实时压力值并记为p
x0.8
，当p
x0.8
＞1.5*p
0.8
时，锂金属电芯降级使用，soc充电最大值设定为0.8；当p
x0.8
≤1.5*p
0.8
时，计算锂金属电芯的剩余使用寿命s，且锂金属电芯正常循环。
[0044]
在步骤c2中，锂金属电芯的剩余使用寿命s通过以下公式计算：s＝(1.5*p
0.8-p
x0.8
)/(p
x0.8-p
x-10.8
)，其中p
x0.8
为循环圈数为x时，soc＝0.8时的压力值，p
x-10.8
为循环圈数为x-1时，soc＝0.8时的压力值。
[0045]
测试例：
[0046]
组装ncm523/li的50ah电芯，使用充放电柜进行0.33c,3.0-4.3v充放电测试，记录圈数与容量保持率，同时通过本专利申请中预测锂金属电芯寿命的方法进行剩余圈数的预测。
[0047] 循环圈数容量保持率预测剩余圈数是否p
x0.8
≤1.5*p
0.8
试验例410100％890否试验例590100％840否试验例6200100％763否试验例7300100％665否试验例840098％558否试验例950095％471否试验例1060091％358否试验例1170090％255否试验例1280088％157否试验例1390085％55否试验例1495681％0是
[0048]
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。