一种电池模组容量的估算方法与流程

1.本发明涉及电池技术领域，涉及一种电池模组容量的估算方法。


背景技术：

2.二次电池作为一种新型的替代能源正广泛应用于电子产品、电动汽车等多个领域。一般，电芯生产之后需要将其配套成为电池模组并投入应用，电池模组一般由几个或几百个单体电池通过串联和/或并联的方式形成。
3.电池模组出厂之前一般都需要进行容量测试，现有模组容量估算是通过模组整体的特性，根据充放电曲线上的相关特征点，以部分容量充放电来进行整体容量估算，该方法进行电池模组的容量测试包含了充满电和放空电等过程，因此整个流程耗时较长，大大增加了模组的制成周期，带来场地、人员、设备和能耗的损耗。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种电池模组容量的估算方法，所述方法包括以下步骤：
5.获取电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的充电截止温度；
6.获取每个单体电池在各自的充电截止温度下的理论容量值，以及每个单体电池在各自的充电截止温度下的实际soc值；
7.根据所述的每个单体电池在各自充电截止时刻温度下的理论容量值，以及每个单体电池在各自充电截止时刻下的实际soc值，计算每个单体电池的可充电电量和可放电电量；
8.根据所述的每个单体电池的可充电电量和每个单体电池的的可放电电量，获得所述电池模组的容量。
9.本发明中，soc指荷电状态，ocv指开路电压。
10.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，步骤(1)所述电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的温度通过下述方法获得：
11.取至少1个实验模组进行充放电容量测试，测试时监控实验模组中的每一个单体电池的温度值，记录每一个单体电池的温度。
12.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，步骤(1)所述电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的温度通过下述方法获得：
13.取至少1个实验模组进行充放电容量测试，测试时监控实验模组中至少3个位置的温度值，建立至少3个位置和温度的位置-温度关系模型，并根据所述的位置-温度关系模型获得每一个单体电池的温度。
14.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述每个单体电池在各自充电截止时刻下的理论容量值通过下述方法获得：
15.取至少1个单体电池，从室温至高温每间隔一定的温度间隔δt进行一次放电容量测试，根据测试温度和对应测试温度下测试得到的容量建立电池容量增率和测试温度的关
系模型，记为容量增率-温度关系模型，根据所述的容量增率-温度关系模型获得每个单体电池在其充电截止温度下的理论容量；
16.其中，电池容量增率＝(测试温度下测试的容量-初始容量)/初始容量，模型中的温度指的是测试温度。
17.通过建立电池容量增率和温度的关系模型，相比于建立电池容量增率和温度的关系模型具有如下优势：可以适用于不同标称容量的单体电池。
18.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述每个单体电池在各自的充电截止温度下的实际soc值通过下述方法获得：
19.获取单体电池的荷电状态soc和开路电压ocv的关系模型，记为soc-ocv关系模型，根据所述的soc-ocv关系模型获得每个单体电池的初始soc值；
20.取至少1个单体电池，将单体电池的soc在室温下设置为成组时的soc状态，然后从室温至高温每间隔一定的温度间隔δt进行一次放电测试，根据测试温度下的放电容量和测试温度下的理论容量，计算实际soc值，建立soc增率和测试温度的关系模型，记为soc增率-温度关系模型，根据所述的soc增率-温度关系模型获得每个单体电池在其充电截止温度时的实际soc；
21.soc增率＝(实际soc值-初始soc值)/初始soc值。
22.通过建立电池soc增率和温度的关系模型，相比于建立电池soc增率和温度的关系模型具有如下优势：可以适用于不同标称容量的单体电池。
23.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述soc-ocv关系模型通过下述方法获得：
24.取至少1个单体电池，以恒流恒压的方式充电，静置一段时间使电压稳定，然后进行放电，所述放电为：按照预设的倍率进行梯度放电，每次放电后静置一段时间使电压稳定，每次放出的电量为总电量的5％-10％，优选为5％。
25.记总的放电容量为cd，第一次放电的容量为c1，第一次放电并静置后的电压记为ocv2，第一次放电并静置后电池的soc记为soc2，soc2＝(c
d-c1)/cd，按照此计算方法即可获得任意soc以及对应的电压值，根据多组soc和电压数据，建立荷电状态soc和开路电压ocv的关系模型。
26.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，每次静置的时间独立地在60-120min的范围内，优选为80-120min。
27.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述每个单体电池的可充电电量通过下述公式计算得到：
28.c
cx
＝c
ax
*(1
–
soc
ax
)，其中，c
cx
为单体电池的可充电电量，c
ax
为单体电池在其充电截止温度下的理论容量，soc
ax
为单体电池在其充电截止温度下的实际soc。
29.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述每个单体电池的的可放电电量通过下述公式计算得到：
30.c
dx
＝c
ax
*soc
ax
，其中，c
dx
为单体电池的可放电电量。
31.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述电池模组的容量通过下述公式计算得到：
32.c模组＝min(c
cx
) min(c
dx
)，其中，c模组为电池模组的容量，min(c
cx
)为电池模组
中的所有单体的可充电电量中的最小值，min(c
dx
)为电池模组中的所有单体的可放电电量中的最小值。
33.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，用于建立模型采用的单体电池和实验模组的数量均为至少3个，所述模型包括位置-温度关系模型、容量增率-温度关系模型、soc-ocv关系模型和soc增率-温度关系模型；
34.与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
35.(1)本发明通过建立电池模组的容量估算模型，无需对模组进行充放电，即可根据电池模组成组时的各单体电池电压及组成模组的单体电池容量，估算模组的放电容量。因无需对模组进行充放电，大大降低了模组容量取得的时间，提高了效率，还节约了产线充放电设备采购成本，无需额外的硬件设置，成本低。
36.(2)本发明的方法算法简单，考虑了组成模组的每一串单体电池的容量发挥，以及电池实际使用温度对电池容量的影响，具有易实施，估算准确，效率高等优势。
37.(3)本发明的方法可以根据待估算容量的电池的成组soc对估算方法中的模型进行适应性调整，获得准确的估算结果。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，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，实施例的内容不构成对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的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。
39.现有模组容量估算是通过模组整体的特性，根据充放电曲线上的相关特征点，以部分容量充放电来进行整体容量估算，该方法进行电池模组的容量测试包含了充满电和放空电等过程，因此整个流程耗时较长，大大增加了模组的制成周期，带来场地、人员、设备和能耗的损耗。
40.至少为了解决上述问题，本发明在一个实施例中提供一种电池模组容量的估算方法，所述方法包括以下步骤：
41.(1)获取电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的充电截止温度；
42.(2)获取每个单体电池在各自的充电截止温度下的理论容量值，以及每个单体电池在各自的充电截止温度下的实际soc值；
43.(3)根据步骤(2)所述的每个单体电池在各自充电截止时刻温度下的理论容量值，以及每个单体电池在各自充电截止时刻下的实际soc值，计算每个单体电池的可充电电量和可放电电量；
44.(4)根据所述的每个单体电池的可充电电量和每个单体电池的的可放电电量，获得所述电池模组的容量。
45.本发明对电池模组的种类不作具体要求，可以是锂离子电池，也可以是钠离子电池。示例性地，锂离子电池可以是三元锂离子电池、磷酸铁锂系锂离子电池等。
46.本发明在一个实施例中，通过建立电池模组的容量估算模型，无需对模组进行充放电，即可根据电池模组成组时的各单体电池电压及组成模组的单体电池容量，估算模组的放电容量。因无需对模组进行充放电，大大降低了模组容量取得的时间，提高了效率，还
节约了产线充放电设备采购成本，无需额外的硬件设置，成本低。
47.在一个实施例中，步骤(1)所述电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的温度通过下述方法获得：取至少1个实验模组进行充放电容量测试，测试时监控实验模组中的每一个单体电池的温度值，记录每一个单体电池的温度。其中，实验模组包含多个单体电池，且单体电池的数量可根据需要选择，示例性地，待测试容量的电池模组包含12个单体电池，则此处的实验模组内的单体电池的数量适应性地为12个。
48.可选的，可以通过下述方式实现监控实验模组中的每一个单体电池的温度值：采用多路温度测试仪，将装置的温度传感器贴在每一个单体电池的极耳上，实时测量和记录每一个单体电池的温度。
49.在一个实施例中，步骤(1)所述电池模组内的每个单体电池在各自充电截止时刻下的温度通过下述方法获得：取至少1个实验模组进行充放电容量测试，测试时监控实验模组中至少3个位置的温度值，建立至少3个位置和温度的位置-温度关系模型，并根据所述的位置-温度关系模型获得每一个单体电池的温度。
50.此技术方案通过在电池模组内测试至少3个位置的温度值，利用建立模型的方式获得每一个单体电池的温度，避免了当电池模组内的单电池数量较多时单独每个测量引入的传感器过多的问题。其中，至少3个位置可以是3个、4个、5个、6个或8个等，当位置为3个时，优选将三个位置分别选定在电池模组的中心位置、以及分别靠近两侧边缘电芯的位置，且分别靠近两侧边缘电芯的位置相对中心位置呈对称结构。当位置大于3个时，优选等间距设置。
51.在一个实施例中，建立至少3个位置和温度的位置-温度关系模型的方法为拟合法，可以是线性拟合，也可以是曲线拟合。当位置为3个时，优选线性拟合，当位置大于3个时，优选曲线拟合。
52.在一个实施例中，步骤(2)所述每个单体电池在各自充电截止时刻下的理论容量值通过下述方法获得：
53.取至少1个单体电池，从室温至高温每间隔一定的温度间隔δt进行一次放电容量测试，根据测试温度和对应测试温度下测试得到的容量建立电池容量增率和测试温度的关系模型，记为容量增率温度关系模型，根据所述的容量增率-温度关系模型获得每个单体电池在其充电截止温度下的理论容量；其中，电池容量增率＝(测试温度下测试的容量-初始容量)/初始容量，模型中的温度指的是测试温度。
54.基于上述的容量增率-温度关系模型，可以根据电池的充电截止温度和初始容量(用充电截止温度替换公式中的测试温度，初始容量是已知的)，获得单体电池在其截止温度下的容量，也即单体电池在其充电截止温度下的理论容量。
55.本发明实施例中，室温为20-25℃，例如20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃等。
56.在一个实施例中，高温为40-50℃，例如40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃或50℃等，但并不局限于此温度范围，本领域中电池常见的高温使用温度也适用于本发明。
57.在一个实施例中，温度间隔δt例如可以是1-4℃，例如1℃、2℃、3℃或4℃等。
58.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，步骤(2)所述每个单体电池在各自的充电截止温度下的实际soc值通过下述方法获得：
59.(a)获取单体电池的荷电状态soc和开路电压ocv的关系模型，记为soc-ocv关系模型，根据所述的soc-ocv关系模型获得每个单体电池的初始soc值；
60.(b)取至少1个单体电池，将单体电池的soc在室温下设置为成组时的soc状态，然后从室温至高温每间隔一定的温度间隔δt进行一次放电测试，根据测试温度下的放电容量和测试温度下的理论容量，计算实际soc值，建立soc增率和测试温度的关系模型，记为soc增率-温度关系模型，根据所述的soc增率-温度关系模型获得每个单体电池在其充电截止温度时的实际soc。
61.在一个实施例中，步骤(a)所述soc-ocv关系模型通过下述方法获得：
62.取至少1个单体电池，以恒流恒压的方式充电，静置一段时间使电压稳定，然后进行放电，所述放电为：按照预设的倍率进行梯度放电，每次放电后静置一段时间使电压稳定，每次放出的电量为总电量的5％-10％，例如5％、6％、7％、8％、9％或10％等，优选为5％。
63.记总的放电容量为cd，第一次放电的容量为c1，第一次放电并静置后的电压记为ocv2，第一次放电并静置后电池的soc记为soc2，soc2＝(c
d-c1)/cd，按照此计算方法即可获得任意soc以及对应的电压值，根据多组soc和电压数据，建立荷电状态soc和开路电压ocv的关系模型。
64.对于建立荷电状态soc和开路电压ocv的关系模型的方式，可通过excel、matlab等多种工具，获取相应的拟合曲线和拟合公式，然后我们就可以根据任意的ocv
x
计算出对应的soc
x
了。当然，为确保曲线拟合精度，可根据实际情况对曲线进行分段拟合。
65.在一个实施例中，每次静置的时间独立地在60-120min的范围内，时间例如60min、70min、80min、90min、100min、110min或120min等，优选为80-120min。在上述范围内可以更好地达到稳定电压的目的，提升测试准确性和精度。
66.基于上述的soc-ocv关系模型，可以通过测试装置测试得到电池的开路电压，再根据测试得到的开路电压获得每个单体电池的初始soc值。
67.在一个实施例中，步骤(b)中所述将单体电池的soc在室温下设置为成组时的soc状态指的是：根据待测电池模组的成组soc值对此处的单体电池的soc进行设置，使二者的soc相同。以待测电池模组成组时soc为50％进行示例性说明，需要将单体电池的soc设置成50％，可以将单体电池放空后充至50％，也可以直接对单体电池进行放电至soc为50％时结束。
68.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，步骤(4)所述每个单体电池的可充电电量通过下述公式计算得到：
69.c
cx
＝c
ax
*(1
–
soc
ax
)，其中，c
cx
为单体电池的可充电电量，c
ax
为单体电池在其充电截止温度下的理论容量，soc
ax
为单体电池在其充电截止温度下的实际soc。
70.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，步骤(4)所述每个单体电池的的可放电电量通过下述公式计算得到：
71.c
dx
＝c
ax
*soc
ax
，其中，c
dx
为单体电池的可放电电量。
72.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，所述电池模组的容量通过下述公式计算得到：
73.c模组＝min(c
cx
) min(c
dx
)，其中，c模组为电池模组的容量，min(c
cx
)为电池模组
中的所有单体的可充电电量中的最小值，min(c
dx
)为电池模组中的所有单体的可放电电量中的最小值。
74.上述公式的理论依据是：因为电池模组在任意单体电池充满电时停止充电，在任意单体电池放空电时停止放电，所以模组容量等于各串单体可充电电量的最小值加上各串单体可放电电量的最小值。
75.作为本发明所述的电池模组容量的估算方法的优选技术方案，用于建立模型采用的单体电池和实验模组的数量均为至少3个，所述模型包括位置-温度关系模型、容量增率-温度关系模型、soc-ocv关系模型和soc增率-温度关系模型。
76.通过选择至少3个单体电池和实验模组，可以各自进行相同的建立模型的过程，取平均值，提升建模准确性。
77.在一个实施例中，本发明的方法中采用的所有的单体电池(包括实验模组中的单体电池)选自同一批次，能够保证测试的准确性和精度。
78.在一个实施例中，本发明的方法包括以下步骤：
79.第一步：根据单体电池的soc与静置后的ocv关系模型获取模组内每个单体电池的初始soc值。
80.单体电池的soc与静置后的ocv关系模型获取方法如下：取3个单体电池，分别以电流1c、截止电流0.05c恒流恒压的方式将电池充电静置120分钟。然后1c放电，放出电量0.05c(ah)，静置120分钟，再放出电量0.05c(ah)，静置静置120分钟，再放出电量0.05c(ah)，静置120分钟，以此方式循环，直到单体电池电压到达放电截止电压时停止。假设总的放电容量记为cd，充满电静置120分钟后电池的soc记为soc1为100％，电压记为ocv1，第一次放电容量为c1，静置120分钟后的电压记为ocv2，此时的soc2可以计算为：(c
d-c1)/cd，以此类推，即可取得任意socn以及对应的电压值ocvn，根据这些soc和ocv序列数据，可通过excel工具，获取相应的拟合曲线和拟合公式，然后我们就可以根据任意的ocv
x
计算出对应的soc
x
了。
81.第二步：取得模组在充放电容量测试时，充电截止时刻组成模组的各串单体电池的温度值。
82.此温度值可使用模组中电池位置与温度分布状态模型中的数值。模型取得方式为：选取3个实验模组进行充放电容量测试，测试时监控每一单体电池的温度值，记录每个电池的位置和充电截止时的温度，依次分别记为t
a1
，t
a2
…
t
ax
…
t
an
。
83.第三步，根据电池容量增率与温度关系模型，计算各串单体电池在各自充电截止时刻温度下的理论容量值，分别记为c
a1
、c
a2
…cax
…can
。
84.电池容量与温度关系模型获取方式如下：取3只单体电池，在高低温箱设备中从25℃～45℃每间隔2℃进行一次容量测试。取得各自温度与容量对照表，计算3只单体电池各自容量增率取平均值，得到电池容量增率与温度对照表，再进行曲线拟合，得到电池容量增率与温度关系模型。
85.第四步，由于电池的soc随温度变化而存在差异，所以还要根据电池在成组soc状态下，soc增率与温度的拟合关系公式，计算每个电池在各自充电截止时刻温度下的实际soc。
86.soc增率与温度的拟合关系公式获取方式如下：取3块单体电池，各单体电池soc分
别设置为与待测电池模组成组时的soc状态(在25℃设置)，然后高低温箱设备中从25℃～45℃每间隔4℃进行一次放电测试，根据环境温度下的放电容量和根据第三步模型计算得到各自环境温度下的理论容量计算soc实际值。整理温度与soc对应表，得到拟合公式。
87.第五步，根据各串单体电池在各自充电截止温度下的理论容量和理论soc值，分别记为soc
a1
，soc
a2
…
soc
ax
…
soc
an
，计算各单体电池的可充电电量(c
c1
、c
c2
…ccx
…ccn
)和可放电电量(c
d1
、c
d2
…cdx
…cdn
)。因为模组在任意单体电池充满电时停止充电，在任意单体电池放空电时停止放电，所以模组容量等于各串单体可充电电量的最小值加上各串单体可放电电量的最小值。
88.c
cx
＝c
ax
*(1
–
soc
ax
)
89.c
dx
＝c
ax
*soc
ax
90.c模组＝min(c
c1
、c
c2
…ccx
…ccn
) min(c
d1
、c
d2
…cdx
…cdn
)。
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
91.下面以评估模组1c容量为例来对本估算方法进行说明。
92.实施例1
93.实施例1中，各数据对应的电芯从前至后按照模组总负到总正依次排列。
94.基于上述的实施例，下面以一个具体实例来对本发明方法步骤进行说明：
95.模组由12个单体电池堆叠组成，且成组时soc为50％，单体电池的初始容量分别为(单位ah)：
96.40275.2，39770.5，39931.1，39786.8，40083.6，39882.5，39849，40138.6，39868.9，39860.1，39929.5，39724.4
97.成组时各个单体电池电压(指的是开路电压)分别为：
98.3650.11，3651.11，3651.26，3651.18，3651.1，3650.92，3651.26，3651.11，3651.25，3650.67，3650.87，3651.03
99.按步骤一方法，获得的单体电池的soc与静置后的ocv关系模型如下：
100.当单体电池电压《3.600v时(y为soc，x为ocv)：
101.y＝-30038.897627x6 635573.920712x
5-5602300.347569x4 26332690.744934x
3-69610815.632460x2 98126731.768924x-57625856.624920
102.当单体电池电压≥3.600v时(y为soc，x为ocv):
103.y＝-159.831980x6 3836.031232x
5-38341.897808x4 204289.814948x
3-611961.496026x2 977195.278584x-649842.907422
104.按步骤二方法，获得电池位置与温度分布状态模型如下(按位置由模组总负到总正依次排列)：
105.30.99℃，31.27℃，1.55℃，31.83℃，32.11℃，32.39℃，32.39℃，32.11℃，31.83℃，31.55℃，31.27℃，30.99℃
106.按步骤三方法，获得电池容量增率与温度关系模型(p为容量增率，q为温度且(q≥25℃)：
107.p＝-0.000076q2 0.009325q-0.186019
108.按步骤四方法，获得soc增率与温度拟合公式(u为soc增率，v为温度(v≥25℃)，初始soc为50％)：
109.u＝0.001375v-0.033691
110.则模组容量可通过以下步骤计算获得：
111.首先，根据各单体电池电压和步骤一取得的公式计算各自soc值，结果为：
112.40.88％，41.18％，41.22％，41.20％，41.18％，41.12％，41.22％，41.18％，41.22％，41.05％，41.11％，41.16％
113.其次，根据步骤二取得的温度分布及步骤三计算公式，计算各单体充电截止时的理论容量值，结果为：
114.41482.40，41013.72，41230.22，41131.45，41488.40，41329.65，41294.93，41545.33，41216.33，41156.91，41177.69，40915.09
115.然后，按照步骤四拟合公式，计算各单体电池在充电截止时的修正soc值，结果为：
116.41.24％，41.56％，41.62％，41.62％，41.61％，41.57％，41.67％，41.61％，41.64％，41.45％，41.49％，41.52％
117.分别计算各串单体电池可充电量和可放电量，得出模组估算容量：
118.各单体可充电量计算结果为：
119.24373.09，23967.26，24068.63，24014.34，24226.16，24149.36，24086.74，24258.15，24055.21，24099.05，24092.86，23925.96
120.各单体可放电量计算结果为：
121.17109.31，17046.47，17161.60，17117.11，17262.24，17180.29，17208.19，17287.18，17161.12，17057.87，17084.84，16989.13
122.根据公式(1)，模组估算容量：
123.模组容量＝23925.96 16989.13＝40915.09。
124.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。