CN101303397A - 锂离子电池组剩余电能计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池组剩余电能的计算方法和装置。利用锂离子电池组的开路电压和电能积分相结合的方法来计算充放电能量，根据开路电压和充放电电流的大小实时计算锂离子电池组的直流阻抗，由直流阻抗和充放电电流等参数确定锂离子电池组在当前情况下放电达到终止电压时可用剩余电能时相应的开路电压，并由此时的开路电压计算出锂离子电池组在放电达到终止电压时的实际剩余电能。由电池的最大剩余电能减去达到放电终止条件时剩余电能就可以得到电池可用剩余电能。本发明适用于电池在各种状态下的剩余电能的准确估算，适合动力电池的使用特点。本发明准确性高，实用性较强，具有很高的推广价值。

Description

锂离子电池组剩余电能计算方法及装置

技术领域

本发明涉及到一种锂离子电池组剩余电能的计算方法及装置。

背景技术

在电动汽车及其他动力电池应用场合，锂离子电池以其无可比拟的优越性能，成为了未来动力电池的首选。随着研究的不断深入，以锂离子电池作为动力的电动车辆技术逐渐成熟，但是，目前锂离子电池的使用仍然有许多问题尚未解决，制约着锂离子电池作为动力电池的继续发展。动力电池的荷电状态(State of Charge，简称SOC)是表征电池状态的重要参数之一。准确计量SOC是电池安全和优化控制充放电能量的保证。

锂离子电池容量的下降是电池运行时间缩短的主要原因，这种误解普遍存在。实际上，电池阻抗持续增加(而不是电池容量下降)是导致电池运行时间缩短、系统提前关机的关键因素。在电池充放电100个周期左右的时间内，电池容量仅下降5％，而电池的直流阻抗升高比例却达到一倍或两倍因子级别。老化电池阻抗提高的直接结果是负载电流引起的内部压降增大。结果，老化电池达到系统最小工作电压(或称为终止电压)的时间要远远早于新电池。因此电池阻抗对锂离子电池的可用电量具有重要影响，在本发明中对电池剩余容量和电池可用剩余容量加以区别。电池剩余容量指电池当前具有的最大可用剩余容量，但是在不同的温度和电流下，电池可用剩余容量不同并且会随着电池阻抗的增大而减小。当前许多SOC估算策略都是对电池剩余容量进行估计，并未考虑由于电池内阻的存在而引起的电池提前达到放电终止电压，不能放出全部容量的现象，也就是说没有对电池剩余容量和电池可用剩余容量进行区分。

通过研究发现，影响SOC准确计量的因素很多，其中开路电压、温度、充放电电流、循环次数、电池内阻等与SOC密切相关，在SOC的估算过程中，忽视其中任何一种因素的作用都将使估算出来的SOC误差较大，因此，在建立SOC模型确定估算策略时，必须充分考虑上述因素与SOC之间的关系，下面对这些因素与SOC之间的关系进行简要分析：

锂离子电池SOC与开路电压有比较明显的对应关系，尤其是在放电后期出现明显的电压曲线拐点，电池在放电脉冲停止后出现自恢复现象，短时间内电池电压迅速升高，但是恢复到稳定的开路电压需要一定的时间，该时间的长短与放电停止前的SOC状态、工作电流大小以及工作电流的变化率有密切的关系。

环境温度对电池的放电容量有较大影响。环境温度越低，可放出电量越少，放电效率越低。充放电效率随着充放电电流的增加而下降，小电流充放电时效率高，大电流充放电时效率比较低。

另外，现在普遍采用安时(Ah)为单位对电池剩余容量进行计量，安时单位只考虑了电流的大小，这种计量方法具有简单直观、容易计算等优点，但是并不能真正的表示出电池存储电能的水平，因为锂离子电池在充放电过程中电压是变化的。因此，为了进一步准确地表示出锂离子电池所存储能量的多少，必须采用焦耳为单位对电池能量进行计量。

目前常用的SOC估算策略大多比较简单，其中开路电压法和安时法(电流积分法)是应用最多的两种策略。

开路电压法由于以下两方面的原因使得该方法的应用受到较大限制；

第一，电池一般都有自恢复效应，必须经过长时间静置后，开路电压才能逐渐稳定，这时的开路电压才能较准地表征SOC，动力电池需要经常频繁启动，且工作电流变化大，因此开路电压无法在短时间内稳定下来，该种方法估算出来的SOC误差较大。

第二，电池一般都有电压平台现象，在平台期SOC相差较大，但对应的开路电压却较小，在该期间内用电压估算出来的SOC误差较大。

而安时法则是通过不间断地进行电流积分，计算出消耗的电荷量及充电状态(SOC)，而全部容量是已知的，因此，可以得到剩余容量值。这种方法的缺点是难以精确量化自放电电量，而且，由于该方法不进行周期性地完整周期校正，导致测量误差随着时间的推移越来越大。这些算法都没有解决电池阻抗的变化问题。为了防止突然关机，必须提前终止系统运行、保留更多能量，这导致大量电能被浪费。

采用安时法和开路电压法相结合来计算电池组剩余容量，例如专利申请号02116423.1的专利说明书公开了一种串联电池组动态电量的计算方法，在该方法中，在电池充放电状态时利用对电流进行时间积分计算充电或者放电电量，在电池处于静置状态时利用开路电压法计算电池的剩余容量，这样实现了开路电压法和安时积分法的优势互补使电池剩余电量计算不管是在充放电状态还是静置状态都具有较高的准确性，并且在每一次处于静置状态时都能对安时积分误差进行修正。但是该方法的缺点是没有区分剩余容量和可用剩余容量，并且充放电电量以安时(Ah)为计算单位，而电池组电压在使用过程中并不是恒定不变的，因此以安时为计算单位不能精确的表示电池能量的转换，另外，在该方法中为了适应电池组在不同电流和温度下的剩余电量的计算，采用了对安时积分设置修正系数的方法来进行，然而对于不同类型的锂离子电池，该修正系数是不同的，电池类型的改变需要重新设定修正系数。

总之，现有锂离子电池组剩余容量计算方法存在以下缺点：

1、没有区分剩余容量和可用剩余容量，锂离子电池组在不同温度、电流和内阻下的可用剩余容量有很大不同，因此，如果不对电池组可用剩余容量进行区分，会给电池可利用能量计算带来较大的误差。

2、充放电电量以安时(Ah)为计算单位，而电池组电压在使用过程中并不是恒定不变的，因此以安时为计算单位不能精确的表示电池能量的转换。

3、电池放电终止条件的确定只考虑了电池组本身最低放电电压的限制，没有将负载本身对电压和功率的要求列入考虑范围。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种锂离子电池组剩余电能的计算方法及装置，可以克服现有技术的缺点。本发明提供了一种锂离子电池组可用剩余电能计算方法，进行实时计算更新电池总容量，使得SOC估算策略适应了电池随老化程度以及其它条件的改变而发生的容量变化的特点，对锂离了电池组剩余电能进行精确而实时的估算。本发明准确性高，实用性较强，具有很高的推广价值。

本发明提供的一种锂离子电池组剩余电能的计算方法包括的步骤：

1)用锂离子电池组的开路电压估算锂离子电池组处于闲置状态时的剩余电能；

2)监测充放电电流大小，用充电或放电状态时动态电流，利用电流积分来计算充放电电量；将开路电压法与电流积分法相结合实现两种方法的互补，对电流检测误差进行校正；计算锂离子电池组充放电电能；既适应了动力型锂离子电池组在使用过程中电流变化剧烈等特点，又可以根据开路电压及时的修正电流积分误差。

3)根据开路电压和充放电电流的大小实时计算锂离子电池组的直流阻抗；

4)由直流阻抗、环境温度和充放电电流确定锂离子电池组在放电达到终止电压时可用的剩余电能时相应的开路电压，并由此时的开路电压计算出锂离子电池组在放电达到终止电压时的实际剩余电能。

5)由电池的最大剩余电能减去实际剩余电能得到电池的可用剩余电能。

所述的方法中锂离子电池在静置状态时其荷电状态和开路电压具有相对应的关系，根据电池两端开路电压大小可以知道荷电状态，对应关系如表1所示。

所述的方法中锂离子电池组在处于静置状态时利用开路电压与SOC的对应关系来确定电池的静态剩余电能，而处于充放电状态时利用电能积分的方法计算电能的变化量，如果是充电，用静态剩余电能加上此变化量；如果是放电，则用静态剩余电能减去此变化量，即可得到此时的锂离子电池组剩余电能。

所述的方法中对当前放电深度和温度下的电池开路电压与电池在负载条件下电池电压的差值对时间进行积分，然后再除以充放电电流在同时间内的积分，即可得到锂离子电池的直流内阻R_bat，公式如下：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(V_{\mathrm{ocv}}-V_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}$

R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；

V_OCV表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；

V_d为电池在负载条件下的电池电压；

I负载电流。

所述的方法中锂离子电池组在放电达到终止电压等于开路电压减去锂离子电池的直流阻抗与当前充放电电流平均值的乘积。

所述的方法中电流积分来计算充放电电量，并且根据开路电压及时的修正电流积分误差：在充放电之前和之后分别根据开路电压来计算锂离子电池的剩余电能，两值相减即得出本次充放电锂离子电池组实际电量消耗值，将此消耗值与电流积分计算出充放电电量相比得到校正系数，在下次电流检测时，电流检测值生意该系数即为实际电流值。

该方法区分了锂离子电池组的剩余电能与可用剩余电能，考虑了在不同电流、温度下锂离子电池组并不能把所有的电能释放给负载，具有不同的可用剩余能量，并给出了具体的计算方法。

采用焦耳为单位直接对电池电能进行计量，改进了以往安时(Ah)为单位计量电池电量的缺点，使得本方法更适用于锂离子电池的实际情况。

本发明提供的一种锂离子电池组剩余电能的计算装置包括：微处理器、定时器、和两个AD转换单元、电压检测传感器、电流检测传感器、非易失性存储器、多选一模拟开关和LED显示单元装置，微处理器、AD转换单元通过信号线分别与多选一模拟开关、电流检测传感器和非易失性存储器相连接，电流检测传感器串联在锂离子电池组充放电回路中，多选一模拟开关分别与各电池单体的电压检测传感器相连接。电压检测传感器与电池单体连接。微处理器的I/O口通过信号线与LED显示单元装置相连接。

十四个电压检测传感器分别与十四支电池单体连接。

本发明提供的所述的锂离子电池组剩余电能计算方法的装置也可用于超级电容、及其和锂离子电池具有相似特性的串联组合储能装置的可用剩余电能的计算。

下面对本发明进行详细阐述：

一般来说，对于不同类型的锂离子电池与同一类型电池的不同生命周期，这些因素和SOC之间的关系并不是确定不变的而且它们与SOC的关系表现出极大的非线性，建立一个固定的SOC模型以准确估算SOC几乎不可能。所以，在本发明中提出了基于一种基本SOC估测模型并在电池使用过程中进行不断数据更新的估测方法，首先，电池可用剩余电能可以由下式表示：

W_rm＝(SOC-SOC_final)W_MAX

在上式中，W_rm表示电池可用剩余电能；

SOC表示电池的剩余电能；

SOC_final表示电池放电达到终止电压时的剩余电能；

W_MAX表示电池可存储的最大电能。

其中，SOC为剩余电能W_t和电池可存储的最大电能W_MAX的比值，即：SOC＝W_t/W_MAX，W_t可由下式来计算：

$W_t=K_r{W}_0+(1-K_r){W^{\′}}_0+{\∫}_0^t\mathrm{UIdt}$

式中：W_t为电池在时刻t的剩余电能；

W₀为电池在t₀时刻的开路电压对应的初始电能；

W’₀为电池在上次停止充放电时的电能；

I(t)为电池在时刻t的工作电流，充电电流为正(+)，放电电流为负(-)。

上述公式在结构上由三个部分加和而成，其中前两项表征电池的初始电量状态，最后一项表征电池在使用过程中的动态变化。第一项W₀与开路电压密切相关，第二项W’₀是上次电池停止充放电时的电量状态。常数K_r用来表征初始电量状态与电池自恢复效应之间的关系。第三项为一积分项，表明电池在使用过程中电量的动态变化。由于电池自放电电量可以由开路电压的变化表示出来，所以在此公式中不必再进行计算。

在该公式中，采用了开路电压和电量积分相结合的方法，并直接调用SOC记录，提出了一种SOC复合估算策略。该策略包含两个主要部分：

第一，电池使用前预估算电池的初始SOC；

第二，电池使用过程中对电量做动态计量。

锂离子电池实际总容量的测定：锂离子电池实际总容量在使用过程中受到循环次数和温度等因素的影响而不断变化，计算和更新实际总容量是准确估测SOC的前提，电池实际总容量W_MAX可以通过当电池在充电或放电前后电压处于全松驰状态时的两个开路电压值读数算出。例如，电池放电前，SOC可由下式得出：

${\mathrm{SOC}}_1=\frac{W_1}{W_{\mathrm{MAX}}}$

电池放电且通过电荷为ΔW时，SOC可由下式得出：

${\mathrm{SOC}}_2=\frac{W_2}{W_{\mathrm{MAX}}}$

总容量W_MAX可由两式相减得出：

$W_{\mathrm{MAX}}=\left|\frac{W_1-W_2}{\mathrm{SOC}1-\mathrm{SOC}2}\right|$

电池放电终止时剩余容量的确定

受电池内阻等因素的影响，电池电压会随着温度和放电电流大小而改变。在这种情况下，电池达到电池终止电压时的剩余容量是不同的，也就是说电池的可用剩余容量会随着电流和温度的改变而变化。因此准确地确定电池放电终止电压是计算电池剩余容量的关键。根据动态检测电池直流阻抗(R_bat)使计算放电终止电压的前提，电池直流阻抗可由下式得出：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{V_{\mathrm{ocv}}-V_d}{I_{\mathrm{av}}}$

其中，R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；

V_OCV表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；

V_d为电池在负载条件下的电池电压；

I_av为平均负载电流。

为了进一步提高内阻计算的精度，可以对电压和电流进行定时的积分，利用积分值来计算电池的内阻：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(V_{\mathrm{ocv}}-V_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}$

有了电池阻抗信息，我们就可以确定电池达到放电终止电压时的剩余容量。

因为电池电压可由下式得到：

v_bat＝v_ocv-I_av·R_bat

根据电池直流内阻可以预测出在负载电流相同，且SOC值持续降低的情况下未来的电池电压值。当电池电压预测值V_bat达到电池终止电压时，获取与此电压对应的SOC值然后就可以得到SOC_final。

电流检测误差的修正：

在电流传感器检测电流值时，不可避免的会带来误差，随着时间的推移这种电流误差会使电池剩余电能的计算不精确，因此有必要利用其他一些可靠参数对电流检测的误差进行修正。

在锂离子电池组静置达到一段时间后其开路电压和电池剩余电量具有较好的对应关系，因此，可以以此时的电池剩余容量为基础，来对电流检测误差进行修正，具体实施方法如下：

假设当电池组上一次处于静止状态时利用开路电压检测其剩余电量为SOC₁，经过一段时间的充放电之后再次静置时利用开路电压计算其剩余电量为SOC₂，则：

Δsoc₁＝|soc₁-soc₂|·Q_MAX

其中，Q_MAX为电池组最大电量

可以表示此次充放电的电量变化，在这段时间内，利用对充放电电流的积分亦可计算出电量的变化：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_2={\∫}_0^t\mathrm{Idt}$

由于电流检测具有误差，ΔSOC₂是电流在这段时间的误差的累积，利用SOC₂与SOC₁的比值可以计算出在这段时间内电流检测误差的修正系数：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{soc}}_2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{soc}}_1}$

在计算出修正系数之后，让电流检测值乘以此系数就可以使电流检测值更为精确。

综上所述，本发明的有益效果是：

1、适用于电池在各种状态下的剩余电能的准确估算，对于静置状态和充放电状态予以分别考虑，适合动力电池的使用特点。本发明准确性高，实用性较强，具有很高的推广价值。

2、区分了锂离子电池组的剩余电能与可用剩余电能，并采用焦耳为单位直接对电池电能进行计量，改进了以往安时(Ah)为单位计量电池电量的缺点，使得本方法更适用于锂离子电池的实际情况。

3、能根据不同类型的锂离子电池做出相应的调整，不必为每一种类型的锂离子电池准备一套计算参数和经验公式，因而通用性较强。

附图说明

图1是本发明装置连接框图。

图2是本发明剩余电能计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图所示，1.微处理器，2.电压检测传感器，3.电流检测传感器，4.锂离子电池组，5.定时器(第一定时器)，6.定时器(第二定时器)，7.显示模块，8.非易失性存储器，9.多选一模拟开关。步骤201～步骤218.流程图执行步骤。

锂离子串连电池组4共有14支单体电池模块组成，生产商为天津蓝天高科电源股份有限公司，每支单体电池的容量为3.6V/60Ah，锂离子电池组额定电压为50.4V，每支单体电池的最高限制电压为4.2V，电池最低限制电压为3.0V，另外由于用电器本身的一些特殊要求，最低单体电池限制电压可以根据需要来设定，如果不对其进行设定，默认为电池本身最低限制电压3.0V。

本发明装置包括微计算机即微处理器1、定时器5、6和两个AD转换单元、电压检测传感器2、电流检测传感器3、非易失性存储器8、多选一模拟开关9和LED显示单元装置7相互连接组成。其中，微计算机1、AD转换单元通过信号线分别与多选一模拟开关9、电流检测传感器3和非易失性存储器8相连接，电流检测传感器3串联在锂离子电池组4充放电同路中，多选一模拟开关9分别与各电池单体的电压检测传感器2相连接，十四个电压检测传感器分别与十四支电池单体连接。微计算机的I/O口通过信号线与LED显示单元装置7相连接。

本发明的实现方法在执行之前，应先将电池额定容量60Ah、电池组包含单体个数14、单体电池额定电压3.6V、单体电池的最高限制电压为4.2V、最低限制电压为3.0V(或其它设定值)、上次记录的锂离子电池组剩余容量值SOC和锂离子电池开路电压与电池组剩余容量的对应关系表(表2)预先存入非易失存储器8中，其中表1为锂离子电池单体电压与剩余电能关系表。锂离子电池在静置状态时其荷电状态和开路电压具有相对应的关系，根据电池两端开路电压大小可以知道荷电状态，对应关系如表1所示[J.P.Christophersen et al(DOEAdvanced Technology Development Program for Lithium-Ion Batteries：INEEL Gen 1 FinalReport)，Idaho National Engineering and Environmental Laboratory Transportation Technologies &Infrastructure Department Idaho Falls，Idaho 83415，Published September 2001]。在本实施例中十四串锂离子电池组，根据表1中的电压值乘以十四可以得到表2。

本发明由步骤201(图2所示)开始执行，首先通过电压传感器对各锂离子电池单体以及锂离子电池组电压进行采样，并利用多选一模拟开关分别选通十四节电池进行电压采样步骤202，然后通过电流传感器3对系统的电流进行采样步骤203，根据步骤203的电流采样所得到的电流值可以对锂离子电池组的状态进行判断，锂离子电池状态分为两种：静止状态和充放电状态，由于锂离子在静置状态时也需要对一些系统必备电路(如锂离子电池管理系统)进行供电，所以在此状态时电流一般不会为零，但同时这些必备电路的消耗电流非常小。因此，需要设置一个判断锂离子电池组状态的电流阈值，根据本实例所采用锂离子电池组的特点，在此将状态判断电流阈值设置为0.2A，当电流采样值大于0.2A时为充放电状态，当电流采样值小于0.2A时判断为静置状态。

一、如果为充放电状态则执行步骤205，继续对电池的状态进行判断，根据电流的方向判断电池是处于充电状态还是放电状态，在本实施例中，当锂离子电池组为充电状态时设置电流值为正，当锂离子电池组为负时设置电流值为负。当锂离子电池组处于放电状态时执行步骤206，对放电电流对放电时间进行积分，在本发明中，采用对电流、电压与时间的乘积进行累加的方法来计算积分∫₀ ^TUIdt的值。时间的确定可由单片机的时间定时器5来完成，在本实例中，设置了一个时间中断，中断时间为30毫秒，即每隔30毫秒执行一次电流值与时间间隔30毫秒乘积的累加，这样就可以得到积分∫₀ ^TUIdt的值。当锂离子电池组处于放电状态时执行步骤207，积分计算方法与上述方法相同，只是积分值为∫₀ ^TUIdt负。执行完毕后，可以求得电流充电或放电的容量值，将此容量值与存储在非易失存储器中的锂离子电池组总容量值W_M相除，可以得到充电量或者放电量占总容量的百分比。

如果锂离子电池组处于充电状态则此值为正，如果是放电状态，则百分比为负，然后将此值与存储在非易失存储器中上次记录的锂离子电池组剩余容量值SOC相加即可得到当前时刻锂离子电池组的剩余容量并将此时的SOC值替换掉上次存如的SOC值，使非易失存储器7中的SOC值得到实时的更新。

执行完毕步骤206或者步骤207就得到了锂离子电池组的剩余容量，程序继续执行到步骤208，利用步骤207中的SOC值进行查表：将当前SOC值与存储在非易失存储器中的开路电压与锂电池剩余容量关系表(表2十四串锂离子电池组电压与剩余电能关系表)中的SOC值按从大到小的顺序进行逐个比较，当此时的SOC值大于关系表中的SOC值时停止比较，根据SOC与开路电压的对应关系确定其实锂离子电池组的开路电压OCV。得到开路电压OCV之后，就可以由步骤209来计算电池的直流阻抗R_bat，锂离子电池组的直流阻抗在充放电时具有分压作用，这样使得电池组的外部负载电压V_d低于电池组的开路电压，因此可以根据此特性来计算电池组的直流阻抗。计算公式如下：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{V_{\mathrm{ocv}}-V_d}{I_{\mathrm{av}}}$

在上式中，I_av为一段时间内的平均电流，它的计算方法为：将每一次的电流采样值记录下来，加权并求平均值得到I_av。

如果想进一步提高内阻计算的精度，可以对电压和电流进行定时的积分，利用积分值来计算电池的内阻，并利用下式进行计算：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(V_{\mathrm{ocv}}-V_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}$

在求得锂离子电池组的直流阻抗后，继续执行到步骤210，利用在步骤209中计算得出的锂离子电池组直流阻抗和存储在非易失存储器中的最低限制电压可以利用下式求得锂离子电池组放电终止时的开路电压：

v_bat＝v_ocv-I_av·R_bat

由10所得到的锂离子电池放电终止时的开路电压查表，表格为存储在非易失存储器中的开路电压与剩余容量关系表，查表方法与步骤208中所述相同。这样在步骤211可以得到锂离子电池组在放电终止时的剩余电能SOC_final。然后执行到步骤212，由下式可以计算得出锂离子电池组的可用剩余电能W_rm。

W_rm＝(SOC-SOC_final)W_MAX

执行完此步之后，就得到了锂离子电池组的可用剩余容量，程序继续运行，把可用剩余容量的结果送入LED显示装置7中进行显示步骤213，同时程序跳转至步骤202继续循环。

二、在锂离子电池组4中，若对锂离子电池组的状态的判断结果为处于静置状态，则跳转至步骤214。在步骤214中，开启定时器开始计时，锂离子电池的开路电压需要一定的松弛时间才能稳定，只有达到一定的松弛时间锂离子电池的开路电压与剩余容量的对应关系才是准确的。在本实例中，松弛时间定为两个小时，在定时期间，应该持续进行电流采样步骤203，如果在开始定时两个小时后步骤215锂离子电池组仍为静止状态，则继续执行至步骤216，在步骤216中，根据锂离子电池开路电压与剩余电能的关系表格(表2)确定电池组的剩余电能SOC，查表方法和步骤207中所述相同。将所得到的SOC值与非易失存储器中的SOC值相比较步骤217，如果不同则进行锂离子电池组总容量更新步骤218，更新公式如下所示：

$W_{\mathrm{MAX}}=\left|\frac{W_1-W_2}{\mathrm{SOC}1-\mathrm{SOC}2}\right|$

计算得出新的电池组总容量W_N后继续执行至步骤219，进行电流检测的误差修正，然后转向步骤213进行数值显示，如果相同则直接跳转至步骤213，即把SOC值送入显示单元。然后继续跳转至步骤202，循环执行上述步骤。

关于显示方式有两种可供选择一是显示可用剩余能量占总能量的总百分比，二是剩余能量的可用时间，如果选择第一种，用可用剩余能量和电池组总能量相比就可得到显示值；如果选择第二种，用可用剩余能量除以用电器的功率即可得到显示值。

本发明方法考虑了与SOC密切相关的多个主要因素的作用，准确地反映了锂离子电池SOC的复杂性，而且提出了电池可用剩余电能的概念，对以往的剩余电量概念给与补充，使SOC的表述和预测更加准确和合理。所用的SOC估算策略集成了开路电压法和电流积分法的优点，同时又弥补了常用SOC估算策略的缺点。

另外，在本发明中所用到的方法亦可应用于其它类型的储能装置，对于其它储能装置，比如铅酸电池、镍氢电池及超级电容等，其电压特性和锂离子电池不同，因此，在使用本方法计算剩余电能的过程中不能简单的套用锂离子电池开路电压和剩余电能对应关系表(表1)来对剩余电能进行计算，而应该对表1做出相应的修改，如果没有相应关系表可以在充放电过程中实时检测相关参数，计算并建立开路电压与剩余电能对应关系表，具体方法如下：

假设早t₀时刻电池剩余电能为SOC₀，此时电池开路电压为V₀，经过一段时间放电后，在t₁时刻剩余电能为SOC₁，电池开路电压电压变化为V₁(在充放电过程中的开路电压可由所测得的电池电压加上此时刻的平均充放电电流与电池直流内阻的乘积得到)，可得下式：

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{SOC}}_0-{\mathrm{SOC}}_1}{V_0-V_1}{|}_{V=V_1}$

在上式中，所到到的系数β为SOC变化与开路电压变化之比，SOC₀-SOC₁为电池剩余电能的变化量，可以用电能积分的方法得到。利用β可近似计算出电池开路电压在V₁到V₂之间任意开路电压所对应的SOC值。使用上述方法求得电池在不同开路电压时的系数β，然后建立数据表格即可得到完整的类似于表1的电池开路电压和剩余电能对应关系表。

本发明中所用出的根据实时检测电池直流内阻来预测相应温度和电流下的电池达到终止放电电压时的电池剩余电能使得本算法能够随着电池老化、温度和电流情况的不同而实时做出相应的更新和修改，使该算法对SOC的预估在电池的整个使用周期都具有较高的准确性和实时性。另外，在该算法中给出了实时计算更新电池总容量的方法，使得SOC估算策略适应了电池随老化程度以及其它条件的改变而发生的容量变化的特点。因此，本发明和以往的锂离子电池组剩余容量估测方法相比进一步提高了准确性，并且实用性较强，具有很高的推广价值。

表1 锂离子电池单体电压与剩余电能关系表

SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)
								100	4.10	71	3.881	44.7	3.66	21.4	3.503
98.8	4.09	70	3.873	43.7	3.653	20.7	3.495
								97.6	4.083	68.9	3.865	42.7	3.646	20	3.487
96.5	4.077	67.8	3.858	41.7	3.64	19.4	3.479
								95.3	4.07	66.7	3.85	40.8	3.634	18.7	3.472
94.2	4.063	65.6	3.842	39.8	3.628	17.9	3.463
								93	4.055	64.5	3.833	38.9	3.622	17.2	3.455
91.8	4.045	63.5	3.824	38	3.617	16.5	3.445
								90.6	4.034	62.4	3.815	37	3.611	15.7	3.437
89.4	4.024	61.3	3.805	36	3.605	15	3.427
								88.1	4.014	60.2	3.796	35.1	3.6	14.2	3.417
86.9	4.003	59.1	3.786	34.2	3.594	13.4	3.407
								85.7	3.993	58	3.776	33.3	3.589	12.6	3.397
84.5	3.982	57	3.766	32.4	3.583	11.7	3.385
								83.4	3.972	55.9	3.756	31.4	3.578	10.9	3.373
82.2	3.962	54.9	3.747	30.5	3.572	10	3.36
								81	3.952	53.8	3.737	29.6	3.566	9.1	3.346
79.9	3.943	52.7	3.727	28.7	3.56	8.1	3.332
								78.7	3.935	51.7	3.718	27.7	3.553	7.2	3.315
77.6	3.926	50.7	3.709	26.8	3.546	6.2	3.293
								76.5	3.918	49.7	3.7	25.9	3.539	5.2	3.263
75.4	3.91	48.6	3.691	25	3.532	4.2	3.224
								74.3	3.902	47.6	3.682	24.1	3.524	3.1	3.183

73.2	3.896	46.6	3.675	23.2	3.517	2.1	3.133
								72.1	3.888	45.6	3.667	22.3	3.51	1	3.075
						0	3.000

表2 十四串锂离子电池组电压与剩余电能关系表

SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)	SOC(％)	电压(V)
								100	57.37	71	54.33	44.7	51.24	21.4	49.04
98.8	57.26	70	54.22	43.7	51.14	20.7	48.93
								97.6	57.16	68.9	54.11	42.7	51.04	20	48.82
96.5	57.08	67.8	54.01	41.7	51.00	19.4	48.71
								95.3	56.98	66.7	53.90	40.8	50.88	18.7	48.61
94.2	56.88	65.6	53.79	39.8	50.79	17.9	48.48
								93	56.77	64.5	53.66	38.9	50.71	17.2	48.37
91.8	56.63	63.5	53.54	38	50.64	16.5	48.23
								90.6	56.48	62.4	53.41	37	50.55	15.7	48.12
89.4	56.34	61.3	53.27	36	50.47	15	47.98
								88.1	56.20	60.2	53.14	35.1	50.40	14.2	47.84
86.9	56.04	59.1	53.00	34.2	50.32	13.4	47.70
								85.7	55.90	58	52.86	33.3	50.25	12.6	47.56
84.5	55.75	57	52.72	32.4	50.16	11.7	47.39
								83.4	55.61	55.9	52.58	31.4	50.09	10.9	47.22
82.2	55.47	54.9	52.46	30.5	50.01	10	47.04
								81	55.33	53.8	52.32	29.6	49.92	9.1	46.84
79.9	55.20	52.7	52.18	28.7	49.84	8.1	46.65
								78.7	55.09	51.7	52.05	27.7	49.74	7.2	46.41
77.6	54.96	50.7	51.93	26.8	49.64	6.2	46.10
								76.5	54.85	49.7	51.80	25.9	49.55	5.2	45.68
75.4	54.74	48.6	51.67	25	49.45	4.2	45.14
								74.3	54.63	47.6	51.55	24.1	49.34	3.1	44.56
73.2	54.54	46.6	51.45	23.2	49.24	2.1	43.86
								72.1	54.43	45.6	51.34	26	49.14	1	43.05
						0	42.00

Claims (10)

1、一种锂离子电池组剩余电能的计算方法，其特征在于包括的步骤：

1)用锂离子电池组的开路电压估算锂离子电池组处于闲置状态时的剩余电能；

2)监测充放电电流和电池电压大小，用充电或放电状态时动态电流和电压乘积的积分来计算充放电电能；将开路电压法与电能积分法相结合实现两种方法的互补，对电流检测误差进行校正，计算锂离子电池组充放电电能；

3)根据开路电压和充放电电流的大小实时计算锂离子电池组的直流阻抗；

4)由直流阻抗、环境温度和充放电电流确定锂离子电池组在放电达到终止电压时可用的剩余电能时相应的开路电压，并由此时的开路电压计算出锂离子电池组在放电达到终止电压时的实际剩余电能；

5)由电池的最大剩余电能减去电池放电终止时实际剩余电能得到电池的可用剩余电能；

6)由开路电压与电流积分结合的方法来对电流检测误差进行校正。

2、按照权利1要求所述的方法，其特征在于锂离子电池组在处于静置状态时利用开路电压与SOC的对应关系来确定电池的静态剩余电能，而处于充放电状态时利用电能积分的方法计算电能的变化量，如果是充电，用静态剩余电能加上此变化量；如果是放电，则用静态剩余电能减去此变化量，即可得到此时的锂离子电池组剩余电能。

3、按照权利1要求所述的方法，其特征在于对当前放电深度和温度下的电池开路电压与电池在负载条件下电池电压的差值对时间进行积分，然后再除以充放电电流在同时间内的积分，即可得到锂离子电池的直流内阻R_bat，公式如下：

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(V_{\mathrm{ocv}}-V_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}$

R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；

V_OCV表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；

V_d为电池在负载条件下的电池电压；

I为负载电流。

4、按照权利1要求所述的方法，其特征在于锂离子电池组在放电达到终止电压等于开路电压减去锂离子电池的直流阻抗与当前充放电电流平均值的乘积。

5、按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电流积分来计算充放电电量，并且根据开路电压及时的修正电流积分误差：在充放电之前和之后分别根据开路电压来计算锂离子电池的剩余电能，两值相减即得出本次充放电锂离子电池组实际电量消耗值，将此消耗值与电流积分计算出充放电电量相比得到校正系数，在下次电流检测时，电流检测值生意该系数即为实际电流值。

6、按照权利要求1所述的方法，其特征在于对电池电能进行计量直接采用焦耳为单位。

7、一种锂离子电池组剩余电能计算方法的装置，其特征在于它包括：微处理器、第一定时器、第二定时器和两个AD转换单元、电压检测传感器、电流检测传感器、非易失性存储器、多选一模拟开关和LED显示单元装置，微处理器、AD转换单元通过信号线分别与多选一模拟开关、电流检测传感器和非易失性存储器相连接，电流检测传感器串联在电池组充放电回路中，多选一模拟开关分别与各电池单体的电压检测传感器相连接；电压检测传感器与电池单体连接；微处理器的I/O口通过信号线与LED显示单元装置相连接。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述的多选一模拟开关。

9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述的电压检测传感器为十四个电压检测传感器，十四个电压检测传感器分别与十四支电池单体连接。

10、权利要求7所述的装置的应用，其特征在于它用于超级电容、及其和锂离子电池具有相似特性的串联组合储能装置的可用剩余电能的计算。

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