专利名称：一种锂离子动力蓄电池的电量校正和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种锂离子动力蓄电池的电量(SOC)校正和控制方法，适用于估算和修正混合电动车(HEV)用动力蓄电池的S0C，从而把SOC控制在最佳使用范围之内，避免电池的过充或过放现象。属于可充电锂离子动力电池技术领域
背景技术：
电动车(EV)及混合电动车(HEV)用蓄电池的发展使得人们对高能量和高功率的电池体系更加关注。制约高能量高功率电池实际应用的因素有单体电池性能一致性、高温性能、SOC的估算、实际运行寿命及价格等，其中SOC的估算关系到电池组的正确使用，影响电池组的实际运行寿命，因此是非常重要的参数。国内外曾提出过不少计量SOC的方法，但在实际电池运用上，由于使用环境(放电 倍率、温度等)的多变性和电池本身化学特性的改变(老化、自放电等)，使得估算SOC变得非常复杂。一些装置试图通过测量从电池中流出的电流和它使用的时间(安时积分法)估计剩余的电量。然而，这种方法并未能考虑电池的自然放电和使用时间较长的电池并不能充电到它的额定容量的100%。因此，出现了在安时积分法基础上辅以修正的方法估算SOC的方法。现先举例说明常用辅助估算SOC的方法，然后指出其局限性。在使用安时积分法的基础上使用的辅助修正方法，大致有以下两类。一、放电条件查表法以实验方法得到电池在不同放电电压、电流和温度时的SOC关系表，当实际系统以电池为电源时可根据电池的放电电压、电流和温度查表得知剩余容量。缺点是要做大量实验，同时没有考虑电池循环次数和自放电对SOC的影响。二、内阻校正法以实验测量电池内阻与温度和剩余容量的关系，系统可根据测量得到的电池内阻修正S0C。由于内阻反映了电池老化的因素，因此相对估算结果较准确。但精确测量内阻不容易，易干扰充放电的程序。对于锂离子电池，使用开路电压法可以由测得的开路电压根据电池的开路电压-SOC曲线直接得到对应的S0C，但该方法存在三个问题。(I)由于单体电池的一致性，每个电池的放电曲线都稍有不同，尤其是对于电池组中功率特性差一些的电池，用该方法估算SOC容易造成过充和过放。(2)对于放电曲线特别平缓的电池，例如用某些电极材料制成的锂离子电池，开路电压测量误差会导致很大的SOC估算误差。(3)电池开路电压的得到需要电池静置相当长的时间，若静置时间太长则电池不能正常使用，静置时间太短则电池不能达到稳定的开路状态，导致估算结果有很大的偏差。另外，由于HEV动力电池经常处在频繁充放电的使用环境下，因此电池的SOC要留有充放电的余量，避免过充过放；而且使电池的SOC稳定在50%左右也有利于延长电池寿命。
综上所述，针对现有报道中的SOC电量校正和控制方法存在的种种不足之处，本发明拟提供一种校正和控制方法，以克服现有技术存在的不足。
发明内容
本发明提供一种锂离子动力蓄电池的电量校正和控制方法，其特征在于它是用充电截止差值电压DELTA-VH修正电池电量(SOC)上限的校正和控制方法，用充放电电流、时间、电池温度以及电池端电压的差值电压确定电池的电量参数，当充电截止差值电压达到某一限定值时，即差值截止电压DELTA-VH时查差值电压数据库确定此时的电池电量，从而校正电池的当前电量。根据电池端电压，查截止电压数据库判断此时电池的循环次数当量或老化程度或健康状态。充电截止差值电压DELTA-VH是指将一个规定充电电流施加到电池中，周期采集电池的端电压，在第一周期采集第一端电压，在第二周期采集第二端电压，从第二端电压中减去第一端电压来确定的差值电压。所述周期是指数据的一个采样周期，或者多个采样周期。应用充电截止差值电压作为查询表(差值电压数据库)的索引，从中获得所述的电量参数。应用第二端电压作为查询表(截止电压数据库)的索引，从中获得所述的循环次数当量或老化程度或健康状态。所述的电量参数是电池的操作曲线以及操作 曲线上的点，其中循环次数当量是指电池或电池组使用的充放电循环次数的当量值，与电池充电截止的第二端电压有关。然后将这种信息显示给使用者以便使用者知道电池的最大容量和当前的电量。使用者做出该电池对于它所计划的项目是否足够的明智的判断。还可以通过一个受控的放电过程使SOC调整到HEV电池的最佳工作区间。还可以将该电量参数输出到另一过程中比如之后SOC估算以实现容量控制。应用第二端电压确定电池或电池组的循环次数当量、老化程度或健康状态的具体实施步骤如下I)先将电池以标准充电制度充电，控制电路周期测量电池的端电压，选择一个周期测得的电池端电压记为第一端电压，在第二周期中测得的电池端电压记为第二端电压，从第二端电压中除去第一端电压的值得到差值电压DELTA-L，直至差值电压DELTA-L达到充电截止差值电压DELTA-VH为止，记此时的第二端电压为VH。所述周期是指数据的一个采样周期，或者多个采样周期。所述标准充电制度为根据具体使用条件决定的某种充电制度，由一个温度值和一个充电倍率值组成，一般可取25 °C，以XC倍率充电(X取I，2，3……)。所述充电截止差值电压DELTA-VH的具体数值由电池或电池组的特性决定，由电池厂家提供。2)根据第二端电压，在截止电压数据库通过查表的方法得到在标准充电制度下电池或电池组的容量Qtl和电池或电池组此时的循环次数n或循环次数当量n',并修正当前SOC为100%。所述标准充电制度为根据具体使用条件决定的某种充电制度，由一个温度值和一个充电倍率值组成，一般可取25°C，以XC倍率充电(X取1，2，3……)。所述循环次数当量n'是指电池或电池组使用的充放电循环次数的当量值，与电池充电截止的第二端电压Vh有关，该关系事先由实验确定或由电池厂家提供的数据得到，并存储在截止电压数据库中。所述容量Qtl仅与循环次数n或循环次数当量n'及充电制度有关，该关系事先由实验确定或由电池厂家提供的数据得到。3)以标准放电制度放电，放出电量Q，使得SOCh > SOC > SOClo所述标准放电制度为根据具体使用条件决定的某种放电制度，由一个温度值和一个放电倍率值组成，一般可取25°C，以IC倍率放电。所述电量Q由公式Q = / Idt计算得出。所述SOC定义为SOC=(l-Q/Qc^lOO^。所述SOCdP SOQ分别是HEV用动力电池的最佳工作区间的上限和下限，一般可取SOCh = 70%, SOCl = 30%。SOC的具体数值一般可取为(S0Ch+S0Cl)/2。4)步骤I)至步骤3)构成一个完整的SOC校正和控制过程。5)在行车过程中通过安时积分法可以随时得知在标准充放电制度下的S0C。放电下限由放电截止电压'控制。所述放电截止电压' 的具体数值由电池或电池组的特性决定，一般由电池生产厂家提供。6)若驾驶员在行车过程中发现SOC经常达到充放电上下限，则说明经过一段时间的使用，平均SOC已经偏离了最佳工作区间，此时可以启动所述的SOC校正过程进行修正、 调整。本发明有几种不同的实施例。这些实施例包括将一个规定充电电流施加到电池中，周期采集电池的端电压。在第一周期采集第一端电压，在第二周期采集第二端电压，从第二端电压中减去第一端电压来确定差值电压，应用该差值电压查差值电压数据库来确定该电池的电量参数，以及输出该电量参数。另一种实施例是在第一周期测量第一端电压，在第二周期测量第二端电压，应用第二端电压以及第二端电压减去第一端电压的差值电压，应用该差值电压查差值电压数据库确定电池的电量参数，以及输出该电量参数。另一类实施例是将一个规定的充电电流施加到电池中，周期采集电池的端电压。在许多采样周期中选择一个周期测量该电池的第一端电压，在接下来的采样周期中选择一个周期测量该电池的第二端电压。从第二端电压中减去第一端电压来确定差值电压，应用该差值电压查差值电压数据库确定该电池的电量参数，以及输出该电量参数。另一种实施例是在许多采样周期中选择一个周期测量该电池的第一端电压，在接下来的采样周期中选择一个周期测量该电池的第二端电压，应用第二端电压以及第二端电压减去第一端电压的差值电压，通过查差值电压数据库确定电池的电量参数，以及输出该电量参数。综上所述，本发明提供一种锂离子动力蓄电池的电量校正和控制方法。首先，给锂离子电池以标准充电制度充电，周期测量电池的端电压，在测量电压中利用差值电压DELTA-VH确定电池的电量参数，校正电池的电量，利用端电压判断此时电池的循环次数当量、老化程度或健康状态。然后将这些信息显示给电池的使用者以便电池的使用者知道电池的的当前的状态(比如电池的当前的最大充电容量和电池的健康状态)。再将电池经过一个受控的放电过程使电池或电池组工作在最佳SOC区间并达到指定的剩余容量范围。本发明适合于纯电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的电量管理，能够延电池的使用寿命。
图I所示为实施本发明的电路的优选实施例。图2所示为如何应用电池电流、端电压、温度等参数确定电量参数。图3为55Ah锂离子电池55°C时充电曲线(a)和常温(25°C )时的充电曲线(b)。
具体实施例方式为了能使本发明的优点和效果得到充分体现，下面结合附图和实施例对本发明的实质性特点和显著的进步作进一步的说明。
实施例I图I所示为实施本发明的电路的优选实施例。电路17包括显示器12、充放电电路16、电压监测电路13、电流监测电路15、温度监测电路14以及一个具有微处理器、存储器、定时器、计数器等的主控制器电路。具体实施方法如下I)先将电池18和充放电电路16之间以常规方法连接；2)再将包含一单片机或类似芯片的控制电路11和充放电电路16之间以常规方法连接；3)电池18与控制电路11之间包括电压监测电路13、电流检测电路15等参数设备的常规连接，也可增加监测温度等参数电路14和显示SOC数值的设备12的常规连接；4)利用电池充电过程中所检测到的电压、电流等参数，以单片机计算并修正电池或电池组的上限S0C，并通过一个受控的放电过程使SOC调整到HEV电池的最佳工作区间 中。实施例2图2所示为如何应用电池电流、端电压、温度等参数确定电量参数。具体实施方法如下I)差值电压计算装置205在第一周期接收电压检测装置202测得的第一端电压，在第二周期接收电压检测装置202测得的第二端电压，期间计时装置203记录两个测量周期的时间间隔，电流检测装置204测量记录充电电流的大小；2)从第二端电压中除去第一端电压的值，得到差值电压DELTA-L ；3)将该差值电压DELTA-L与阀值限定装置201中记录或预先设置的截止差值电压DELTA-VH比较，如果DELTA-L彡DELTA-VH，则阀值电压记录装置209记录此时的第二端电压为Vh，且SOC校正装置208校正电池此时的SOC值为100% ；4)循环次数计算装置207根据截止电压数据库206及209记录的VH，计算循环次数n或循环次数当量n'；5)阀值限定装置201中的截止差值电压DELTA-VH根据周期时间间隔及充电电流大小查差值电压数据库211得到；6)再将电池以标准制度放电，203与204记录放电时间和电流大小，电量计量装置210计算电池放出电量，使电池SOC修正到最佳工作区间。实施例3图3(a)和(b)列出了 55Ah锂离子电池55°C充电曲线常温25°C的充电曲线，这些曲线的差值电压是由生产锂离子电池厂家提供。本发明的最大优点是能够让电池始终工作在最佳SOC范围之内，稍有偏离即可随时启动修正过程，能够延长动力电池的使用寿命，特别适合于动力电池的电量管理。
权利要求
1.一种锂离子动力蓄电池的电量校正方法，其特征在于用充放电电流、时间、电池温度以及电池端电压的差值电压确定电池的电量参数，当充电差值电压达到充电截止差值电压DELTA-VH时，查差值电压数据库确定此时的电池电量，从而校正电池的当前电量；所述的充电截止差值电压DELTA-VH是指将一个规定充电电流施加到电池中，周期采集电池的端电压，在第一周期采集第一端电压，在第二周期采集第二端电压，从第二端电压中减去第一端电压来确定差值电压。
2.如权利要求I所述的校正方法，其特征在于 ①所述的差值电压数据库是指指定充电电流、温度下，SOC达到某个特定值，充电截止的差值电压的数据库； ②所述的差值电压作为查询表从差值电压数据库的索引获得所说的电量参数。
3.如权利要求I所述的校正方法，其特征在于所述的周期是指数据的一个采样周期，或者多个采样周期。
4.如权利要求I所述的校正方法，其中所说的电量参数还包括所述的电池的操作曲线；和电池的操作曲线上的操作点。
5.一种锂离子动力蓄电池的电量控制方法，其特征在于用充电截止电压差值电压DELTA-VH对应的第二端电压判断电池循环次数当量或老化程度或健康状态，并控制电池或电池组工作在最佳SOC区间的方法，包括 a)根据充电截止的第二端电压，在截止电压数据库通过查表的方法得到在标准充电制度下电池或电池组的容量Q。和电池或电池组此时的循环次数n或循环次数当量n'，并修正当前SOC为100% ； b)以标准放电制度放电，放出电量Q，使得SOCh> SOC > SOCl,所述的SOCh和SOQ分别是HEV用动力电池的最佳工作区间的上限和下限。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述标准充电制度为根据具体使用条件决定的某种充电制度，它是由一个温度值和一个XC充电倍率值组成，通常温度可取25°C，倍率充电中X取1，2，3……。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于 ①所述循环次数当量n'是指电池或电池组使用的充放电循环次数的当量值，与电池充电截止的第二端电压Vh有关，该关系事先由实验确定或由电池厂家提供的数据得到，并存储在截止电压数据库中； ②所述容量Qtl仅与循环次数n或循环次数当量n'及充电制度有关,事先由电池厂家提供的数据得到。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述SOC定义为SOC= (I-QAjtl)*100%。
9.按权利要求6所述的方法，其特征在于SOCh= 70%, SOCl = 30%, SOC的具体值为(S0Ch+S0Cl)/2o
10.如权利要求I或5所述的方法，其特征在于由驾驶员根据电池的使用情况启动一个校正过程，以修正偏离最佳工作区间的电池SOC。
全文摘要
本发明提供一种锂离子动力蓄电池的电量校正和控制方法。首先，给锂离子电池以标准充电制度充电，周期测量电池的端电压，在测量电压中利用差值电压DELTA-VH确定电池的电量参数，校正电池的电量，利用端电压判断此时电池的循环次数当量、老化程度或健康状态。然后将这些信息显示给电池的使用者以便电池的使用者知道电池的当前的状态(比如电池的当前的最大充电容量和电池的健康状态)。再将电池经过一个受控的放电过程使电池或电池组工作在最佳SOC区间并达到指定的剩余容量范围。本发明适合于纯电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的电量管理，能够延长电池的使用寿命。
文档编号H02J7/00GK102761141SQ201110104159
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月25日 优先权日2011年4月25日
发明者刘文叔, 夏保佳, 娄豫皖, 张华辉, 田方 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所