CN101526587B - 串联电池组荷电状态的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联电池组SOC的测量方法，以解决现有技术中SOC测量方法不准确的问题。根据本发明的SOC测量方法，首先测量出串联电池组中各单体电池的最大可用容量、剩余容量或单体电池的SOC，然后，确定串联电池组在同一状态下的最大可充电容量和最大可放电容量或者剩余容量分别等于单体电池中最小的最大可充电容量和最小的最大可放电容量，并计算出串联电池组的最大可用容量等于串联电池组的最大可充电容量和最大可放电容量之和，最后得到串联电池组的荷电状态SOC等于剩余容量除以串联电池组的最大可用容量。利用本发明的SOC测量方法，可准确得到串联电池组SOC，为串联电池组的成组、使用、维护和更换提供可靠依据。

Description

串联电池组荷电状态的测量方法 

技术领域

本发明涉及串联电池组的荷电状态SOC(State Of Charge)的测量方法。 

背景技术

为了达到一定的功率和能量等级，电池常常需要串联成组使用。在串联电池组(简称电池组，下同)的使用过程中，要保证构成电池组的所有单体电池的安全，防止出现过充电或过放电。在电池组使用和研究过程中，准确测量SOC是电池管理系统中最基本和最首要的任务。特别是在快速充电技术的研究中，准确测量SOC是决定电池组的初始充电电流和充电时间的前提，是实现快速充电的关键技术。 

目前，电池组SOC的测量方法基本上是出于对单体电池使用和状态估算的拓展： 

方法一是，将电池组从整体上看作为一只“大电池”，像处理单体电池一样，采用电池组的外特性，如电池组总电压，对电池组的SOC进行测量。 

图1所示为利用电池组总电压测量SOC的原理性框图。如图1所示的测量方法，首先测量电池组的总电压，然后根据SOC-U的经验关系图表，得到与所测总电压对应的SOC，并将其作为电池组的SOC。 

但是，由于生产工艺的原因，配对成组的单体电池的外特性不可能完全一致。另外，在电池的使用过程中，由于电池的发热情况、散热条件等不完全相同，加之正反馈反应，使得各单体电池外特性间的差异性越来越大。这些因素造成电池组的外特性与其SOC没有固定的对应关系，所以基于电池组的外特性对其SOC进行测量计算，并不准确。 

方法二是，基于单体电池的容量直接对电池组的SOC进行测量计算。图2为表示这种测量方法的原理性框图。 

按照图2所示的方法，将额定容量相同的单体电池串联起来组成电池组，并用单体电池的额定容量直接作为电池组的最大可用容量。测量流过电池组的电流并利用积分装置对时间积分，以确定剩余用量。然后，计算出SOC。 

由于电池组中的各单体电池的最大可用容量、剩余容量等不完全一致，目前的方法并没有考虑到单体电池容量和电池组容量的关系和差别，从而不能有效地计算出电池组在某一时刻实际能充入多少容量和能放出多少容量。因此这种方法也不能准确计算出电池组的荷电状态SOC。 

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题从而准确地测量串联电池组的SOC，使得到的电池组SOC在保证电池组利用率的前提下有效防止电池组过充电或过放电。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种串联电池组荷电状态的测量方法，所述串联电池组由n只单体电池串联组成，n是大于等于2的整数，所述串联电池组荷电状态的测量方法包括以下步骤： 

确定各所述单体电池的最大可用容量Q_max[1]，Q_max[2]，...，Q_max[n]和剩余容量Q_rem[1]，Q_rem[2]，...，Q_rem[n]； 

计算出各所述单体电池的最大可充电容量Q_ch[1]，Q_ch[2]，...，Q_ch[n]，其中，Q_ch[k]＝Q_max[k]-Q_rem[k]，k是大于等于1且小于等于n的整数； 

确定所述单体电池中最小的剩余容量Q_rem[i]和最小的最大可充电容量Q_ch[j]，其中， 

Q_rem[i]＝min{Q_rem[1]，Q_rem[2]，...，Q_rem[n]}， 

Q_ch[j]＝min{Q_ch[1]，Q_ch[2]，...，Q_ch[n]}， 

i和j都是大于等于1且小于等于n的整数； 

确定所述串联电池组的剩余容量Q_rem ^B和最大可充电容量Q_ch ^B，其中， 

Q_rem ^B＝Q_rem[i]， 

Q_ch ^B＝Q_ch[j]； 

计算所述串联电池组的最大可用容量Q_max ^B，其中， 

Q_max ^B＝Q_rem ^B+Q_ch ^B； 

计算所述串联电池组的SOC^B，其中， 

SOC^B＝Q_rem ^B/Q_max ^B。 

根据本发明的串联电池组荷电状态测量方法，由于考虑了各单体电池的实测容量，因此，能够准确地得到电池组的荷电状态，并可有效防止电池组出现过充电和过放电，保证了电池组使用的安全。 

另外，由于根据本发明的SOC测量方法，并不要求单体电池的额定最大可用容量必须相同，因此，在一定程度上降低了电池组成组时的配对要求，减少了废品率。 

附图说明

下面，结合附图描述本发明。附图所示的内容只是为了解释本发明的原理，而不是用来对本发明保护范围进行限制。其中， 

图1是根据现有技术基于电池组的外特性测量电池组SOC的原理图； 

图2是根据现有技术基于单体电池容量测量电池组SOC的原理图； 

图3是根据本发明一种实施方式的电池组测量方法的流程图。 

具体实施方式

下面，首先解释根据本发明的电池组SOC测量方法的原理。 

发明人注意到，有效防止电池组过充电或过放电，其本质是防止电池组中各单体电池出现过充电或过放电，相应地，必须使电池组中所有单体电池工作在SOC_i∈[0，100％]的范围内。也就是说，一旦电池组中任何一只单体电池的SOC达到0或100％，电池组就不能继续放电或充电。在此条件下，与单体电池的定义一致，电池组的SOC为电池组的剩余容量和最大可用容量之比。因此，确定电池组在某一时刻的荷电状态SOC的关键问题在于电池组的剩余容量和最大可用容量的确定。 

为了和单体电池的表示方法相区别，电池组的参数采用上标^B进行区分，下同。 

从单体电池的SOC定义可知，单体电池的SOC是单体电池的剩余容量Q_rem与单体电池的最大可用容量Q_max之比，即SOC＝Q_rem/Q_max。换言之，如果要对单体电池进行放电，单体电池的最大可放电容量Q_dch也就是单体电池的剩余容量，则有： 

Q_dch＝Q_rem＝Q_max×SOC........................(1) 

如果要对单体电池进行充电，则最大可充电容量Q_ch为： 

Q_ch＝Q_max-Q_rem＝Q_max×(1-SOC).................(2) 

下面将参照图3描述本发明的一种实施方式。图3是一个流程图，表示的是根据本发明串联电池组SOC测量方法一个实施例，测量由n只单体电池 串联成组的电池组的SOC。单体电池可以是，但不限于，锂离子电池。 

首先，在步骤S01确定每只单体电池的最大可用容量Q_max[1]，Q_max[2]，...，Q_max[n]以及单体电池当前的剩余容量Q_rem[1]，Q_rem[2]，...，Q_rem[n]。 

单体电池的最大可用容量可以使用单体电池出厂时的实测容量，或者使用本领域公知的测量方法得到。这里需要注意的是，本发明使用的是各单体电池的实测容量值，而不是额定值。另外，根据具体情况可以采用相应的实测方法。本发明在此不再赘述已经公知的各种单体电池容量的实测方法。 

同样，本发明对于确定单体电池剩余容量的方法也没有限制，可以根据具体的要求使用相应的公知测量方法，例如前述的对电流积分的测量方法。 

根据上述公式(1)，可以计算出各单体电池当前的荷电状态分别为SOC[1]，...，SOC[n]。 

则对于电池组中任意单体电池k，在当前状态下的最大可放电容量为： 

Q_dch[k]＝Q_rem[k]＝Q_max[k]×SOC[k] 

接下来，根据上述的公式(2)，在步骤S02确定各单体电池当前的最大可充电容量为： 

Q_ch[k]＝Q_max[k]-Q_rem[k]＝Q_max[k]×(1-SOC[k]) 

然后，在步骤S03确定组成电池组的单体电池中最小的剩余容量以及最小的最大可充电容量。 

由于电池组中各单体电池之间不可能完全一致，必定存在一只单体电池i，其最大可放电容量在所有n只单体电池的最大可放电容量中为最小，即： 

Q_dch[i]＝min{Q_max[1]×SOC[1]，...，Q_max[n]×SOC[n]}＝Q_max[i]×SOC[i] 

同样，如果要对这组电池进行充电，由于各单体电池之间不可能完全一致，必定存在一只单体电池j，其最大充电容量Q_ch[j]在所有n只单体电池的充电容量中为最小，即： 

Q_ch[j]＝min{Q_max[1]×(1-SOC[1])，...，Q_max[n]×(1-SOC[n])} 

＝Q_max[j]×(1-SOC[j]) 

接着，在步骤S04确定电池组的剩余容量和最大可充电容量。 

当电池组进行放电的时候，由于单体电池之间串联，流过各只单体电池的电流都是完全一样的，所以在这个放电的过程中每只单体电池的放电容量是一样的。当电池组中任意一只单体电池放完电，为保证这支单体电池的使 用安全和寿命，电池组就不能继续放电。也就是说，当电池组的放电容量达到Q_dch[i]后，单体电池i首先放完电，电池组也放电结束。因此，当电池组进行放电时，电池组的最大可放电容量Q_dch ^B即电池组的剩余容量Q_rem ^B等于单体电池i的最大可放电容量： 

$Q_{\mathrm{rem}}^B=Q_{\mathrm{dch}}^B=Q_{\mathrm{dch}}\left[i\right]=Q_{\max }\left[i\right]\×\mathrm{SOC}\left[i\right]$

当电池组进行充电的时候，由于单体电池之间串联，流过各只单体电池的电流完全一致，当任何一只单体电池充满电后，电池组就不能继续充电。也就是说，当电池组的充电容量达到Q_max[j]×(1-SOC[j]后，单体电池j首先充满电，电池组也就充电结束。因此，当电池组进行充电时，电池组的最大可充电容量Q_ch等于单体电池j的最大可充电容量，即： 

$Q_{\mathrm{ch}}^B=Q_{\mathrm{ch}}\left[j\right]=Q_{\max }\left[j\right]\×(1-\mathrm{SOC}[j\left]\right)$

在步骤S05确定电池组的最大可用容量。根据本发明，该电池组的最大可用容量为： 

$Q_{\max }^B=Q_{\mathrm{dch}}^B+Q_{\mathrm{ch}}^B=\min \left\{Q_{\max }\right[1]\×\mathrm{SOC}[1],...,Q_{\max }[n]\×\mathrm{SOC}[n\left]\right\}+$

min{Q_max[1]×(1-SOC[1])，...，Q_max[n]×(1-SOC[n])} 

＝Q_dch[i]+Q_ch[j]＝Q_max[j]×SOC[i]+Q_max[j]×(1-SOC[j]) 

最后，在步骤S06计算电池组的SOC。 

电池组的SOC为： 

${\mathrm{SOC}}^B=\frac{Q_{\mathrm{rem}}^B}{Q_{\max }^B}$

$=\frac{\min \left(Q_{\max }\right[1]\×\mathrm{SOC}[1],...,Q_{\max }[n]\×\mathrm{SOC}[n\left]\right)}{\min \left(Q_{\max }\right[1]\×\mathrm{SOC}[1],...,Q_{\max }[n]\×\mathrm{SOC}[n\left]\right)+\min \left(Q_{\max }\right[1]\×(1-\mathrm{SOC}[1\left]\right),...,Q_{\max }[n]\×(1-\mathrm{SOC}[n\left]\right))}$

$=\frac{Q_{\max }\left[i\right]\×\mathrm{SOC}\left[i\right]}{Q_{\max }\left[i\right]\×\mathrm{SOC}\left[i\right]+Q_{\max }\left[j\right]\×(1-\mathrm{SOC}[j\left]\right))}$

当i＝j时，可简化为： 

${\mathrm{SOC}}^B=\frac{Q_{\max }\left[i\right]\×\mathrm{SOC}\left[i\right]}{Q_{\max }\left[i\right]}=\mathrm{SOC}\left[i\right]$

此时，电池组的荷电状态SOC^B与容量最小的单体电池i的SOC一致。这时候电池组的SOC计算可以简化为容量最小的单体电池i的SOC的计算。当该只单体电池充满电的时候，电池组就不能继续充电，电池组的SOC^B＝100％，放电过程亦然。 

当i≠j时，如果电池组进行放电，放出容量为Q_max[i]×SOC[i]后，单体电池i完全放电，电池组的荷电状态为SOC^B＝0％；如果进行充电，当充入的容量 达到Q_max[j]×(1-SOC[j]时，单体电池j完全充满电，电池组的荷电状态为SOC^B＝100％。 

本发明根据各单体电池的最大可用容量、剩余容量(或SOC)确定电池组在同一状态下的可充电容量和可放电容量，在此基础上计算出电池组的剩余容量和最大可用容量，从而准确地得到电池组的SOC，而且，可有效防止电池组出现过充电和过放电，保证了电池组使用的安全。另外，由于根据本发明的SOC测量方法考虑了各单体电池的实测容量，并不要求单体电池的额定最大可用容量必须相同，因此，在一定程度上降低了电池组成组时的配对要求，减少了废品率。 

Claims (3)

1.一种串联电池组荷电状态的测量方法，所述串联电池组由n只单体电池串联组成，n是大于等于2的整数，所述串联电池组荷电状态的测量方法包括以下步骤：

确定各所述单体电池的最大可用容量Q_max[1]，Q_max[2]，...，Q_max[n]和剩余容量Q_rem[1]，Q_rem[2]，...，Q_rem[n]；

计算出各所述单体电池的最大可充电容量Q_ch[1]，Q_ch[2]，...，Q_ch[n]，其中，Q_ch[k]＝Q_max[k]-Q_rem[k]，k是大于等于1且小于等于n的整数；

确定所述单体电池中最小的剩余容量Q_rem[i]和最小的最大可充电容量Q_ch[j]，其中，

Q_rem[i]＝min{Q_rem[1]，Q_rem[2]，...，Q_rem[n]}，

Q_ch[j]＝min{Q_ch[1]，Q_ch[2]，...，Q_ch[n]}，

i和j都是大于等于1且小于等于n的整数；

确定所述串联电池组的剩余容量Q_rem ^B和最大可充电容量Q_ch ^B，其中，

Q_rem ^B＝Q_rem[i]，

Q_ch ^B＝Q_ch[j]；

计算所述串联电池组的最大可用容量Q_max ^B，其中，

Q_max ^B＝Q_rem ^B+Q_ch ^B；

计算所述串联电池组的SOC^B，其中，

SOC^B＝Q_rem ^B/Q_max ^B。

2.如权利要求1所述的串联电池组荷电状态的测量方法，其中，各所述单体电池是锂离子电池。

3.如权利要求1或者2所述的串联电池组荷电状态的测量方法，其中，各所述单体电池的额定的最大可用容量相同。

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