CN111103543A - 基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于析气现象的电池荷电状态的估算方法以及发热量的估算方法、计算机设备和记录介质。所述基于析气现象的电池荷电状态的估算方法包括以下步骤：得到析气系数η；基于所得到的析气系数η，利用SOC动态方程计算电池的SOC值。本发明有利于准确计算得到电池的SOC状态和发热量。

Description

基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算

技术领域

本发明涉及电池状态检测技术领域，更具体地，涉及对电池荷电状态以及发热量的估算。

背景技术

电池的荷电状态SOC定义为电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，揭示了电池的当前剩余电量。SOC常用百分数表示，其取值范围为0～1。当前已经建立的各种电池模型(诸如电化学模型、神经网络模型、交流阻抗模型、RC等效电路模型等)很难对处于临界状态的锂电池进行精确的SOC和发热量估算。因此，迫切需要改进的电池荷电状态估算方法。

随着新能源汽车产业的发展，动力电池的研究取得了突飞猛进的发展。锂电池具有高能量比，长寿命以及高单体工作电压、低自放电率、强高低温适应性等优点，从而成为当今用于车辆动力储备的首选。在动力电池的实际应用中，对于车辆动力电池的SOC的实时监控和精确估算能保护电池，准确提醒用户剩余的续航里程。然而，在使用过程中，动力电池内部的电化学反应并且电流会产生热量。

在一个示例中，在锂电池即将充满的临界状态下，锂电池内部发生电化学反应，产生析气现象。析气现象发生时，充电电能有一部分用于析气反应，没有全部用来充电。电极电位越高，析气现象越严重，电流的利用率越低。前面所提到的电池模型很少有考虑析气现象对SOC及其它状态变量的影响，因此很难描述锂电池在临界情况的特性。

发明内容

本发明的目的之一是，提高计算电池的荷电状态SOC的准确度。

本发明的又一目的是，提高计算电池的发热量的准确度。

为了实现上述目的或其他目的，本发明提供以下方案。

按照本发明的第一方面，提供一种计算电池的荷电状态SOC的方法，其包括以下步骤：

得到析气系数η；

基于所得到的析气系数η，利用SOC动态方程计算电池的SOC值。

根据本发明一实施例的计算电池的荷电状态SOC的方法，其中，在所述获得析气系数η步骤中，通过查表法获得所述析气系数η；

其中，查表法中所使用的表中的析气系数η预先地通过以下步骤获得：

将电池放电以使得所述SOC由第一SOC值变为第二SOC值，再将电池充电以使得所述SOC由第二SOC值恢复为第一SOC值；

定义所述放电的电量与所述充电的电量的比值为析气系数η。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的荷电状态SOC的方法，其中，所述第一SOC值与所述第二SOC值相差1％。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的荷电状态SOC的方法，其中，所述充电与所述放电过程在恒定温度下进行。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的荷电状态SOC的方法，其中，所述SOC动态方程为：

其中等式左边为单位时间内电池SOC的变化量，C为单位库伦，I为电流。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的荷电状态SOC的方法，其还包括：

基于安时法对所述SOC动态方程进行积分计算获取电池的SOC值。

按照本发明的第二方面，提供一种计算电池的发热量的方法，其包括以下步骤：

得到析气系数η；

基于所得到的析气系数η，利用SOC动态方程计算电池的精确SOC值；

基于所得到的SOC值，通过查表法得到标准电压U_o.std和标准内阻R_i.std；

修正标准电压U_o.std得到开路电压U_o；

修正标准内阻R_i.std得到电池内阻R_i；以及

基于所得到的开路电压U_o、电池内阻R_i和析气系数η，利用热力学第一定律计算所述电池在充放电过程中的发热量。

根据本发明一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，查表法中所使用的表中的析气系数η预先地通过以下步骤获得：

将电池放电以使得所述SOC由第一SOC值变为第二SOC值，再将电池充电以使得所述SOC由第二SOC值恢复为第一SOC值；

定义所述放电的电量与所述充电的电量的比值为析气系数η。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，所述第一SOC值与所述第二SOC值相差1％。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，所述充电与所述放电过程在恒定温度下进行。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，所述SOC动态方程为：

其中等式左边为单位时间内电池SOC的变化量，C为单位库伦，I为电流。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其还包括：

针对所述SOC动态方程，通过安时法对电流进行积分来计算电池的精确SOC值。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，在得到开路电压U_o的步骤中，通过公式：U_o＝U_o.std+k_T·(T-T_std)修正标准电压U_o.std得到开路电压U_o，其中T为当前环境温度，T_std为标准温度。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其中，在得到电池内阻R_i的步骤中，通过公式：R_i＝R_i.std·η_T修正标准内阻R_i.std得到电池内阻R_i。

根据本发明另一实施例或以上任一实施例的计算电池的发热量的方法，其利用公式：

计算所述发热量，其中，

为单位时间内温度的变化量，m_batt为电池的质量，c_batt为电池的比热容，

为由于温差而产生的热流量，

为由于析气反应而产生的热流量，

为由于熵变而产生的热流量，

为由于电流流过电池内阻而产生的热流量。

按照本发明的第三方面，提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述程序时实现根据本发明的第一方面和/或第二方面所提供的以上任一所述的方法的步骤。

按照本发明的第四方面，提供一种记录介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被计算机执行以实现根据本发明的第一方面和/或第二方面所提供的以上任一所述的方法的步骤。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)在计算电池SOC的过程中，将电池在充电过程中的析气现象纳入考虑，从而实现了对进入临界状态的电池SOC的高精度计算，例如能够实现在电池非临界状态(30％＜SOC＜70％)的电池SOC的高精度计算，也能够实现临界状态(SOC＞85％)的电池SOC的高精度计算；

2)基于高精度SOC进一步计算电池发热量，以供电池的热管理。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是根据本发明的一个实施例的基于析气现象的电池荷电状态的估算方法的步骤的示例框图。

图2是根据本发明的一个实施例的基于析气现象计算电池发热量的方法的步骤的示例框图。

图3是根据本发明的一个实施例的算法各状态量之间的函数关系的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的析气系数、温度以及SOC的示例关系图。

图5A是根据本发明的一个实施例的示出了电池开路电压与SOC的关系的图。

图5B是根据本发明的一个实施例的示出了电池内阻与SOC的关系的图。

图6是图示了根据本发明的一个实施例的温度补偿系数与温度的关系的图。

图7是图示了根据本发明的一个实施例的基于析气现象的SOC估算方法与RC模型估算方法的比较的示意图。

图8是用于实现本发明的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法的计算机设备的框图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明涉及的析气现象的电池荷电状态的估算方法以及发热量的估算方法、计算机设备和记录介质作进一步的详细描述。需要注意的是，以下的具体实施方式是示例性的而非限制的，其旨在提供对本发明的基本了解，而不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

尽管阐述本发明的广义范围的数值范围和参数是适合的，但是特定示例中阐述的数值是尽可能精确地进行报告的。然而，任何数值固有地包括因其相应测试测量中常见的标准离差必然导致的某些误差。而且，本文公开的所有范围应理解为涵盖其中包括的任何以及所有子范围。在被使用的情况下，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何顺序或优先级关系，而是可以用于更清晰地将要素彼此区分。

本发明涉及电池的荷电状态以及发热量的估算。具体地，本发明涉及基于析气现象的锂电池荷电状态以及发热量的估算方法、计算机设备和记录介质。然而，本发明不限于锂电池，而是可应用于在即将充满(荷电状态SOC＞85％)的临界状态下，产生析气现象的任何电池。

图1所示为根据本发明的一个实施例的基于析气现象的电池荷电状态的估算方法的步骤的示例框图。在S110之前，引入析气系数：在某一恒温条件下，将电池放电以使得其SOC(荷电状态)由第一SOC值变为第二SOC值，再将电池充电以使得所述SOC由第二SOC值恢复为第一SOC值；将由第一SOC值变为第二SOC值对应的放电的电量与由第二SOC值恢复为第一SOC值对应的充电的电量的比值定义为析气系数η。其中，第一SOC值与第二SOC值具体可以相差约1％。

在步骤S110中，可以通过查表法，示例地根据如图4中所示出的根据本发明的一个实施例的析气系数、温度以及SOC的示例关系图，可以得到电池在各种SOC状态(例如，SOC>85％时的临界状态、30％<SOC<70％的非临界状态)下的析气系数。要注意的是，对于实际应用中的不同的电池而言，图4可以有对应的不同形状。

在步骤S120中，利用以下公式(1)，即动态方式，计算电池的SOC值。

其中I为测得的电流，C为单位库伦。在一实施例中中，具体通过安时法将等式两侧的量同时对时间进行积分，可以求出电池的精确SOC值。

图3所示为根据本发明的一个实施例的算法各状态量之间的函数关系的示意图。其中SOC模块从数据总线接收电流I、温度T，并最终向数据总线输出借助公式(1)计算得到的精确估算的电池SOC值。

图2所示为根据本发明的一个实施例的基于析气现象计算电池发热量的方法的步骤的示例框图。在S210之前，引入析气系数：在某一恒温条件下，将电池放电以使得其SOC(荷电状态)由第一SOC值变为第二SOC值，再将电池充电以使得所述SOC由第而SOC值恢复为第一SOC值；将由第一SOC值变为第二SOC值对应的放电的电量与由第二SOC值恢复为第一SOC值对应的充电的电量的比值定义为析气系数η。其中，第一SOC值与第二SOC值具体可以相差约1％。

然后在步骤S210中，通过查表法，示例地根据如图4中所示出的根据本发明的一个实施例的析气系数、温度以及SOC的示例关系图，可以得到电池在各种SOC状态(例如，SOC>85％时的临界状态、30％<SOC<70％的非临界状态)下的析气系数。需要理解的是，对于实际应用中的不同电池而言，图4可以有对应的不同形状。

在步骤S220中，利用以上公式(1)，通过安时法将等式两侧的量同时对时间进行积分，可以求出电池的精确SOC值。

在实际的电池系统中，温度T对SOC、开路电压U_o以及电池内阻R_i都有影响。在以下将利用公式对受到温度影响的各个量进行修正。

在步骤S230中，参考图5A并且利用在步骤S220中计算得到的SOC值，可以得出对应的标准电压U_o.std。然而，由于析气反应等因素所产生的热流量，使得电池升温，从而影响开路电压。

因此，在步骤S240中，引入温度影响系数k_T并利用以下公式(2)修正标准电压U_o.std得到开路电压U_o。公式(2)具体为：

U_o＝U_o.std+k_T·(T-T_std) (2)

其中k_T的取值范围可以在-0.0001到0.0001之间，T为当前环境温度，T_std可以为25℃。

在步骤S231中，参考图5B并且利用在步骤S220中计算得到的SOC值，可以得出对应的标准内阻R_i.std。然而，由于析气反应等因素所产生的热流量，使得电池升温，从而影响标准内阻。

因此，在步骤S241中，引入温度补偿系数η_T并利用公式

R_i＝R_i.stc·η_T (3)

修正标准内阻R_i.std得到电池内阻R_i。其中η_T的取值范围在0到25之间，其具体数值可以通过如图6中所图示的根据本发明的一个实施例的温度补偿系数与温度的关系的图而读出。

在S250中，同样考虑到电池在发生析气现象时，将产生大量的热，因此结合热力学第一定律，得到公式

以动态地计算电池内部的发热量。在公式(4)中，T为电池温度，

为单位时间内电池温度的变化量，将其对时间进行积分可以得到电池温度在某一时间段内的变化量。m_batt为电池的质量，c_batt为电池的比热容，这两个量可以通过查找电池参数得到，

为由于温差而产生的热流量，

为由于析气反应而产生的热流量，

为由于熵变而产生的热流量，

为由于电流流过电池内阻而产生的热流量。

在一实施例中，

为可以通过以下公式(5)计算到，公式(5)具体为：

其中α为散热系数，取值范围在0到1000之间；S_batt为电池散热表面积，例如等于电池散热面的表面积之和，其可以通过将散热面的长乘以宽而计算得出或者测量得出；T_amb为环境温度。

在一实施例中，

可以通过以下公式(6)计算到，公式(6)具体为：

其中，η为上文中所述的析气系数，I为测得的电流，U_o为开路电压。

在一实施例中，

可以通过以下公式(7)计算到，公式(7)具体为：

其中，δ_S为熵变系数，取值范围在-0.0001到0.0001之间；I为测得的电流；T为电池温度。

在一实施例中，

可以通过以下公式(8)计算到，公式(8)具体为：

其中，R_i为电池内阻，I为测得的电流。

将上述各个量代入公式(4)中进行计算，可以得出电池温度的变化量，从而可以换算得到电池所产生的热量。

图7所示为根据本发明的一个实施例的基于析气现象的SOC估算方法与RC模型估算方法的比较的示意图。从图7中可以看出，在SOC>85％的范围内，基于RC模型的估算方法明显与实际情况不符，其超出了100％。而本发明的基于析气现象的SOC估算值更符合实际情况，具有较高的估算精度。

在图8中示出了根据本发明的一个实施例的用于执行根据本发明的一个实施例的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法的计算机设备。如图8所示，计算机设备200包括存储器201和处理器202。虽然未图示，但是计算机设备200还包括存储在存储器201上并可在处理器202上运行的计算机程序。所述处理器执行所述程序时实现例如如图1和图2所示的根据本发明的一个实施例的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法的各个步骤。

另外，如上所述，本发明也可以被实施为一种记录介质，在其中存储有用于使计算机执行根据本发明的一个实施例的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法的程序。

在此，作为记录介质，能采用盘类(例如，磁盘、光盘等)、卡类(例如，存储卡、光卡等)、半导体存储器类(例如，ROM、非易失性存储器等)、带类(例如，磁带、盒式磁带等)等各种方式的记录介质。

通过在这些记录介质中记录使计算机执行上述实施例中的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法的计算机程序。而且，在计算机上装载上述记录介质，由计算机读出在记录介质中记录的计算机程序并储存在存储器中，计算机所具备的处理器(CPU：Central Processing Unit(中央处理单元)、MPU：Micro Processing Unit(微处理单元))从存储器读出该计算机程序并执行，由此，能执行上述实施方式中的基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法。

以上示例主要说明了本发明的一种基于析气现象的电池荷电状态以及发热量的估算方法、系统、计算机设备和记录介质。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其它的形式实施。因此，所展示的示例与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (12)

1.一种计算电池的荷电状态SOC的方法，其特征在于，包括步骤：

得到析气系数η；以及

基于所得到的析气系数η，利用SOC动态方程计算电池的SOC值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获得析气系数η步骤中，通过查表法获得所述析气系数η；

其中，查表法中所使用的表中的析气系数η预先地通过以下步骤获得：

将电池放电以使得所述SOC由第一SOC值变为第二SOC值，再将电池充电以使得所述SOC由第二SOC值恢复为第一SOC值；以及

定义所述放电的电量与所述充电的电量的比值为析气系数η。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一SOC值与所述第二SOC值相差1～3％。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述充电与所述放电过程在恒定温度下进行。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SOC动态方程为：

其中，C为电量单位，I为电流。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

基于安时法对所述SOC动态方程进行积分计算获取电池的SOC值。

7.一种计算电池的发热量的方法，其特征在于，包括步骤：

根据如权利要求1至5中任一所述的方法计算电池的荷电状态SOC；

基于所得到的SOC值，通过查表法得到标准电压U_o.std和标准内阻R_i.std；

修正标准电压U_o.std得到开路电压U_o；

修正标准内阻R_i.std得到电池内阻R_i；以及

基于所得到的开路电压U_o、电池内阻R_i和析气系数η，利用热力学第一定律，计算所述电池在充放电过程中的发热量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在得到开路电压U_o的步骤中，通过公式U_o＝U_o.std+k_T·(T-T_std)修正标准电压U_o.std得到开路电压U_o，其中T为当前环境温度，T_std为标准温度。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在得到电池内阻R_i的步骤中，通过公式：R_i＝R_i.std·η_T修正标准内阻R_i.std得到电池内阻R_i。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用公式：

计算所述发热量；

其中，

为单位时间内电池温度的变化量，m_batt为电池的质量，c_batt为电池的比热容，

为由于温差而产生的热流量，

为由于析气反应而产生的热流量，

为由于熵变而产生的热流量，

为由于电流流过电池内阻而产生的热流量。

11.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤。

12.一种记录介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序可被计算机执行以实现根据权利要求1至10中的任一项所述的方法的步骤。

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