[发明专利]电池单体的容量和荷电状态的估计方法

说明书

技术领域

本发明属于车用动力电池技术领域，具体涉及一种电池单体的容量和荷电状态的估计方法。

背景技术

电池单体间的一致性，尤其是各串联电池单体间容量的一致性直接关系到成组后的电池组容量。而电池组容量的大小关系到成组的能量密度和电动汽车的最大行驶里程，因此确定电池组容量对电动汽车剩余行驶里程的估计是很有意义的。

电池组容量即电池组可用电量，一般指的是在25℃的环境下，从电池组内某一节电池单体为充满状态的情况下，以1/3库伦的放电倍率放电一直到组内某一节电池单体的电量完全放空所能够释放的电量。通常电池单体容量是按放电容量定义的，但由于LiFePO₄电池的库仑效率很高，其可以达到99.5%以上，充电容量和放电容量差异很小，因此在电动汽车上，充电容量近似作为电池组容量也是合理的。在没有均衡的情况下，放电时电池组的电池单体容量和SOC（State of Charge，荷电状态）的不一致性必然导致电池组中某个或某些电池单体的电放完了，例如设为电池单体A，而其他电池单体仍有剩余电量，但此时电池组不能继续进行放电，否则会导致电池组寿命大大减少，甚至造成安全问题。同样，某个或某些电池单体达到其满充电量时，例如设为电池单体B，B和A可以为同一个电池单体，而其他电池单体仍未充满。从电池单体A放空后进行充电至电池单体B充满为止的这一段时间内充入电池组的电量即可以认为电池组容量，如果B和A为同一个电池单体时，电池组容量即为电池单体A的容量。对于尚未完全放空的电池组，如果进行放电，则可以放出的电量为电池单体最小剩余可用电量，若进行充电，则充入电量为电池单体最小可充电电量，因此可以认为电池组容量为组内电池单体最小剩余可用电量与最小可充电电量之和，即其计算表达式为

C_Pack(t)=min(C_r(t))+min((1-SOC(t))·C(t))

其中C_Pack(t)为t时刻电池组可用电量，C_r(t)为电池单体的最小剩余可用电量，C(t)为电池单体的容量，min((1-SOC(t))·C(t))为电池单体的最小可充电电量。当拥有最小剩余可用电量的电池单体其可充电电量又是最小的情况下，电池组容量等于该电池单体容量，且该电池单体容量为组内容量最小的电池单体。因此通常认为的电池组容量取决于电池组中容量最小的电池单体是有前提的。在很多情况下，剩余可用电量最小的电池单体其可充电电量不一定是最小的，因此实际电池组容量一般小于电池组中任意电池单体的容量。

在计算电池单体容量时，通常按其放电容量计算，但研究充电容量的优势在于电动汽车上随着工况的不同，电池单体放电情况非常复杂多变，而充电情况则是单一固定的。而且LiFePO₄电池的库仑效率很高，充电容量可以近似为电池单体容量。而充电容量根据其充电方式分为两部分，一部分是在恒流充电阶段下的恒流充电容量，另一部分是在恒压充电阶段下的恒压充电容量。由于在标准充电情况下，LiFePO₄电池单体恒压充电容量仅占电池单体容量约2%，且控制电池组内电池单体恒压充电的技术相对复杂，因而在很多电动汽车上通常只进行恒流充电。

另外相比在实验室里进行的电池组完整充电过程，电动汽车上的充电电压-充电电量曲线则是不完整的，这是因为驾驶者通常不会在电动汽车完全没有电量的情况下的才进行充电。而除非遇到特殊情况，一般用户倾向于在充电时将电动汽车完全充满。在这种情况下，利用安时积分法可以得到的仅为充入电池组内的电量，电池组容量是不可测量的。

事实上，电池组初始容量是可以通过实验测量得到，即将电池组按照电池厂商推荐的标准容量测试手段进行完全的充放，从而计算出电池组的初始容量。但由于使用过程中电池单体的容量衰减，电池组的容量会发生变化，因此即使利用实验手段得到电池组的初始容量，其意义也是有限的。对于电动汽车而言，没有人愿意冒着抛锚的危险将电池组的剩余电量耗尽从而去完成一次使用过程中电池组容量的测量。目前有很多人研究电池单体的容量衰减，但即使处于完全一致的使用环境下，由于电池单体间的差异，电池单体容量衰减仍然存在不一致性，因此如果采用电池单体容量衰减规律的研究方法去预测电池组容量的衰减应当是非常困难和极不准确的，而目前也确实没有相关的研究内容。由于实验方法的不现实性和预测方法的不准确性，如何精确估计电动汽车当前电池组容量是一个具有挑战性的问题。

发明内容