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CN114646892A - 获取二次电池soc-ocv曲线和嵌锂量-ocv曲线的方法和装置 - Google Patents

获取二次电池soc-ocv曲线和嵌锂量-ocv曲线的方法和装置 Download PDF

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CN114646892A
CN114646892A CN202210541048.8A CN202210541048A CN114646892A CN 114646892 A CN114646892 A CN 114646892A CN 202210541048 A CN202210541048 A CN 202210541048A CN 114646892 A CN114646892 A CN 114646892A
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Abstract

本发明公开了一种获取二次电池SOC‑OCV曲线和嵌锂量‑OCV曲线的方法和装置，其中，获取二次电池SOC‑OCV曲线的方法，包括以下步骤：基于给定放电深度，获取全电池的多组放电电流和电压数据；基于获取的全电池的多组放电电流和电压数据，绘制放电电流‑电压曲线；基于绘制的放电电流‑电压曲线，确定目标电压数据；基于给定放电深度和目标电压数据，得到SOC‑OCV曲线。该方法只需要基于多组由较大放电电流和电压数据绘制成的放电电流‑电压曲线，就可以快速准确的确定开路电压OCV。

Description

获取二次电池SOC-OCV曲线和嵌锂量-OCV曲线的方法和装置
技术领域
本发明涉及二次电池领域，尤其是涉及一种获取二次电池SOC-OCV曲线和获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV的方法和装置。
背景技术
锂离子电池在使用过程中，其SOC（电池的荷电状态）是一个重要的指标，代表电池剩余可用电量占总电量的百分比，是电池管理系统中最为重要状态之一，为电动汽车的电池安全管理、充放电控制、整车能量管理等功能提供重要参考。所以，进行高精度的SOC估算是所有电动汽车BMS软件开发必须面对的问题。电池SOC的准确标定将影响电池的使用寿命，以及电动汽车的动力性和安全性能。目前整车SOC标定大部分采用安时积分法结合电压法进行校准，在进行校准之前都需要动力电池厂家提供准确的充电和放电的SOC-OCV表。采用现有技术中的SOC-OCV曲线标定的方法标定周期长、SOC-OCV标定难度大、标定过程中受到大电流弛豫的影响较大。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明提供了一种获取二次电池SOC-OCV曲线和二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法和装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一个方面，提供一种获取二次电池SOC-OCV曲线的方法，包括以下步骤：
基于给定放电深度，获取全电池的多组放电电流和电压数据；
基于获取的多组放电电流和电压数据，绘制放电电流-电压曲线；
基于绘制的放电电流-电压曲线，得到目标电压数据；
基于给定放电深度和目标电压数据，得到SOC-OCV曲线。
本申请中的SOC为电池的荷电状态（State of Charge），OCV为电池的开路电压（Open Circuit Voltage）。一般的，根据Tafel公式，当电流趋近于0时，电池内阻基本不变，所以此时电池的电压即为电池的OCV。通过上述方法，避免了需要在较小电流时（电流趋于0时）测量电池OCV这种周期长，难度大的测量方式。只需要基于多组由较大放电电流，复合Tafel线性阶段，和电压数据，按照线性拟合的方式，绘制成目标放电电流-电压曲线。再通过该曲线确定内阻基本不变的区域，从而可以快速准确的确定开路电压OCV数据。
进一步的，其中基于给定放电深度，获取全电池的多组放电电流和电压数据，包括以下步骤：
分别获得全电池在不同放电倍率下的放电曲线；
基于获得的放电曲线，获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据。
本申请中放电曲线为DOD-V曲线，DOD为放电深度（Depth of Discharge），DOD-V即放电深度-电压，放电深度和电压数据可以通过不同放电倍率下的放电曲线获得，这类数据是电池生产厂家常规提供的数据，获取非常准确。当然，也可以通过测试设备，在多个不同放电深度下，测量获得上述数据。
进一步有的，其中基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据，包括以下步骤：
将绘制的放电电流-电压曲线，按照曲线延伸趋势延长到放电电流小于等于0.020C的位置，获得目标曲线；
基于目标曲线，得到放电电流小于等于0.020C时，目标曲线相应位置的目标电压数据；
所述目标电压数据为全电池的OCV。
具体的来说，按照曲线延伸趋势延长的方式可以是线性拟合等多种方式。通过上述方法获得的目标曲线，仅仅需要基于该目标曲线，寻找放电电流小于等于0.020C的电压点，就等同得到可用的目标电压（等同于OCV）不需要直接测量就能快速得到OCV。当然，考虑到极化的影响，最优的电压点为放电电流等于0C时的，这时得到的电压是最准确的OCV。
第二个方面，提供一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，包括：
基于给定放电深度，获取电极材料的多组放电电流和电压数据；
基于获取的电极材料的多组放电电流和电压数据，绘制放电电流-电压曲线；
基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据；
基于给定放电深度和目标电压数据，得到电极材料SOC-OCV曲线；
基于获取的电极材料SOC-OCV曲线，得到电极材料嵌锂量-OCV曲线。
如前面已经说过的，根据Tafel公式，当电流趋近于0时，电池内阻基本不变，所以此时电池的电压即为电池的开路OCV。通过上述方法，避免了需要在较小电流时（电流趋于0时）测量电池OCV这种周期长，难度大的测量方式。只需要基于多组由较大放电电流和电压数据绘制成的放电电流-电压曲线，从而可以快速准确的确定开路电压OCV数据。而嵌锂量通过已知的方式将SOC进行转换即可。
进一步的，其中“基于给定放电深度，获取电极材料的多组放电电流和电压数据”包括以下步骤：
分别测得电极材料在不同放电倍率下的放电曲线；
基于测得的放电曲线，获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据。
同样的，放电曲线为DOD-V曲线，DOD为放电深度（Depth of Discharge），DOD-V即放电深度-电压，放电深度和电压数据可以通过不同放电倍率下的放电曲线获得，这类数据是电池生产厂家常规提供的数据，获取非常准确。当然，也可以通过测试设备，在多个不同放电深度下，直接测量获得上述数据。
进一步的，其中分别测得电极材料在不同放电倍率下的放电曲线，包括以下步骤：
在锂电池内植入第三电极；
连接第三电极与正极材料或负极材料：
测得正极材料或负极材料在不同放电倍率下的放电曲线。
测量电极的DOD-V曲线，无法直接通过连接正负极测量，需要通过植入第三电极测量，此时可以通过同时连接正极和负极，以及正极（或负极）和第三电极，并测得相应的全电池和正极（或负极）的DOD-V曲线，并通过简单计算获得负极（或正极）的DOD-V曲线。
进一步的，其中基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据，包括以下步骤：
将绘制的放电电流-电压曲线，按照曲线延伸趋势延长到电流小于等于0.020C的位置，获得目标曲线。其中，按照曲线延伸趋势延长的方式可以是线性拟合等多种方式。
基于目标曲线，得到电流小于等于0.020C时，目标曲线相应位置的目标电压数据。
所述目标电压数据为电极材料的OCV。
如全电池一样，对于电极材料而言，通过上述方法获得的目标曲线，仅仅需要基于该目标曲线，寻找放电电流小于等于0.02C的电压点，就等同得到可用的目标电压（等同于OCV）不需要直接测量就能快速得到OCV。当然，考虑到极化的影响，最优的电压点为放电电流等于0C时的，这时得到的电压是最准确的OCV。
进一步的，其中得到电极材料嵌锂量-OCV曲线，为得到正极电极材料嵌锂量-OCV曲线，包括以下步骤：
正极材料的化学式为LixMO2，其中M可以是Ni或Co或Mn元素中一种或多种，化学计量比加和为1，0<x<1；
x满足如下公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为DOD数值；
Figure 933651DEST_PATH_IMAGE003
为SOC=100%时，正极材料对应的嵌锂量；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为SOC=0%时，正极材料对应的嵌锂量，
Figure 585212DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 161687DEST_PATH_IMAGE003
+全电池容量/正极材料理论容量。
对于锂电池的正极材料的状态而言，正极材料分子LixMO2中Li电子数量的变化与SOC负相关，也就是说SOC越大嵌锂量就越小，SOC可以通过上面的公式转换得到正极材料嵌锂量。此外，当SOC在0%～100%之间变化时，x的变化在更窄的区间。通过上述方式，既可以通过在大电流下，直接测量获得放电电流-电压曲线的方式，通过本申请的技术方案得到正极材料嵌锂量-OCV曲线。也可以直接使用不同放电倍率下DOD-V曲线数据，并通过本申请的技术方案方法转换得到正极材料嵌锂量-OCV曲线。
进一步有的，其中得到电极材料嵌锂量-OCV曲线，为得到负极电极材料嵌锂量-OCV曲线，包括以下步骤：
负极材料的化学式为LiyC6，其中0<y<1；
y满足如下公式：
Figure 291317DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 105689DEST_PATH_IMAGE002
为DOD数值；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为SOC=100%时，负极材料对应的嵌理量；
Figure 459310DEST_PATH_IMAGE007
为SOC=0%时，负极材料对应的嵌锂量，
Figure 726344DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 721982DEST_PATH_IMAGE006
-全电池容量/负极材料理论容量。
对于锂电池的负极材料的状态而言，负极材料分子LiyC6中Li电子数量的变化与SOC正相关，也就是说SOC越大嵌锂量就越大，SOC可以通过上面的公式转换得到正极材料嵌锂量。此外，当SOC在0%～100%之间变化时，y的变化在更窄的区间。通过上述方式，既可以通过在大电流下，直接测量获得放电电流-电压曲线的方式，通过本申请的技术方案得到负极材料嵌锂量-OCV曲线。也可以直接使用不同放电倍率下DOD-V曲线数据，并通过本申请的技术方案方法得到负极材料嵌锂量-OCV曲线。
第三个方面，提供一种获取二次电池SOC-OCV曲线和二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的装置。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明全电池放电深度DOD-V曲线；
图2是本发明全电池放电电流-电压曲线；
图3是本发明全电池SOC-OCV曲线；
图4是本发明正极材料放电深度DOD-V曲线；
图5是本发明正极材料放电电流-电压曲线；
图6是本发明正极材料SOC-OCV曲线；
图7为本发明正极材料嵌锂量-OCV曲线；
图8是本发明负极材料放电深度DOD-V曲线；
图9是本发明负极材料放电电流-电压曲线；
图10为本发明负极材料SOC-OCV曲线；
图11为本发明负极材料嵌锂量-OCV曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种获取二次电池全电池SOC-OCV曲线的方法，包括以下步骤：
如图1所示，分别获得二次电池在放电倍率0.3C，1C，2C和3C下的放电曲线（DOD-V曲线）；
基于获得的放电曲线（DOD-V曲线），获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据。
基于获取的多组放电电流和电压数据，绘制如图2所示的放电电流-电压曲线；
将绘制的放电电流-电压曲线，按照线性拟合的方式延长到放电电流为0C的位置，得到目标曲线。其中，目标曲线为电流从0C开始不断增大的放电电流-电压曲线。
基于目标曲线，可以确定放电电流为0C时，目标曲线相应位置的目标电压数据；
所述目标电压数据就是全电池的OCV；
最后，基于给定放电深度和目标电压数据，得到如图3所示的SOC-OCV曲线。
其中，DOD-V数据可以通过不同放电倍率下的放电曲线获得，这类数据是电池生产厂家常规提供的数据，获取非常准确。当然，也可以通过测试设备，在多个不同放电深度下，测量获得上述数据。
另外，通过上述方法获得的目标曲线，仅仅需要基于该目标曲线，寻找放电电流小于等于0.020C的电压点，就等同得到可用的目标电压（等同于OCV），不需要直接测量就能快速得到OCV。当然，考虑到极化的影响，最优的电压点为放电电流等于0C时的，这时得到的电压是最准确的OCV。
实施例二：
为在NCM333/石墨体系下，采用第三电极测试，获得正极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，包括以下步骤：
在锂电池内植入第三电极；
连接第三电极与正极，正极材料为NCM333。
如图4所示，测得在正极材料在0.3C，0.5C，1C和2C下的放电倍率下的放电曲线（DOD-正极电势曲线）；
基于测得的正极放电曲线（DOD-V曲线），获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据；
基于获取的多组放电电流和电压数据，绘制如图5所示的放电电流-电压曲线；
将绘制的放电电流-电压曲线，按照线性拟合的方式将放电电流-电压曲线延长到电流等于0C的位置，获得目标曲线。其中，目标曲线为电流从0C开始不断增大的放电电流-电压曲线。
基于目标曲线，得到电流为0C时，目标曲线相应位置的目标电压数据。
所述目标电压数据为正极材料的OCV。
基于给定放电深度和目标电压数据，得到如图6所示的，正极材料SOC-OCV曲线。其中嵌锂量和SOC的转换通过如下公式得到：
正极材料状态的化学式为LixMO2（M=Ni,Co,Mn元素中一种或多种，化学计量比加和为1，0<x<1）；
x满足如下公式：
Figure 390860DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 118645DEST_PATH_IMAGE002
为DOD数值；
Figure 182895DEST_PATH_IMAGE003
为SOC=100%时，正极材料对应的嵌锂量；
Figure 919907DEST_PATH_IMAGE004
为SOC=0%时，正极材料对应的嵌锂量，
Figure 177713DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 607558DEST_PATH_IMAGE003
+全电池容量/正极材料理论容量；
基于获取的正极材料SOC-OCV曲线，得到如图7所示的正极材料嵌锂量-OCV曲线。
实施例三：
在NCM333/石墨体系电池体系下，负极为石墨材料，通过第三电极电池测试，获得嵌锂量-OCV曲线的方法，包括以下步骤：
在锂电池内植入第三电极；
连接第三电极与负极，其中负极材料为石墨材料；
测得负极材料在0.3C，0.5C，1C和2C放电倍率下的，如图8所示的放电曲线（DOD-负极电势曲线）；
基于测得的负极放电曲线（DOD-V曲线），获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据；
基于获取的多组放电电流和电压数据，绘制如图9所示的，放电电流-电压曲线；
将绘制的放电电流-电压曲线，按照线性拟合的方式将放电电流-电压曲线延长到电流为0C的位置，获得目标曲线。其中，目标曲线为电流从0C开始不断增大的放电电流-电压曲线。
基于目标曲线，得到电流为0C时，目标曲线相应位置的目标电压数据。
所述目标电压数据为负极材料的OCV；
基于给定放电深度和目标电压数据，得到如图10所示的，得到负极材料SOC-OCV曲线。其中嵌锂量和SOC的转换通过如下公式得到：
负极材料的化学式为LiyC6(0<y<1)；
y满足如下公式：
Figure 645921DEST_PATH_IMAGE005
其中：
Figure 655465DEST_PATH_IMAGE002
为DOD值；
Figure 298936DEST_PATH_IMAGE006
为SOC=100%时，负极材料对应的嵌理量；
Figure 430840DEST_PATH_IMAGE007
为SOC=0%时，负极材料对应的嵌理量，
Figure 159762DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 972997DEST_PATH_IMAGE006
-全电池容量/负极材料理论容量。
基于获取的负极材料SOC-OCV曲线，得到如图11所示的负极材料嵌锂量-OCV曲线。

Claims (10)

1.一种获取二次电池SOC-OCV曲线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于给定放电深度，获取全电池的多组放电电流和电压数据；
基于获取的全电池的多组放电电流和电压数据，绘制放电电流-电压曲线；
基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据；
基于给定放电深度和目标电压数据，得到SOC-OCV曲线。
2.根据权利要求1所述的一种获取二次电池SOC-OCV曲线的方法，其特征在于，其中基于给定放电深度，获取全电池的多组放电电流和电压数据，包括以下步骤：
分别获得全电池在不同放电倍率下的放电曲线；
基于获得的放电曲线，获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据。
3.根据权利要求1所述的一种获取二次电池SOC-OCV曲线的方法，其特征在于，其中基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据，包括以下步骤：
将绘制的放电电流-电压曲线，按照曲线延伸趋势延长到电流小于等于0.020C的位置，获得目标曲线；
基于目标曲线，得到电流小于等于0.020C时，目标曲线相应位置的目标电压数据；
所述目标电压数据为全电池的OCV。
4.一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，包括：
基于给定放电深度，获取电极材料的多组放电电流和电压数据；
基于获取的电极材料的多组放电电流和电压数据，绘制放电电流-电压曲线；
基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据；
基于给定放电深度和目标电压数据，得到电极材料SOC-OCV曲线；
基于获取的电极材料SOC-OCV曲线，得到电极材料嵌锂量-OCV曲线。
5.根据权利要求4所述的一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，其中基于给定放电深度，获取电极材料的多组放电电流和电压数据，包括以下步骤：
分别测得电极材料在不同放电倍率下的放电曲线；
基于测得的放电曲线，获取给定放电深度下的多组放电电流和电压数据。
6.根据权利要求5所述的一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，其中分别测得电极材料在不同放电倍率下的放电曲线，包括以下步骤：
在锂电池内植入第三电极；
连接第三电极与正极材料或负极材料：
测得正极材料或负极材料在不同放电倍率下的放电曲线。
7.根据权利要求4所述的一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，其中基于绘制的放电电流-电压曲线，确定目标电压数据，包括以下步骤：
将绘制的放电电流-电压曲线，按照曲线延伸趋势延长到电流小于等于0.020C的位置，获得目标曲线；
基于目标曲线，得到电流小于等于0.020C时，目标曲线相应位置的目标电压数据；
所述目标电压数据为电极材料的OCV。
8.根据权利要求4所述的一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，其中得到电极材料嵌锂量-OCV曲线，为得到正极电极材料嵌锂量-OCV曲线，包括以下步骤：
正极材料的化学式为LixMO2，其中M可以是Ni或Co或Mn元素中一种或多种，化学计量比加和为1，0<x<1；
x满足如下公式：
Figure 656323DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 839042DEST_PATH_IMAGE002
为DOD数值；
Figure 618779DEST_PATH_IMAGE003
为SOC=100%时，正极材料对应的嵌锂量；
Figure 217251DEST_PATH_IMAGE004
为SOC=0%时，正极材料对应的嵌锂量，
Figure 31623DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 119665DEST_PATH_IMAGE003
+全电池容量/正极材料理论容量。
9.根据权利要求4所述的一种获取二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法，其特征在于，其中得到电极材料嵌锂量-OCV曲线，为得到负极电极材料嵌锂量-OCV曲线，包括以下步骤：
负极材料的化学式为LiyC6，其中0<y<1；
y满足如下公式：
Figure 386698DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 414959DEST_PATH_IMAGE002
为DOD数值；
Figure 83838DEST_PATH_IMAGE006
为SOC=100%时，负极材料对应的嵌理量；
Figure 342781DEST_PATH_IMAGE007
为SOC=0%时，负极材料对应的嵌锂量，
Figure 97111DEST_PATH_IMAGE007
=
Figure 37385DEST_PATH_IMAGE006
-全电池容量/负极材料理论容量。
10.一种获取二次电池SOC-OCV曲线和二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的装置，其特征在于：所述装置包括存储器和处理器，所述存储器中存储有至少一条程序指令，所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现如权利要求1-3任一所的述获取二次电池SOC-开路电压OCV曲线和权利要求4-9任一所述的二次电池电极材料嵌锂量-OCV曲线的方法。
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