一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法。


背景技术：

2.目前，新能源锂离子电池在乘用车、商用车及专用车方面，得到广泛应用，因此，为了更好的利用电池，各车企普遍对动力电池在不同温度、不同soc(即荷电状态)下进行不同充放电时间时，所具有的最大脉冲电流、峰值功率以及直流内阻(dcir)值提出了明确需求。
3.但是，目前普遍采用hppc(混合动力脉冲能力特性)测试方法以及逐点测试法。其中，hppc方法采用恒电流法进行测试，提供最大脉冲电流表，测试功率值普遍偏大；逐点测试法占用太多的测试资源及时间，且不能对电流、功率以及直流内阻(dcir)值进行同步测试，测试时间远远超出车企客户的需求时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法。
5.为此，本发明提供了一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，其包括以下步骤：
6.第一步，在预设低温环境下，以预设放电电流对电池进行预设次数的容量标定，并记录最后一次的容量为c
t
；
7.预设次数，大于或者等于三次；
8.第二步，保持预设低温环境不变，以第一步的预设放电电流，对已通过第一步完成容量标定且已充满电的电池进行放电，直至电池的荷电状态soc等于预先指定的荷电状态c
tc
；
9.第三步，在预先指定的荷电状态c
tc
下，静置预设第一时长后，记录此时电池具有的初始电压v0，然后以多个预设大小的操作电流i，操作电流i是放电电流或者充电电流，依次对电池进行预设第二时长t的放电或充电操作，并在每次放电或充电操作，实时测试并记录电池电压值v；
10.第四步，建立不同操作电流i与电池电压值v的对应关系：以操作电流i的预设大小为横坐标，以每个预设大小的操作电流i所对应的电池电压值v为纵坐标，绘制电池的操作电流i与电池电压值v的散点图，然后通过对该散点图进行拟合，获得电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式；
11.第五步，将电池的放电终止电压v
min
或者充电终止电压v
max
，代入第四步获得的定量关系式，即可获得电池在预先指定的荷电状态c
tc
下具有的最大脉冲电流值i
max
；
12.第六步，根据电池的放电终止电压v
min
或者充电终止电压v
max
，以及最大脉冲电流
值i
max
，采用预设的计算公式，计算获得电池的峰值功率p
max
与直流内阻。
13.优选地，在第一步中，预设放电电流是0.2～1c，c用来表示电池充放电电流大小的比率，即倍率。
14.优选地，在第四步中，其中，当操作电流i为放电电流时，电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式为指数关系式，具体如下：
15.公式(1)：y＝a1*e^(b1*x)，a1和b1为指数函数系数；
16.当操作电流i为充电电流时，电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式为对数关系式，具体如下：
17.公式(2)：y＝a2ln(x) b2，a2和b2为对数函数系数；
18.y是电池电压值v，x是电池的操作电流i。
19.优选地，在第六步中，电池的峰值功率p
max
，包括峰值放电功率p
max放电
和峰值充电功率p
max充电
；
20.其中，峰值放电功率p
max放电
的计算公式是：p
max放电
＝v
min
*i
max
，公式(3)；
21.峰值充电功率p
max充电
计算公式是：p
max充电
＝v
max
*i
max
，公式(4)。
22.优选地，在第六步中，电池的直流内阻(dcir)包括放电时直流内阻和充电时直流内阻；
23.其中，放电时直流内阻(dcir)计算公式是：dcir＝(v
0-v
min
)/i
max
，公式(5)；
24.充电时直流内阻(dcir)计算公式是：dcir＝(v
max-v0)/i
max
，公式(6)。
25.由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，其设计科学，能够高效、方便、可靠地测量获得电池的最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻，具有重大的实践意义。
26.本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，与传统的测试方法(例如逐点测试法等)相比较，节省了测试时间以及测试资源，显著提高了测试效率。
附图说明
27.图1为本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法的流程图；
28.图2为本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，在实施例1中，在-10℃条件下，在80％soc放电10s的操作电流i与电池电压值v之间的散点图(具体是带平滑曲线的散点图)；
29.图3为本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，在实施例1中，在-20℃条件下，在50％soc充电30s的操作电流i与电池电压值v之间的散点图(具体是带平滑曲线的散点图)。
具体实施方式
30.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
31.参见图1至图3，本发明提供了一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和
直流内阻的方法，包括以下步骤：
32.参见图1，本发明提供了一种低温下动力锂离子电池soc-ocv曲线的精确测量方法，包括以下步骤：
33.第一步，在预设低温环境(例如-25～-15℃)下，以预设放电电流对电池进行预设次数的容量标定，并记录最后一次的容量为放电截止容量c
t
；
34.预设次数，大于或者等于三次；
35.在第一步中，预设放电电流是0.2～1c，c用来表示电池充放电电流大小的比率，即倍率。
36.需要说明的是，对电池进行容量标定的方法，为现有常见的方法，在此不再赘述。例如，对电池进行容量标定的方法，可以采用现有公知的国标测试方法。包括步骤：a、单体蓄电池按国标方法充电；b.在室温下，蓄电池以1ii(a)电流放电，直到放电至企业技术条件中规定的放电终止电压；c、计量放电容量(以ah计)；d、重复步骤a～c 5次，当连续3次试验结果的极差小于额定容量的3％,可提前结束试验，取最后3次试验结果的平均值。
37.需要说明的是，电池的容量取最少三次的，不是说非要三次，若前三次容量极差大，要进行4次、5次直至容量极差小于3％，根据测试经验，一般三次容量极差都小于3％。
38.第二步，保持预设低温环境不变，以第一步的预设放电电流，对已通过第一步完成容量标定且已充满电的电池进行放电，直至电池的荷电状态soc(即放出预设比例的容量后的电池容量)等于预先指定的荷电状态c
tc
(例如80％或者50％的荷电状态soc)；
39.需要说明的是，对于本发明，第一步中的第三次容量或者大于第三次的容量为c
t
，是电池从满电到放空电后所得的100％soc容量；第二步中预先指定的荷电状态c
tc
是标定待测试的容量，例如80％soc。对于本发明，先标定完第一步100％soc的容量，才可以计算第二步中预先指定荷电状态的容量c
tc
，例如标定到80％soc，则电池在充满电后需要放出20％soc容量。后续的处理步骤都是在预先指定的荷电状态c
tc
下进行的测试。
40.第三步，在预先指定的荷电状态c
tc
下，静置预设第一时长后，记录此时电池具有的初始电压v0，然后以多个(例如3～6个)预设大小的操作电流i，操作电流i是放电电流或者充电电流，依次对电池进行预设第二时长t(例如10秒或者30秒)的放电或充电操作，并在每次放电或充电操作，实时测试并记录电池电压值v；
41.在本发明中，具体实现上，根据电池倍率数据，在电芯性能可承受范围内，来选取多个(例如3～6个)预设大小的操作电流i。具体为：对电池分别测试指定温度下的0.2c-10c的数据，挑选放电电压到达下限电压(即放电终止电压)或充电到达上限电压(即充电终止电压)所用时间、放电容量、放电温升等数据，综合考虑在指定soc下是否可以放电至终止电压或者充电至终止电压达到所要求的预设时长。倍率数据，可以根据现有常规的测试方法获得。
42.具体实现上，具体的操作电流i，根据预先指定的荷电状态c
tc
的不同而不同，根据倍率数据及测试设备的量程获得。
43.在本发明中，具体实现上，预设第一时长，指标定到预先指定的荷电状态c
tc
下，为了消除电池极化，需要休眠30分钟～1小时(国标)。
44.在本发明中，具体实现上，预设第二时长t没有确定的时间，可以根据客户指标要求进行测试，一般包括2s、5s、10s、15s、18s、30s和60s等时间。
45.第四步，建立不同操作电流i与电池电压值v的对应关系：以操作电流i的预设大小为横坐标，以每个预设大小的操作电流i所对应的电池电压值v为纵坐标，绘制电池的操作电流i与电池电压值v的散点图(具体是带平滑曲线的散点图)，然后通过对该散点图进行拟合，获得电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式(即数学关系模型)；
46.其中，当操作电流i为放电电流时，电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式为指数关系式，具体如下：
47.公式(1)：y＝a1*e^(b1*x)，a1和b1为指数函数系数，y即是电池电压值v，x即是电池的操作电流i；
48.当操作电流i为充电电流时，电池的操作电流i与电池电压值v之间的定量关系式为对数关系式，具体如下：
49.公式(2)：y＝a2ln(x) b2，a2和b2为对数函数系数，y即是电池电压值v，x即是电池的操作电流i。
50.在以上公式中，以e为底的指数函数，e＝2.718281828459
…
，是自然常熟。a1,b1,a2,b2为常数，在现有的excel软件中，通过线性拟合功能可以直接获得。
51.第五步，将电池的放电终止电压v
min
或者充电终止电压v
max
，代入第四步获得的定量关系式(即数学关系模型)，即可获得电池在预先指定的荷电状态c
tc
下具有的最大脉冲电流值i
max
；
52.第六步，根据电池的放电终止电压v
min
或者充电终止电压v
max
，以及最大脉冲电流值i
max
，采用预设的计算公式，计算获得电池的峰值功率p
max
与直流内阻(dcir)。
53.在第六步中，电池的峰值功率p
max
，包括峰值放电功率p
max放电
和峰值充电功率p
max充电
；
54.其中，峰值放电功率p
max放电
的计算公式是：p
max放电
＝v
min
*i
max
，公式(3)；
55.峰值充电功率p
max充电
计算公式是：p
max充电
＝v
max
*i
max
，公式(4)。
56.在第六步中，电池的直流内阻(dcir)包括放电时直流内阻和充电时直流内阻；
57.其中，放电时直流内阻(dcir)的计算公式是：dcir＝(v
0-v
min
)/i
max
，公式(5)；
58.充电时直流内阻(dcir)的计算公式是：dcir＝(v
max-v0)/i
max
，公式(6)。
59.在以上公式中，放电终止电压v
min
或者充电终止电压v
max
：可以参考gb38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中3.16和3.17节的规定。
60.其中，放电终止电压：电池单体正常放电时允许达到的最低电压；充电终止电压：电池单体正常充电时允许达到的最高电压；不同体系(例如三元、铁锂)放电和充电终止电压均不同。v0：通过第三步获得；
61.为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
62.实施例1。
63.首先，在-10℃低温环境下，以0.3c电流对所测电芯进行三次容量标定并取第三次容量为c
t
；
64.然后，在预设温度(-10℃低温)下，标定容量至80％soc态，在充分静置(例如1小时)后，测量得到初始电压v0为4.088v，取100a、150a、200a、250a和300a五个电流值，分别测试电池在放电10秒后的电压值；
65.然后，建立不同电流i与电压v对应关系，绘制其电流i与电压v的曲线图(散点图)，参见图2，对曲线进行拟合，可得到指数关系模型y＝3.8516e^(-7e-04x)；该指数关系模型通过excel软件进行拟合获得。
66.然后，将放电终止电压v
min
＝2.8v带入指数关系模型，可得到80％soc态最大脉冲电流值i
max
为456a；需要说明的是，三元锂离子电池的放电终止电压为2.8v。
67.峰值放电功率p
max放电
＝v
min
*i
max
＝2.8*456＝1276.8w；
68.放电时直流内阻dcir＝(v
0-v
min
)/i
max
＝(4.088-2.8)/456*1000＝2.825mω。
69.与现有的逐点测试法结果相比，相差0.08％。
70.实施例2。
71.首先，在-20℃低温环境下，以0.2c电流对所测电芯进行三次容量标定并取第三次容量为c
t
；
72.然后，在预设温度(-20℃低温)下，标定容量至50％soc态，充分静置(例如1小时)后，测量得到初始电压v0为3.791v，取10a、15a、20a、25a和30a五个电流值，分别测试电池在充电30秒的电压值，建立不同电流i与电压v对应关系；
73.然后，绘制其电流i与电压v的曲线图(散点图)，参见图3，对曲线进行拟合，可得到对数关系模型y＝0.2567ln(x) 3.3772；该对数关系模型通过excel软件进行拟合获得。
74.然后，将充电终止电压v
max
＝4.3v带入指数关系模型，可得到50％soc态最大脉冲电流值i
max
为36a；需要说明的是，三元高电压体系电池的充电终止电压为4.3v。
75.峰值充电功率p
max充电
＝v
max
*i
max
＝4.3*36＝154.8w；
76.充电时直流内阻dcir＝(v
max-v0)/i
max
＝(4.3-3.791)/36*1000＝14.139mω。
77.与现有的逐点测试法结果相比，相差0.11％。
78.与现有的逐点测试法等方法相比较，现有的逐点测试法分别逐点测试每个soc态的最大脉冲电流、峰值功率、直流内阻，经过检验，所需要的时长总计大约需要24h，而对于本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，可同步进行测试，所需要的时长总计大约需要8h，可以节省3倍时间，因此显著节省了测试时间，提高了测试效率。
79.综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，其设计科学，能够高效、方便、可靠地测量获得电池的最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻，具有重大的实践意义。
80.本发明提供的一种快速同步测试电池最大脉冲电流、峰值功率和直流内阻的方法，与传统的测试方法(例如逐点测试法等)相比较，节省了测试时间以及测试资源，显著提高了测试效率。
81.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。