一种锂离子电池荷电状态估计方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及锂离子电池荷电状态估计方法。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池荷电状态(State of Charge，S0C)经常被用来表征电池的剩余可用电 量，定义为电池剩余电量与电池额定容量的百分比。准确及时地估计电池荷电状态对电池 的安全、高效利用具有重大意义。电池荷电状态不能直接测量，必须经由与荷电状态相关的 电池外特性参数(如电压、电流、内阻等)间接获取。
[0003] 现有的锂离子电池荷电状态估计方法中，完全放电实验法虽然估计精度高，但不 可作为电池实时在线估计方法，只能作为实验室估计方法;计时电流法(安时法)操作简单， 易于实现，但初始荷电状态值选取不当以及电流测量的不精确使得电池荷电状态估计的误 差较大，且这一误差会逐渐累积，导致估计误差过大;阻抗法需要电池长时间静置达到稳定 状态，且测试仪器成本高，荷电状态与阻抗的非线性关系选择不当会引入较大误差，无法满 足在线应用；最新出现的模型法与估计算法(如卡尔曼滤波算法、粒子滤波算法等)结合的 方法中，多数无法考虑电池在充放电过程中内部复杂的电化学反应机理，采取线性化近似 处理电池充放电的非线性特性，引入了较大误差，且大量的计算也对微处理器提出了较高 的要求，增加了估计成本;开路电压法的原理是根据开路电压与荷电状态的关系曲线，测定 电池的开路电压，再根据查表法等读取电池荷电状态值，其估计精度较高，但传统的开路电 压法需要将电池静置数小时达到稳定状态，耗时过长，不适于实时应用。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决现有开路电压法估计电池荷电状态耗时长及不适于在线实时 应用的问题，而提出的一种锂离子电池荷电状态估计方法。
[0005] -种锂离子电池荷电状态估计方法按以下步骤实现：
[0006] 步骤一:开路电压-荷电状态数据库的获取；
[0007] 步骤二:开路电压拟合公式的获取：
[0008] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)
[0009] 其中所述U(t)为电池非平衡态的端电压，γ为电池的稳态开路电压，a，b，c，d为拟 合参数，t为时间；
[0010]步骤三:获取电池终止工作后端电压随时间变化的数据；
[0011 ]步骤四：根据步骤二和步骤三得到公式⑴中的γ值；
[0012] 步骤五:根据步骤四获得的γ值和步骤一获得的开路电压-荷电状态数据库，得到 电池的荷电状态。
[0013] 发明效果：
[0014] 本发明从电池工作的电化学基本原理出发，获得的开路电压估计方法具有普适通 用、快速准确、可实时应用的特性，易于植入嵌入式电池管理系统估计荷电状态，只需几分 钟之内的实验数据即可拟合获得精度达到99%荷电状态估计值，耗时长度至少缩小了约两 个数量级，大大改善了现有开路电压法估计荷电状态需要耗时数小时的缺点，实用性较强， 能够满足现有设备的需求。且开路电压的估计公式对由任何电极材料组成的电池，在οι 00 % 的荷 电状态 范围内 、在保证电池安全操作的温度范围 及放电 倍率条件下均适用。
【附图说明】
[0015] 图1为锂离子电池开路电压-荷电状态的关系曲线图；
[0016] 图2为锂离子电池拓扑结构示意图；Li为金属锂，Μ为过渡金属，0为氧，C6为石墨，f 为电子，下标X代表氧原子数；
[0017] 图3为电流中断后电池端电压随时间的变化曲线图；
[0018] 图4为拟合300s范围内的实验数据获得的拟合结果与实验结果对比图；
[0019] 图5为拟合600s范围内的实验数据获得的拟合结果与实验结果对比图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0020] 一:一种锂离子电池荷电状态估计方法包括以下步骤：
[0021] 步骤一:开路电压-荷电状态数据库的获取；
[0022] 步骤二:开路电压拟合公式的获取：
[0023] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)
[0024] 其中所述U(t)为电池非平衡态的端电压，γ为电池的稳态开路电压，a，b，c，d为拟 合参数，t为时间；
[0025]步骤三:获取电池终止工作后端电压随时间变化的U (t)数据；
[0026] 步骤四：根据步骤二和步骤三得到公式(7)中的γ值；
[0027] 步骤五:根据步骤四获得的γ值和步骤一获得的开路电压-荷电状态数据库，得到 电池的荷电状态。即根据获得的γ值，查表开路电压-荷电状态数据库，即可获得电池荷电 状态估计值。
【具体实施方式】 [0028] 二:本实施方式与一不同的是:所述步骤一中开路电 压-荷电状态数据库的获取的具体过程为：
[0029]使电池在预设温度条件下静置lh-3h后，用C/100-C/10的倍率全充放循环两次，记 录电池端电压和充放电容量值，对容量值进行归一化处理，获得电压-荷电状态数据，由于 倍率非常小，所以充放电过程中的极化可以认为近似相等，由公式(1)获得电池开路电压公 式(2)，即将充电电压和放电电压取平均，获得的电压值作为电池平衡态的开路电压值，最 终获得开路电压-荷电状态数据库如图1所示；
[0030] 其中所述预设温度为-30°C-6(TC;
[0031] ⑴
[0032] (2)
[0033] 其中所述V。为充电电压，Vdis为放电电压，Vo为稳态电压，I为电流，Ri为阻抗。
[0034]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述步骤二中稳 态开路电压拟合公式的获取过程为：
[0035] (1)如图2所示，设计锂离子电池，所述电池由正极、负极、隔膜和电解液组成；
[0036] (2)采用有限元法将锂离子电池分割为s段，s取值为视每一段内电池的各个物 理化学性质相同，中断外置电路时，电池终止工作，电池内部没有净电流，电池端电压的缓 慢恢复过程主要受温度、带电粒子浓度及扩散等因素影响；
[0037] (3)在相邻两段之间设计电极反应，电极反应电势符合Nernst方程，即公式(3);由 于电池内部各个界面上的带电粒子浓度在不断变化，界面之间的离子浓度梯度也变随时间 不断变化，所以认为活度<^(〇是时间的函数；
[0038]
(3)
[0039] 其中ai为粒子活度，ai(t)为时间的函数，Ei(t)为电极反应电势，Ei'为形式电势，R 为气体常数，T为温度，F法拉第常数，η为电极反应电子转移数目，Cl(t)为第i段粒子浓度；
[0040] 电池的端电压等于电池两端电极反应电势的差值；
[0041]
(4)
[0042] (4)根据对数函数的性质，电池终止放电后，电池端电压的弛豫恢复过程符合公式 (5)；
[0043] U(t)= γ-δ(?)-β(?) 1ηλ(?) (5)
[0044] S(t)、i3(t)和A(t)是时间t的函数0(t)、i3(t)和A(t)为中间变量）；
[0045] (5)设置公式(5)中S(t)、iKt)和A(t)得到公式(6);
[0046]
C6)
[0047] 将公式(6)代入公式(5)获得电池终止放电后开路电压拟合公式(7)
[0048] U(t)= γ-a · tb-c · tdln(t) (7)。
【具体实施方式】 [0049] 四：本实施方式与一至三之一不同的是:所述步骤三 中获取电池终止工作后随时间变化的U(t)数据的具体过程为：
[0050] 电池终止工作后，外电路电流为0,电压的弛豫过程表现为电压逐渐变大，直至达 到稳态，采用电池测试设备获取电池端电压随时间的变化数据。
【具体实施方式】 [0051] 五:本实施方式与一至四之一不同的是:所述步骤四 中得到公式(7)中的γ值的具体过程为：
[0052] 采用最小二乘法辨识方法，当公式(8)中的Ε达到最小值时拟合获得公式(7)中的 γ值，即为电池的稳态开路电压值;拟合过程为将步骤三获取的U(t)数据，输入数据处理器 对数据进行拟合，若拟合相关系数R2 99%则停止拟合，获得电池稳态时的开路电压值，否 则继续测量电压值，增