一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统

专利名称：一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010577763.8

专利申请（专利权）人：南京南瑞继保电气有限公司,南京南瑞继保工程技术有限公司
权利人地址：江苏省南京市江宁区苏源大道69号

专利发明（设计）人：王万纯,魏阳,侯炜,徐光福,陈俊

专利摘要：本发明公开了一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统，本发明先计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，然后利用负极固相扩散系数，计算负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值，最后根据电池负极容量和稳定值，利用短时放电数据，快速计算出给定温度下电池最大可放电容量，对低温环境下的电池容量测试或状态估计有着重要的理论价值与现实意义。

主权利要求：
1.一种锂离子电池最大可放电容量估计方法，其特征在于：包括，
根据电池电压模型和标准温度条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量；
根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；
根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值；其中，计算负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为，其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；
为固相扩散过程中锂离子
体积平均浓度流量；
为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，e为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数；
根据电池负极容量和稳定值，计算给定温度下电池最大可放电容量。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池最大可放电容量估计方法，其特征在于：计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数公式为，其中，Ds,n,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，R为气体常数，Tref为标准温度，T为实际环境温度。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池最大可放电容量估计方法，其特征在于：计算给定温度下电池最大可放电容量公式为，其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度。
4.一种锂离子电池最大可放电容量估计系统，其特征在于：包括，
负极容量计算模块：根据电池电压模型和标准温度条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量；
负极固相扩散系数计算模块：根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；
稳定值计算模块：根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值；其中，计算负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为，其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；
为固相扩散过程中锂离子
体积平均浓度流量；
为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，e为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数；
最大可放电容量计算模块：根据电池负极容量和稳定值，计算给定温度下电池最大可放电容量。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池最大可放电容量估计系统，其特征在于：负极固相扩散系数计算模块计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数公式为，其中，Ds,n,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，R为气体常数，Tref为标准温度，T为实际环境温度。
6.根据权利要求4所述的一种锂离子电池最大可放电容量估计系统，其特征在于：最大可放电容量计算模块计算给定温度下电池最大可放电容量公式为，其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度。
7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至3所述的方法中的任一方法。
8.一种计算设备，其特征在于：包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至3所述的方法中的任一方法的指令。 说明书 : 一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统，属于电池管理领域。背景技术[0002] 锂离子电池凭借较高的比能量、比功率和其他良好的性能，现在已经广泛应用于新能源汽车领域。然而，锂离子电池的优良性能，会随着温度的降低而衰减，特别当锂离子电池所处环境低于‑10℃时，电池的容量衰退严重。如何在不进行完全放电的条件下，实现对测试或工作温度条件下电池最大可放电容量的快速测量，仍然是一项亟待解决的工作。发明内容[0003] 本发明提供了一种锂离子电池最大可放电容量估计方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。[0004] 为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：[0005] 一种锂离子电池最大可放电容量估计方法，包括，[0006] 根据电池电压模型和标准温度条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量；[0007] 根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；[0008] 根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值；[0009] 根据电池负极容量和稳定值，计算给定温度下电池最大可放电容量。[0010] 计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数公式为，[0011][0012] 其中，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Ds,n,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，R为气体常数，Tref为标准温度，T为实际环境温度。[0013] 计算负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为，[0014][0015][0016] 其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；[0017] 为固相扩散过程中锂离子体积平均浓度流量；[0018] 为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，ε为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数。[0019] 计算给定温度下电池最大可放电容量公式为，[0020][0021] 其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度。[0022] 一种锂离子电池最大可放电容量估计系统，包括，[0023] 负极容量计算模块：根据电池电压模型和标准温度条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量；[0024] 负极固相扩散系数计算模块：根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；[0025] 稳定值计算模块：根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值；[0026] 最大可放电容量计算模块：根据电池负极容量和稳定值，计算给定温度下电池最大可放电容量。[0027] 负极固相扩散系数计算模块计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数公式为，[0028][0029] 其中，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Ds,n,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，R为气体常数，Tref为标准温度，T为实际环境温度。[0030] 稳定值计算模块计算负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为，[0031][0032][0033] 其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；[0034] 为固相扩散过程中锂离子体积平均浓度流量；[0035] 为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，ε为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数。[0036] 最大可放电容量计算模块计算给定温度下电池最大可放电容量公式为，[0037][0038] 其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度。[0039] 一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行锂离子电池最大可放电容量估计方法。[0040] 一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行锂离子电池最大可放电容量估计方法的指令。[0041] 本发明所达到的有益效果：本发明先计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，然后利用负极固相扩散系数，计算负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值，最后根据电池负极容量和稳定值，利用短时放电数据，快速计算出给定温度下电池最大可放电容量，对低温环境下的电池容量测试或状态估计有着重要的理论价值与现实意义。附图说明[0042] 图1为本发明方法的流程图；[0043] 图2为不同环境温度下的负极活性粒子表面浓度；[0044] 图3为不同环境温度下的负极活性粒子平均浓度；[0045] 图4为不同环境温度下的负极活性粒子平均浓度‑表面浓度差。具体实施方式[0046] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。[0047] 如图1所示，一种锂离子电池最大可放电容量估计方法，包括以下步骤：[0048] 步骤1，根据电池电压模型和标准温度(25℃)条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量。[0049] 电池单体以先恒流再恒压的方式充满后，以0.04C(C为电池电流倍率的单位，其在数值上等于电池电流与电池标称容量之比)恒流放电到达下限截止电压，记录电池恒流放电测试数据，即放电过程中电压及电流数据；利用标准温度条件下电池恒流放电测试数据，对电池电压模型中的参数进行计算，获得电池负极容量。[0050] 电池电压模型为：[0051] U(t)＝Up(SOCp,0+I·t/Qp)‑Un(SOCn,0+I·t/Qn)‑I·Ro[0052] 其中，U(t)为电池端电压，I为负载电流，Ro为电池欧姆内阻，t为电池工作时间，Up为电池正极电势函数，Un为电池负极电势函数，SOCp,0为正极初始SOC，SOCn,0为负极初始SOC，Qp为正极容量，Qn为负极容量。[0053] 步骤2，根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，利用阿伦尼斯方程，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，即对标准温度下的负极固相扩散系数进行修订，获得给定温度下负极固相扩散系数。[0054][0055] 其中，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Ds,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，Ds,ref和Eact可从电池厂家获取，R为气体常数，Tref为标准温度(一般取25℃)，T为实际环境温度(即给定温度)。[0056] 步骤3，根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电(放电倍率不大于1/2C)过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度(见图2和3)，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值(见图4)。[0057] 对充满电的电池在给定温度下进行恒流放电(放电倍率不大于1/2C)，并实时计算这一过程中电池负极材料活性粒子的表面浓度与平均浓度，直至平均浓度与表面浓度差值达到稳定，结束放电。[0058] 负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为：[0059][0060][0061] 其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；[0062] 为固相扩散过程中锂离子体积平均浓度流量；[0063] 为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，ε为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数。[0064] 步骤4，根据电池负极容量和稳定值，只需短时部分放电(一般十分钟内)，即可快速计算出给定温度下电池最大可放电容量。[0065] 计算给定温度下电池最大可放电容量公式为：[0066][0067] 其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度，不随温度改变，可从电池厂家获取或从现有研究类似电池的文献中查到。[0068] 上述方法先计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，然后利用负极固相扩散系数，计算负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值，最后根据电池负极容量和稳定值，利用短时放电数据，快速计算出给定温度下电池最大可放电容量，对低温环境下的电池容量测试或状态估计有着重要的理论价值与现实意义。[0069] 一种锂离子电池最大可放电容量估计系统，包括，[0070] 负极容量计算模块：根据电池电压模型和标准温度条件下电池恒流放电测试数据，计算电池负极容量。[0071] 负极固相扩散系数计算模块：根据标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数。[0072] 负极固相扩散系数计算模块计算给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数公式为：[0073][0074] 其中，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Ds,n,ref为标准温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数，Eact为活化能，R为气体常数，Tref为标准温度，T为实际环境温度。[0075] 稳定值计算模块：根据负极固相扩散系数，实时计算给定温度下满电电池恒流放电过程中的负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度，获取负极材料活性粒子平均浓度与表面浓度差的稳定值。[0076] 稳定值计算模块计算负极材料活性粒子平均浓度和表面浓度公式分别为，[0077][0078][0079] 其中， 为负极材料活性粒子平均浓度， 为负极锂离子放电初始浓度，Rn为负极活性粒子半径， 为负极材料活性粒子表面浓度，Ds,n为给定温度下电池中锂离子的负极固相扩散系数；；[0080] 为固相扩散过程中锂离子体积平均浓度流量；[0081] 为孔壁流量密度，I为负载电流，a为负极活性物质粒子比表面积，ε为负极活性粒子固相体积分数，L为负极厚度，F为法拉第常数。[0082] 最大可放电容量计算模块：根据电池负极容量和稳定值，计算给定温度下电池最大可放电容量。[0083] 最大可放电容量计算模块计算给定温度下电池最大可放电容量公式为：[0084][0085] 其中，Qdis为给定温度下电池最大可放电容量，Qdis,ref为标准温度下电池放电容量，Qn为负极容量， 为稳定值， 为标准温度标准放电倍率下的平均浓度与表面浓度差值， 为负极最大嵌锂浓度。[0086] 一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行锂离子电池最大可放电容量估计方法。[0087] 一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行锂离子电池最大可放电容量估计方法的指令。[0088] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。[0089] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0090] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。[0091] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0092] 以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

专利地区：江苏

专利申请日期：2020-06-23

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113836471B