技术领域
[0001] 本
发明涉及到锂电池技术领域，具体涉及到一种锂电池
能量状态估算方法。
背景技术
[0002] 电池状态一般以电池剩余电量进行表征，可以从容量或者能量的
角度进行描述，前者表示剩余容量占额定容量的比值，即电池
荷电状态(SOC)；后者表示剩余可用能量占总能量的比值，即电池能量状态(SOE)。由于SOC描述的是电量变化的情况，同时与端
电压之间存在较强的耦合关系，采用SOC预测与功率直接相关的参数时易于导致较大的预测误差。而SOE则与功率参数线性相关，因此在实际应用中，采用SOE对电池的续驶里程、续航时间等进行衡量和估算，将是一种较为精确的方法。
[0003] 但是目前电池能量状态估算
精度仍然不高，一方面是计算模型不精确，电池变工况运行时，其电学、热学参数均发生变化，上述变化对电池所带来的损失能量暂时没有得到较为完善的考虑；另一方面，电池初始能量状态的估算也未形成较好的方案，导致目前整体估算精度仍然较低。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种锂电池能量状态估算方法，以解决锂电池能量状态估算不精确的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 一种锂电池能量状态估算方法，其包括以下步骤：
[0007] 步骤1、将锂电池放电过程的能量分为
电能、
热能以及损失能量三部分，在考虑电能、热能和损失能量的
基础上，建立锂电池能量状态的数学估算模型为：
[0008]
[0009] 其中，SOE(k)为当前时刻电池能量状态，SOE(k-1)为上一时刻电池能量状态，tk、tk-1分别为当前时刻和上一时刻时间值，u为电池端电压，i为放电
电流且取正值，R为电池内阻，Emax为电池最大可用能量，Eloss(i,T)为电池的损失能量，Esum(i,T)为电池释放的电能和热能的总和；
[0010] 步骤2、采用电池全过程放电法获得电池的电能和热能参数：以放电截止电压a1V，上限截止
温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：电池在非标准放电工况下放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数；
[0011] 步骤3、利用上述电能和热能的参数，分别得到至少两组电池在放电过程中第一阶段消耗的电能We1(i,T)和热能Wh1(i,T)，第二阶段消耗的电能We2(i,T)和热能Wh2(i,T)，则[0012] We1(i,T)＝u1×i1×Δt (2)
[0013] Wh1(i,T)＝i12×R1×Δt (3)
[0014] 并得到电池第一阶段释放的能量：
[0015] We2(i,T)＝u2×i2×Δt (5)
[0016] Wh2(i,T)＝i22×R2×Δt (6)
[0017] 并得到电池第二阶段释放的能量：
[0018] 电池的总放电电能为：E(i,T)＝Esum(i,T)+E'sum(i,T)
[0019] 其中，Δt＝tk-tk-1，u1和i1分别为第一阶段时电池端电压和放电电流，u2和i2分别为第二阶段时电池端电压和放电电流，电池内阻R为电池欧姆内阻和极化内阻的总和；
[0020] 步骤4、利用至少两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，
[0021] 从而电池最大可用能量即为：Emax＝E(i,T)max (8)
[0022] 则可知电池在T时刻损失能量为：
[0023] Eloss(I,T1)＝Emax-Esum(I,T1) (9)；
[0024] 步骤5、将式(4)、(8)和(9)代入式(1)中，即可得到T时刻电池的能量状态SOE(k)。
[0025] 实践表明，锂电池在不同放电工况下，其释放的电能和热能并不相同，而电能和热能的总和也不一致，这一现象说明在特定放电工况下电池存在能量损失，导致其最大可用能量无法全部转化为电能和热能。本发明通过在估算模型中引入损失能量的参数，可反映不同放电电流、不同
环境温度对能量状态的影响，综合考虑了电能、热能和损失能量对电池能量状态估算的影响，从而获得准确的锂电池能量状态。同时，电池放电采用全过程放电法，并以两阶段的电能和热能拟合得到电池最大可用能量，对传统额定能量参数进行修正，进一步提高了估算的准确度。
[0026] SOE为100％的状态定义为电池满充状态，也即在标准充电工况下，采用先恒流后恒压的方式对电池进行充电直至充电电流小于0.02C，此时认为SOE为100％；SOE为0％的状态定义为电池最大可用能量Emax全部消耗的状态。
[0027] 作为本发明的一种改进，电池初始能量状态SOE(0)通过电池当前的荷电状态SOC(0)得到，其关系式为：
[0028] SOE(0)＝m×SOC(0)+n (10)
[0029] 其中，m、n为SOE和SOC曲线的耦合系数。
[0030] 进一步地，所述电池全过程放电的第一阶段的具体过程为：在额定环境温度下，以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，在不同放电倍率下对电池进行放电，放电直至达到截止条件。
[0031] 进一步地，所述电池全过程放电的第一阶段的具体过程为：在额定放电倍率下，以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，在不同环境温度下对电池进行放电，放电直至达到截止条件。
[0032] 作为本发明的一种改进，所述步骤2中采用电池全过程放电法获得电池的电能和热能参数：第一组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：在额定环境温度下，在不同放电倍率下对电池进行放电，放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数；
[0033] 第二组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：在额定放电倍率下，在不同环境温度下对电池进行放电，放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0034] 与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0035] 本发明通过在估算模型中引入损失能量的参数，可反映不同放电电流、不同环境温度对能量状态的影响，在综合考虑了电能、热能和损失能量对电池能量状态估算影响的情况下，获得准确的锂电池能量状态；同时，电池放电采用全过程放电法，并以两阶段的电能和热能拟合得到电池最大可用能量，对传统额定能量参数进行修正，进一步提高了估算的准确度。
附图说明
[0036] 图1为本发明锂电池能量状态估算方法的
流程图；
[0037] 图2为SOE和SOC的耦合曲线图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体
实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
[0039] 本发明通过在估算模型中引入损失能量的参数，可反映不同放电电流、不同环境温度对能量状态的影响，在综合考虑了电能、热能和损失能量对电池能量状态估算影响的情况下，获得准确的锂电池能量状态。
[0040] SOE为100％的状态定义为电池满充状态，也即在标准充电工况下，采用先恒流后恒压的方式对电池进行充电直至充电电流小于0.02C，此时认为SOE为100％；SOE为0％的状态定义为电池最大可用能量Emax全部消耗的状态。
[0041] 实施例1
[0042] 请参考图1，一种锂电池能量状态估算方法，其包括以下步骤：
[0043] 步骤1、将锂电池放电过程的能量分为电能、热能以及损失能量三部分，在考虑电能、热能和损失能量的基础上，建立锂电池能量状态的数学估算模型为：
[0044]
[0045] 其中，SOE(k)为当前时刻电池能量状态，SOE(k-1)为上一时刻电池能量状态，tk、tk-1分别为当前时刻和上一时刻时间值，u为电池端电压，i为放电电流且取正值，R为电池内阻，Emax为电池最大可用能量，Eloss(i,T)为电池的损失能量，Esum(i,T)为电池释放的电能和热能的总和；
[0046] 其中，在本实施例中，电池初始能量状态SOE(0)通过电池当前的荷电状态SOC(0)得到，其关系式为：
[0047] SOE(0)＝m×SOC(0)+n (10)
[0048] m、n为SOE和SOC曲线的耦合系数。
[0049] 步骤2、采用电池全过程放电法获得电池的电能和热能参数：以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：电池在非标准放电工况下放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数；
[0050] 在本实施例中，所述电池全过程放电的第一阶段的具体过程为：在额定环境温度下，以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，在不同放电倍率下对电池进行放电，放电直至达到截止条件。
[0051] 步骤3、利用上述电能和热能的参数，分别得到至少两组电池在放电过程中第一阶段消耗的电能We1(i,T)和热能Wh1(i,T)，第而阶段消耗的电能We2(i,T)和热能Wh2(i,T)，则[0052] We1(i,T)＝u1×i1×Δt (2)
[0053] Wh1(i,T)＝i12×R1×Δt (3)
[0054] 并得到电池第一阶段释放的能量：
[0055] We2(i,T)＝u2×i2×Δt (5)
[0056] Wh2(i,T)＝i22×R2×Δt (6)
[0057] 并得到电池第二阶段释放的能量：
[0058] 电池的总放电电能为：E(i,T)＝Esum(i,T)+E'sum(i,T)
[0059] 其中，Δt＝tk-tk-1，u1和i1分别为第一阶段时电池端电压和放电电流，u2和i2分别为第二阶段时电池端电压和放电电流，电池内阻R为电池欧姆内阻和极化内阻的总和。
[0060] 步骤4、利用至少两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，
[0061] 从而电池最大可用能量即为：Emax＝E(i,T)max (8)
[0062] 则可知电池在T时刻损失能量为：
[0063] Eloss(I,T1)＝Emax-Esum(I,T1) (9)；
[0064] 步骤5、将式(4)、(8)和(9)代入式(1)中，即可得到T时刻电池的能量状态SOE(k)。
[0065] 以下通过具体例子对上述过程进行讲解：选取一款额定电压/容量为3.2V/20Ah的
磷酸铁锂电池为实验对象，通过BMS对其进行监控，设置其放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃，允许其最大放电电流为3C。
[0066] 为得到电池初始能量状态SOE(0)，需要首先确定该锂电池SOE与SOC的对应关系，其方法为：采用标准充电方法对电池进行充电直至达到满充状态，规定此时电池SOE为100％、SOC为100％。接着在标准放电工况下(放电倍率为1/3C、环境温度为25℃)，对电池进行放电直至达到放电截止条件。通过对放电过程的容量和能量数据进行百分比处理，以SOC作为自变量、SOE作为因变量，得到SOE和SOC的对应曲线如图2所示，拟合得到耦合系数m为
1.0374，n为-3.7508。因此，根据当前静置状态下锂电池SOC数值，代入初始能量状态计算公式，得到初始能量SOE的当前值，该计算结果代表百分比数值。电池初始能量状态由静置状态下的
电池荷电状态SOC得到，有效提高了电池能量状态SOE的估算精度。
[0067] 接着，以放电倍率1/3C、环境温度25℃作为标准放电工况，采用电池全过程放电法，放电过程分为两个阶段，第一阶段：设置恒温箱环境温度为25℃，以放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃作为放电截止条件，分别采用2.5C、2C、1.5C、1C、0.5C、1/3C的放电倍率进行放电，并记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至25℃，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0068] 基于上述放电过程得到的实验数据，结合
采样时间间隔以及电池内阻R(R取电池欧姆内阻和极化内阻的总和)，根据公式：
[0069] We1(i,T)＝u1×i1×Δt (2)
[0070] Wh1(i,T)＝i12×R1×Δt (3)
[0071] 得到电池第一阶段释放的能量：
[0072] 根据公式：
[0073] We2(i,T)＝u2×i2×Δt (5)
[0074] Wh2(i,T)＝i22×R2×Δt (6)
[0075] 得到电池第二阶段释放的能量：
[0076] 将上述电池第一阶段和第二阶段释放的能量相加即得到电池的总放电电能为：E(i,T)＝Esum(i,T)+E'sum(i,T)。利用至少两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，从而电池最大可用能量即为：
[0077] Emax＝E(i,T)max (8)
[0078] 结合得到的Emax以及任一工况下Esum(I,T1)的数值，计算得到该工况对应的电池损失能量Eloss(I,T1)，则可知电池在T时刻损失能量为：
[0079] Eloss(I,T1)＝Emax-Esum(I,T1) (9)
[0080] 将初始能量状态SOE(0)、(4)、(8)和(9)代入式(1)中，在积分时间段段[tk,tk-1]内，通过BMS采集得到的电压u、电流i和温度t，对电池能量状态SOE进行实时估算，即可得到T时刻电池的能量状态SOE(k)。
[0081] 实施例2
[0082] 本实施例与实施例1不同之处在于，在步骤2中，所述电池全过程放电的第一阶段的具体过程为：在额定放电倍率下，以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，在不同环境温度下对电池进行放电，放电直至达到截止条件。
[0083] 以下通过具体例子对上述过程进行讲解：选取一款额定电压/容量为3.2V/20Ah的磷酸铁锂电池为实验对象，通过BMS对其进行监控，设置其放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃，允许其最大放电电流为3C。
[0084] 为得到电池初始能量状态SOE(0)，需要首先确定该锂电池SOE与SOC的对应关系，其方法为：采用标准充电方法对电池进行充电直至达到满充状态，规定此时电池SOE为100％、SOC为100％。接着在标准放电工况下(放电倍率为1/3C、环境温度为25℃)，对电池进行放电直至达到放电截止条件。通过对放电过程的容量和能量数据进行百分比处理，以SOC作为自变量、SOE作为因变量，得到SOE和SOC的对应曲线如图2所示，拟合得到耦合系数m为
1.0374，n为-3.7508。因此，根据当前静置状态下锂电池SOC数值，代入初始能量状态计算公式，得到初始能量SOE的当前值，该计算结果代表百分比数值。
[0085] 接着，以放电倍率1/3C、环境温度25℃作为标准放电工况，采用电池全过程放电法，放电过程分为两个阶段，第一阶段：设置电池的放电倍率为3C，以放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃作为放电截止条件，分别采用35℃、25℃、15℃、5℃、0℃的环境温度进行放电，并记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至25℃，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0086] 基于上述放电过程得到的实验数据，结合采样时间间隔以及电池内阻R(R取电池欧姆内阻和极化内阻的总和)，根据公式：
[0087] We1(i,T)＝u1×i1×Δt (2)
[0088] Wh1(i,T)＝i12×R1×Δt (3)
[0089] 得到电池第一阶段释放的能量：
[0090] 根据公式：
[0091] We2(i,T)＝u2×i2×Δt (5)
[0092] Wh2(i,T)＝i22×R2×Δt (6)
[0093] 得到电池第二阶段释放的能量：
[0094] 将上述电池第一阶段和第二阶段释放的能量相加即得到电池的总放电电能为：E(i,T)＝Esum(i,T)+E'sum(i,T)。利用至少两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，从而电池最大可用能量即为：
[0095] Emax＝E(i,T)max (8)
[0096] 结合得到的Emax以及任一工况下Esum(I,T1)的数值，计算得到该工况对应的电池损失能量Eloss(I,T1)，则可知电池在T时刻损失能量为：
[0097] Eloss(I,T1)＝Emax-Esum(I,T1) (9)
[0098] 将初始能量状态SOE(0)、(4)、(8)和(9)代入式(1)中，在积分时间段段[tk,tk-1]内，通过BMS采集得到的电压u、电流i和温度t，对电池能量状态SOE进行实时估算，即可得到T时刻电池的能量状态SOE(k)。
[0099] 实施例3
[0100] 其与实施例1不同的是：所述步骤2中采用电池全过程放电法获得电池的电能和热能参数：第一组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：在额定环境温度下，在不同放电倍率下对电池进行放电，放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数；
[0101] 第二组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电截止电压a1V，上限截止温度b1℃作为放电截止条件，放电过程分为两个阶段，第一阶段：在额定放电倍率下，在不同环境温度下对电池进行放电，放电直至达到截止条件，记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至额定温度，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0102] 两组电池的电能和热能参数分别通过在不同非标准放电工况下获得，然后利用上述两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，此时得到的电池最大可用能量比只通过在单一非标准放电工况下拟合得到的电池最大可用能量更加准确。
[0103] 以下通过具体例子对上述过程进行讲解：选取一款额定电压/容量为3.2V/20Ah的磷酸铁锂电池为实验对象，通过BMS对其进行监控，设置其放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃，允许其最大放电电流为3C。
[0104] 为得到电池初始能量状态SOE(0)，需要首先确定该锂电池SOE与SOC的对应关系，其方法为：采用标准充电方法对电池进行充电直至达到满充状态，规定此时电池SOE为100％、SOC为100％。接着在标准放电工况下(放电倍率为1/3C、环境温度为25℃)，对电池进行放电直至达到放电截止条件。通过对放电过程的容量和能量数据进行百分比处理，以SOC作为自变量、SOE作为因变量，得到SOE和SOC的对应曲线如图2所示，拟合得到耦合系数m为
1.0374，n为-3.7508。因此，根据当前静置状态下锂电池SOC数值，代入初始能量状态计算公式，得到初始能量SOE的当前值，该计算结果代表百分比数值。
[0105] 接着，第一组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电倍率1/3C、环境温度25℃作为标准放电工况，采用电池全过程放电法，放电过程分为两个阶段，第一阶段：设置恒温箱环境温度为25℃，以放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃作为放电截止条件，分别采用2.5C、2C、1.5C、1C、0.5C、1/3C的放电倍率进行放电，并记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至25℃，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0106] 第二组电池的电能和热能参数获得方式为：以放电倍率1/3C、环境温度25℃作为标准放电工况，采用电池全过程放电法，放电过程分为两个阶段，第一阶段：设置电池的放电倍率为3C，以放电截止电压为2V，上限截止温度为60℃作为放电截止条件，分别采用35℃、25℃、15℃、5℃、0℃的环境温度进行放电，并记录第一阶段电池的电能和热能的参数；第二阶段：第一阶段结束后，电池静置，待电池温度恢复至25℃，采用标准放电工况对电池进行放电直至达到截止条件，记录第二阶段电池的电能和热能参数。
[0107] 基于上述放电过程得到的实验数据，结合采样时间间隔以及电池内阻R(R取电池欧姆内阻和极化内阻的总和)，根据公式：
[0108] We1(i,T)＝u1×i1×Δt (2)
[0109] Wh1(i,T)＝i12×R1×Δt (3)
[0110] 得到电池第一阶段释放的能量：
[0111] 根据公式：
[0112] We2(i,T)＝u2×i2×Δt (5)
[0113] Wh2(i,T)＝i22×R2×Δt (6)
[0114] 得到电池第二阶段释放的能量：
[0115] 将上述电池第一阶段和第二阶段释放的能量相加即得到电池的总放电电能为：E(i,T)＝Esum(i,T)+E'sum(i,T)。利用两组E(i,T)数据进行函数拟合，并获得拟合函数的最大值E(i,T)max，从而电池最大可用能量即为：
[0116] Emax＝E(i,T)max (8)
[0117] 结合得到的Emax以及任一工况下Esum(I,T1)的数值，计算得到该工况对应的电池损失能量Eloss(I,T1)，则可知电池在T时刻损失能量为：
[0118] Eloss(I,T1)＝Emax-Esum(I,T1) (9)
[0119] 将初始能量状态SOE(0)、(4)、(8)和(9)代入式(1)中，在积分时间段段[tk,tk-1]内，通过BMS采集得到的电压u、电流i和温度t，对电池能量状态SOE进行实时估算，即可得到T时刻电池的能量状态SOE(k)。
[0120] 上述实施例仅用以说明本
专利而并非限制本专利所描述的技术方案；因此，尽管本
说明书参照上述的各个实施例对本专利已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本专利进行
修改或者等同替换；而一切不脱离本专利的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本专利的
权利要求范围当中。
