蓄電池能量效率測量方法

2023-12-07 13:41:36 2

專利名稱：蓄電池能量效率測量方法
技術領域：
本發明涉及化學電源應用技術領域，特別涉及一種測量蓄電池，尤其是動力蓄電 池能量效率的方法。
背景技術：
電池是通過電化學氧化還原反應將活性材料內貯存的化學能直接轉換成電能的 裝置。二次電池，即蓄電池，通過放電過程的反向充電使已放電的活性材料化學能得以恢 復，能夠重複使用。蓄電池放電時將化學能轉換成電能，充電時將電能轉換成化學能，這兩 個過程與內燃機或熱機不同，可以避開由熱力學第二定律中卡諾循環的限制，因而電池具 有高的能量轉化效率。電池能夠為各種設備提供電力且攜帶方便，而廣泛應用於多種領域。不同於小型蓄電池，大中型蓄電池，特別是應用於電動汽車的動力蓄電池在使用 過程中，除了關注電池的基本特性如容量、比能量、比功率等外，還需要研究與車用環境密 切相關的性能如溫度、功率、能量效率特性等。其中，測量動力蓄電池的能量效率具有顯著 的意義1)優化電池工作參數提高能量轉換效率，以節約資源；2)已知放電能量效率，可判 斷放電結束時間，對於純電動汽車而言可預測汽車的續馳裡程；3)電池的性能與電池的能 量效率相輔相成，通過能量效率的比較可辨別電池性能優劣；4)能量是守恆的，損失的電 能或化學能主要轉變成熱能，測量能量效率可分析電池在工作中熱量的產生，便於電池的 熱管理。因此，有必要提供一種蓄電池能量效率測量方法。

發明內容
本發明的目的是提供蓄電池的能量效率測量方法，能測量蓄電池的能量效率。為了實現上述目的，本發明提供了一種蓄電池能量效率測量方法，包括如下步 驟(1)根據開路電壓和荷電狀態的定量關係式計算任一荷電狀態區間的電池組的靜 能量，計算公式為AQ^J^^f/.Qd^X，其中，Δ I為靜能量，Cn為額定容量，SOC(O)至 SOC (t)為荷電狀態區間；(2)將按照電池類型確定的放電制度放完電的電池組以恆流充電至充電截止電壓 後停止，記錄電池組單體的充電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，將該曲線在任一荷電狀 態區間的積分結果與額定容量之積確定為電池組在該電流和荷電狀態區間充入的電能；(3)將按照電池類型確定的充電制度充滿電的電池組以恆流放電至放電截止電壓 後停止，記錄電池組單體的放電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，將該曲線在任一荷電狀 態區間的積分結果與所述額定容量之積確定為電池組在該電流和荷電狀態區間放出的電 能；(4)確定荷電狀態區間，將電池組在該荷電狀態區間內的靜能量與在該荷電狀態 區間充入的電能之商確定為電池組的充電能量效率，將電池組在該荷電狀態區間放出的電能與在該荷電狀態區間的靜能量之商確定為電池組的放電能量效率，將電池組在該電流和 荷電狀態區間放出的電能與在該電流和荷電狀態區間充入的電能之商確定為電池組的充 放電能量效率。在本發明的一個實施例中，所述步驟(1)中電池組開路電壓和荷電狀態的定量關 系式的建立過程為(11)將處於放電截止電壓的電池組以0. 04C恆流充電2 或至充電截止電壓停 止，記錄電池組單體充電電壓隨荷電狀態變化的充電曲線；(12)將所述電池組以0. 04C恆流放電2 後或至放電截至電壓後停止，記錄電池 組單體放電電壓隨荷電狀態變化的放電曲線；(13)將所述充電曲線和所述放電曲線相加取平均值，得到電池組單體開路電壓隨 荷電狀態變化的開路電壓曲線；(14)根據開路電壓同荷電狀態的關係式U。。v = Eo+KJnSOC+^ln (1-S0C)以及所述 開路電壓曲線的對應值求出關係式中的未知參數，進而得到開路電壓和荷電狀態的定量關 系式，其中Uocv為開路電壓，SOC為荷電狀態，E0, K1, K2為未知參數在本發明的另一實施例中，所述方法還包括充電或者放電完畢後，將所述電池組靜止一段時間。在本發明的再一實施例中，所述步驟(2)和步驟(3)中的電池組溫度相同。在本發明的又一實施例中，所述方法還包括根據電池類型確定充電制度和放電制度；將電池組按照確定的放電制度將其剩餘電放完，接著按照確定的充電制度充電至 充電截至電壓，然後按照確定的放電制度放電至放電截至電壓，將所放出的電荷值確定為 電池組的額定容量。在本發明的再一實施例中，所述步驟(4)還包括將按照確定的放電制度放完電的電池組以多個不同的恆流充電至充電截止電壓 後停止，得到電池組對應每個恆流在任一荷電狀態區間充入的電能；貝丨J，所述步驟(4)還包括確定荷電狀態區間，獲取電池組對應每個恆流的充電能量效率；將電池組對應所有恆流的充電能量效率通過線形擬合或多項式擬合，得到充電能 量效率與電流的經驗公式Hcharge = 0.99121-0. 04221 X 1+0. 0082 XI2，其中，Hcharge為充 電能量效率，I為電流。在本發明的又一實施例中，所述步驟(4)還包括將按照確定的充電制度充滿電的電池組以多個不同的恆流放電至放電截止電壓 後停止，，得到電池組對應每個恆流在任一荷電狀態區間放出的電能；確定荷電狀態區間，獲取電池組對應每個恆流的放電能量效率；將電池組對應所有恆流的放電能量效率通過線形擬合或多項式擬合，得到放電能 量效率與電流的經驗公式ndisch = 0.99722-0. 04137X1+0.00:344XI2，其中，ndis。h為放電 能量效率，I為電流。與現有技術相比，本發明蓄電池能量效率測量方法能測量蓄電池的能量效率，並 且測試過程簡單易行，測量結果穩定，適用範圍廣。
通過以下的描述並結合附圖，本發明將變得更加清晰，這些附圖用於解釋本發明 的實施例。


圖1為本發明蓄電池能量效率測量方法的流程圖。圖2展示了 0. 04C恆流充電時的充電電壓與SOC關係的充電曲線、0. 04C恆流放電 時的放電電壓與SOC關係的充電曲線、開路電壓曲線、擬和開路電壓曲線。圖3展示了 2C恆流充電時的充電平均電壓與SOC關係的充電曲線及擬和開路電 壓曲線。圖4展示了 2C恆流放電時的放電平均電壓與SOC關係的放電曲線及擬和開路電 壓曲線。
具體實施例方式現在參考附圖描述本發明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。在說明本發明蓄電池能量效率測量方法之前，先對涉及的幾個概念進行說明。電池的充電能量效率當對電池進行充電至充電結束，充電電源輸入電池的能量 記為An，電池本身能量變化記為AQn，則電池充電過程中的能量效率的表達式為Hcharge= Δ Qn/Qin(1)電池的放電能量效率當電池開始放電至放電結束，電池輸給放電負載的能量記 為Q。ut，電池本身能量變化記為AQn，則電池的放電能量效率的表達式為ndisch = Q0Ut/AQn(2)電池的充放電能量效率在一定的條件下(溫度、充電倍率等)將電池充電至一定 的荷電狀態(S0C)，充電電源輸入電池的能量記為Αη，然後在同樣的條件下(溫度、放電倍 率等)將電池進行放電，電池輸給放電負載的能量記為Q。ut，則電池在該條件下的充放電過 程能量效率為nbattery = Qout/Qin ⑶下面對本發明蓄電池能量效率測量方法進行詳細說明。下面實施例以電池組為某 公司生產的LiFePO4型鋰離子動力電池為例，其額定容量是60Ah，電池組由30個單體串聯 組成。下面參考圖1並結合圖2、3和圖4，說明本發明蓄電池能量效率測量方法。所述方 法包括如下步驟步驟Si，根據電池類型確定充電制度和放電制度，本實施例中電池類型為LiFePO4 電池(確定充電制度和放電制度是對電池實施操作的前提，根據這些制度可以確定如何將 電池充滿電、如何將電池電放完、測定額定容量和剩餘容量、確定充電截至電壓或結束條 件、放電截至電壓或結束條件，在充電制度和放電制度中包含了靜止時間，在每完成一個充 電或放電過程電池組都要靜止一段時間才能進行下一步操作，靜止時間以電池電壓不在發 生任何變動為準，在本實例通常需要2h，充電制度和放電制度既可由電池生產廠家提供，也 可依據國家標準如QC/T742-2006、QC/T743-2006和QC/T744-2006分別對應鉛酸電池、鎳氫 電池和鋰離子電池來設定)；
步驟S2，確定LiFePO4電池組的額定容量將LiFePO4電池組按照步驟Sl確定的 放電制度(以0. 33C恆流放電)將其剩餘電放完，接著按照步驟Sl確定的充電制度(以 0. 33C恆流充電)充電至充電截至電壓，單體平均電壓達到3. 6V，正常情況下電池能夠達到 的最高電壓)，然後按照步驟Sl確定的放電制度(以0. 33C恆流放電)放電至放電截至電 壓(單體平均電壓到2. 5V，正常情況下電池能夠達到的最低電壓)，記錄所放出的電荷值， 即為LiFePO4電池組的額定容量，在本實施例中，測量值是60Ah，即額定容量是60Ah ；步驟S3，將Lii^ePO4電池組以0. 33C (QC/T744-2006提供測試額定容量時採用的充 電和放電電流值，在本實例中需要把電池充滿電或放完電使用的電流大小就是0. 33C)恆 流放電至放電截止電壓，靜止池後，以0. 04C恆流充電25h(0. 04C對應的充滿電的時間就 是25h)或至充電截止電壓後停止，記錄Lii^ePO4電池組單體充電電壓隨荷電狀態(SOC)變 化的充電曲線，如圖2中標號1所示；步驟S4，靜止2h，將步驟S3得到的LiFePO4電池組以0. 04C恆流放電25h (0. 04C 對應的放完電的時間就是25h)後或至放電截至電壓後停止，記錄Lii^ePO4電池組單體放電 電壓隨荷電狀態(SOC)變化的放電曲線，如圖2中標號4所示；步驟S5，將步驟S3得到的充電曲線和步驟S4得到的放電曲線相加取平均值，得到 LiFePO4電池組單體開路電壓(Uqct)隨荷電狀態(SOC)變化的開路電壓曲線，如圖2中標號 2所示(之所以選取0. 04C的充電曲線和0. 04C的放電曲線相加取平均值的辦法得到開路 電壓曲線是依據文獻(J Power Sources, 134 (2004) 262-272))；步驟S6，依據文獻(J Power Sources, 134 (2004) 262-272)提供的開路電壓(U。cv) 同SOC的關係式Uocv = K+KilnSOC+iyn (1-S0C)，把步驟S5得到的開路電壓曲線中電池開 路電壓Urev與荷電狀態(SOC)的對應值代入上述關係式，採取迭代方式獲取上述關係式中 的三個未知參數&，K1, K2，從而建立電池開路電壓Uocv和荷電狀態SOC的定量關係式，根據 此定量關係式得到擬和曲線，如圖2中標號3所示(在圖1中，開路電壓曲線2與擬合曲線 3十分吻合，表明擬合的精度較高)；步驟S7，確定荷電狀態(SOC)區間(即SOC(O)至S0C(t)，其中，SOC(O)為起始 S0C, SOC (t)為終止S0C)，計算所述荷電狀態(SOC)區間的電池組的靜能量，計算公式為AQn=loc(oUocvCndSOC (4)其中，Δ 為電池組的靜能量，Cn為步驟S2得到的LiFePO4電池組的額定容量，將 步驟S6中電池開路電壓Urev和荷電狀態SOC的定量關係式代入方程，得到Δα =￡oc(o) (E0 +K1 In( 5 )在方程(5)中，Cn、E。，K1, K2已知，確定荷電狀態(SOC)區間後，可得到對應靜能量 Δ Qn,只要荷電狀態區間確定，就能計算得到電池組對應的靜能量；步驟S8，在20士5°C條件下，將荷電的LiFePO4電池組以0. 33C(QC/T744-2006提 供測試額定容量時採用的充電和放電電流值，在本實例中需要把電池充滿電或放完電使用 的電流大小就是0. 33C)恆流放電，至放電截止電壓時停止放電，靜止2h，然後在相同溫度 條件下，以2C恆流充電至充電截止電壓後停止，記錄LiFePO4電池組單體的充電平均電壓 Ucharge同荷電狀態(SOC)變化的充電平均電壓曲線(2C倍率下的充電曲線)，如圖3中標號 5所示，則荷電狀態(SOC)區間的電池組充入的電能為
Qm= Ssocco UchaigeCndSOC (5)其中，Qin為充入的電能，Cn為步驟Sl得到的LiFePO4電池組的額定容量，荷電狀 態(SOC)區間soc(o)，soc(t)的範圍為0至標號6所對應的橫坐標值。soc(t)的計算式 為S0C(t) = S0C(0)-IXt/Cn, I為電流(充電時為負值，放電時為正值)，t為充電時間， 事實上，計算An只需把圖3標號5的曲線積分再乘以Cn，只要荷電狀態區間確定，就能計算 得到電池組對應充入的電能；步驟S9，在20 士 5 °C條件下，將荷電的Lii^ePO4電池組以0. 33C恆流(QC/T744-2006 提供測試額定容量時採用的充電和放電電流值，在本實例中需要把電池充滿電或放完電使 用的電流大小就是0. 33C)放電，至放電截止電壓時停止放電，靜置2h，然後在相同溫度條 件下，以0. 33C(QC/T744-2006提供測試額定容量時採用的充電和放電電流值，在本實例中 需要把電池充滿電或放完電使用的電流大小就是0. 33C)恆流衝至充電截止電壓時停止， 再以2C恆流放電至放電截止電壓時停止，記錄Lii^ePO4電池組單體的放電平均電壓(Udisch) 同荷電狀態(SOC)變化的放電平均電壓曲線(2C倍率下的放電曲線)，如圖4中標號7所 示，則荷電狀態(SOC)區間的電池組放出的電能為Qout=loccoUilschCndSOC( 6 )其中，Q。ut為放出的電能，荷電狀態(SOC)區間S0C(0)，S0C(t)的範圍為1至標 號8所對應的橫坐標值，事實上，計算Qout只需把圖4標號7的曲線積分再乘以Cn，只要荷 電狀態區間確定，就能計算得到電池組對應放出的電能；步驟S10，根據在相同荷電狀態(SOC)區間時步驟S8得到的充入的電能Gjin和步 驟S7得到的靜能量△ I計算電池充電過程中的充電能量效率n。ha@，計算公式為n。haw =AQnA^in(圖3中，八化對應的擬合曲線3位於Qin對應的充電平均電壓曲線5(電流大 小2C)之下，即在相同的SOC區間，AQn小於Qin)，如果在步驟S8中變換充電電流大小(即 不採用2C恆流充電，採用其他恆流充電)，可得到不同電流情況下的充電能量效率il。haw， 通過線形擬合或多項式擬合可得到充電能量效率n。haw與電流I的經驗公式n。haw = 0. 99121-0. 04221X1+0. 0082 XI2，其中 I 的單位是倍率 C ；步驟S11，根據在相同荷電狀態(SOC)區間時步驟S9得到的放出的電能Q。ut和步 驟S7得到的靜能量八化計算電池放電過程中的放電能量效率iidis。h，計算公式為Iidisdl = Qout/ Δ I (圖4中，Δ I對應的擬合曲線3位於Q。ut對應的放電平均電壓曲線7 (電流大小 為2C)之上，即在相同的SOC區間，Δ( η大於Q。ut)，如果在步驟S9中變換放電電流大小(即 不採用2C恆流放電，採用其他恆流放電)，可得到不同電流情況下的放電能量效率Jldisdl 值，通過線形擬合或多項式擬合可得到放電能量效率ndis。h與電流I的經驗公式ndis。h = 0. 99722-0. 04137X1+0. 00:344X12，其中 I 的單位是倍率 C ；步驟S12，根據在相同荷電狀態(SOC)區間以及採用相同的恆流充放電時步驟 S8得到的充入的電能Qin和步驟S9得到的放出的電能Q。ut計算電池的充放電能量效率 nbattery,計算公式為nbattCTy = Q。ut/Qin，計算時，步驟S8充電電流和步驟S9放電電流大小 完全相同，例如步驟S8中充電電流是2C，則步驟S9中放電電流也為2C。需要說明的是，上述步驟S8和步驟S9中，也可以採用除2C恆流以外的恆流充電、 放電，都可以實現蓄電池能量測量，測量步驟與上述方法類似。
以上結合最佳實施例對本發明進行了描述，但本發明並不局限於以上揭示的實施 例，而應當涵蓋各種根據本發明的本質進行的修改、等效組合。
權利要求
1.一種蓄電池能量效率測量方法，包括如下步驟(1)採用電池組開路電壓和荷電狀態的定量關係式計算任一荷電狀態區間的電池組的 靜能量，計算公式為AQ^J^^f/.Qd^X，其中，Δ( η為靜能量，Cn為額定容量，SOC(O)至SOC(t)為荷電狀態區間；(2)將按照電池類型確定的放電制度放完電的電池組以恆流充電至充電截止電壓後停 止，記錄電池組單體的充電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，將該曲線在任一荷電狀態區 間的積分結果與額定容量之積確定為電池組在該電流和荷電狀態區間充入的電能；(3)將按照電池類型確定的充電制度充滿電的電池組以恆流放電至放電截止電壓後停 止，記錄電池組單體的放電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，將該曲線在任一荷電狀態區 間的積分結果與所述額定容量之積確定為電池組在該電流和荷電狀態區間放出的電能；(4)確定荷電狀態區間，將電池組在該荷電狀態區間內的靜能量與在該荷電狀態區間 充入的電能之商確定為電池組的充電能量效率，將電池組在該荷電狀態區間放出的電能與 在該荷電狀態區間的靜能量之商確定為電池組的放電能量效率，將電池組在該電流和荷電 狀態區間放出的電能與在該電流和荷電狀態區間充入的電能之商確定為電池組的充放電 能量效率。
2.如權利要求1所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，所述步驟(1)中電池組 開路電壓和荷電狀態的定量關係式的建立過程為(11)將處於放電截止電壓的電池組以0.04C恆流充電2 或至充電截止電壓後停止， 記錄電池組單體充電電壓隨荷電狀態變化的充電曲線；(12)將所述電池組以0.04C恆流放電2 後或至放電截至電壓後停止，記錄電池組單 體放電電壓隨荷電狀態變化的放電曲線；(13)將所述充電曲線和所述放電曲線相加取平均值，得到電池組單體開路電壓隨荷電 狀態變化的開路電壓曲線；(14)根據開路電壓同荷電狀態的關係式U。。v= h+MnSOC+Mn(1-S0C)以及所述開 路電壓曲線的對應值求出關係式中的未知參數，進而得到開路電壓和荷電狀態的定量關係 式，其中Uocv為開路電壓，SOC為荷電狀態，E0, K1, K2為未知參數。
3.如權利要求1或2所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，還包括 充電或者放電完畢後，將所述電池組靜止一段時間。
4.如權利要求1所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，所述步驟(2)和步驟 (3)中的電池組溫度相同。
5.如權利要求1所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，還包括 根據電池類型確定充電制度和放電制度；將電池組按照確定的放電制度將其剩餘電放完，接著按照確定的充電制度充電至充電 截至電壓，然後按照確定的放電制度放電至放電截至電壓，將所放出的電荷值確定為電池 組的額定容量。
6.如權利要求1所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，所述步驟(4)還包括 將按照確定的放電制度放完電的電池組以多個不同的恆流充電至充電截止電壓後停止，得到電池組對應每個恆流在任一荷電狀態區間充入的電能；貝U，所述步驟( 還包括確定荷電狀態區間，獲取電池組對應每個恆流的充電能量效率； 將電池組對應所有恆流的充電能量效率通過線形擬合或多項式擬合，得到充電能量效 率與電流的經驗公式Jlctoge = 0.99121-0. 04221X1+0. 0082XI2，其中，n。hmge為充電能 量效率，I為電流。
7.如權利要求1所述的蓄電池能量效率測量方法，其特徵在於，所述步驟(4)還包括 將按照確定的充電制度充滿電的電池組以多個不同的恆流放電至放電截止電壓後停 止，得到電池組對應每個恆流在任一荷電狀態區間放出的電能； 確定荷電狀態區間，獲取電池組對應每個恆流的放電能量效率； 將電池組對應所有恆流的的放電能量效率通過線形擬合或多項式擬合，得到放電能量 效率與電流的經驗公式Jldiseh = 0.99722-0. 04137X1+0. 00;344XI2，其中，n。harge 為充電 能量效率，I為電流。
全文摘要
本發明公開了一種蓄電池能量效率測量方法，包括步驟根據電池組開路電壓和荷電狀態的定量關係式計算任一荷電狀態區間電池組的靜能量；將處於放電截止電壓的電池組以恆流充電至充電截止電壓，記錄電池組單體的充電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，根據該曲線得到電池組在任一荷電狀態區間充入的電能；將處於放電截止電壓的電池組以0.33C恆流衝至充電截止電壓，再以恆流放電至放電截止電壓，記錄電池組單體的放電平均電壓同荷電狀態變化的曲線，根據該曲線得到電池組在任一荷電狀態區間放出的電能；根據相同荷電狀態區間電池淨能量、充入的電能或放出的電能計算電池能量效率。本方法能測量電池能量效率，測量方法簡便，測量結果穩定。
文檔編號G01R31/36GK102116846SQ20111000061
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月4日 優先權日2011年1月4日
發明者康健強, 張佩, 杜常清, 顏伏伍 申請人:武漢理工大學