CN102230953B - 蓄电池剩余容量及健康状况预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，本发明实现了基于安时积分法和开路电压法的电池剩余容量的预测，根据放电电流和环境温度进行调节，并在不断的行驶过程中自我修正，纠正电池老化对电量预测的影响。同时根据车用电池的工作特性，提出了基于开路电压与安时积分相结合的电池失效判定模式，避免了对电池做核对放电试验的麻烦。实验证明对于不是长期处于浮充状态下的车用动力蓄电池，该方法得出的容量有较高的可靠性。本发明针对当前电动自行车大量使用，而大多用户对电池状况知之甚少这一社会背景，有较大的应用意义。

Description

蓄电池剩余容量及健康状况预测方法

技术领域

本发明属于蓄电池管理技术领域，特别涉及基于安时积分法以及开路电压法对蓄电池剩余容量及健康状况进行预测的方法。

背景技术

目前动力型蓄电池在铁路机车、电动汽车，特别是目前非常流行的电动自行车上，应用十分广泛。铅酸蓄电池的技术比较成熟，相关理论与经验比较丰富，新推出的密封阀控式免维护铅酸蓄电池应用较广，特别是在电动自行车领域。它采用全密封防漏设计，解决了电池失水问题，可免维护运行，且具有容量大、比能量高、自放电小、使用寿命长、密封效率高、安全可靠等优点，符合动力电池的要求。

铅酸蓄电池的充放电是一个复杂的电化学过程，其实际容量也受很多因素影响，因此精确测算蓄电池的剩余容量难度比较大。对蓄电池剩余容量产生影响的主要因素有充放电电流、电池温度以及电池老化程度等。目前通常的做法是根据电池的外特性参数对蓄电池剩余容量进行预测。常用的有以下几种方法。

（1）交流阻抗法

电池内阻分为欧姆内阻与极化内阻，电学模型为电阻与电容组成的复阻抗模型。

该方法是在蓄电池两端加上正弦恒流信号，在电池两端测量电压响应，从而计算出复阻抗值。其优点是可在线测量，缺点是由于测量只能采取交流小信号，受外界干扰比较严重，必须有专门的去干扰电路。另外测量结果直接受交流信号的频率影响，因此，测量方法不同，结果也不同，所以不同测量系统的结果不好参比。

（2）开路电压法

铅酸蓄电池在性能稳定时（常指电池经较长时间静置后），电池的开路电压与剩余容量具有很好的线性关系，而且这种线性关系受外界温度及蓄电池老化影响较小。电池荷电状态与开路电压的关系可表示为： 

表示电池满容量是开路电压，

表示电池放完电时的开路电压，

表示电池开路电压。

该方法的缺点是，电池开路电压需要电池开路并且静置一段时间后测取，因此无法做到在线测量。

（3）电池端电压法

该方法对蓄电池端电压在线检测，然后根据放电曲线查找对应的剩余容量。但是放电曲线受放电电流影响较大，因此在负载电流变化较大时该检测方法误差较大。

（4）安时积分法

又称AH法，其原理是对充放电电流按时间进行积分，计算电池充入与放出电量，再根据蓄电池总容量得出剩余容量。该检测方法需要对电流进行高速采样，同时还需考虑温度补偿、充放电效率等问题。

（5）模糊预测和神经网络法

该类方法属于无模型推理预测方法，可以从输入输出样本中获得系统输入输出关系。但是，一方面该方法需要电池历史数据的支持，而且精度受学习样本影响较大；另一方面，由于算法较复杂，一般需要上位机支持。

另一方面，电池健康状况为电池当前预测总容量与标称容量的比值。电池实际总容量是电池性能的重要指标，根据国家关于铅酸蓄电池的相关标准，电池实际总容量下降至电池标称容量的80%时，电池寿命即终止。因此，预测电池的健康状况对于了解当前蓄电池的性能也具有重要的意义。

一般对电池健康状况的测量可采用深放电法和内阻测试法。深放电法是对蓄电池进行大电流深放电，观测端电压变化，若压降越大，电池老化越严重，健康程度越差。内阻测试的原理是，在电池使用后期起内阻将明显增大。深放电法需要特殊设备并且要断线测试，内阻测试法的硬件电路比较复杂。

由此可知，目前对蓄电池的剩余容量以及健康状况的测算，是当前蓄电池管理中的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，采取开路电压结合放电时安时积分的方法预测剩余容量及健康状况。

本发明的技术方案如下：

一种蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，包括如下步骤：

（1）安时积分法初步预测剩余容量：

根据电池电量定义，得出电池充放电量

与充放电流的积分关系：

其离散模型为：

其中，

为电流采样周期，

为电流采样值，

为放电时间；

根据积分前电量初始值

得出当前剩余电量

：

（2）剩余容量的放电电流修正：

电池放电电流与剩余容量的关系为： 

特别地，对于同一组电池，由于其

值相同，定义容量的电流修正系数为：  

其中，

、

分别为标准放电电流以及相应的额定容量；

（3）剩余容量的温度修正：

温度与剩余容量的关系为：

其中，

为标准温度，

为标准温度下对应的容量，

为温度系数；

定义容量的温度修正系数为：

（4）得出放电电流修正和温度修正后的剩余容量：

设电池温度为，电流大小为

，则在时间

内，其消耗电量

，将其转化为标准电流下消耗电量

，并有以下公式：

由此可得，标准状况下的剩余电量

如下所示： 

其中，

为当前电池标准总容量；

（5）开路电压法计算电池荷电状态：

电池荷电状态

与开路电压的关系表示为： 

其中，

表示电池满容量时的开路电压，

表示电池放完电时的开路电压，

表示电池开路电压；

    （6）预测电池健康状况

：

电池健康状况

定义为电池当前预测总容量与标称容量的比值： 

其中，

为当前实际总容量；

以充满电后的开路电压为最大值

，一次放电后，开路电压变为

，经安时积分得出期间标准放电为

，则有：

因此，则有： 

据此，捕捉蓄电池从充满电一直放电到截止电压的情况，直接根据记录放电安时数得出

值；

（7）得出电池老化修正后的剩余容量：

电池当前的标准总容量在考虑电池老化程度

后修正为：

则电池老化修正后的剩余电量

为： 

其中，

为电池标称容量。

其进一步的技术方案为：所述步骤（4）中，将修正后的容量值除以当前电流可计算出蓄电池此状态下还可运行的时间

，其公式如下：

   。

以及，其进一步的技术方案为：所述步骤（6）中，对于长时间停车情况，认为电池端电压即为开路电压，此种情况的数据可以用以修正

；对于短时间停车情况，电池端电压还未回升至稳定开路电压值，此种情况的数据不作为修正

的依据；对于浮充情况，认为电池为满充，即

；对于短时充电，即充电严重未满的情况，认为是极端情况，不予考虑。

本发明的有益技术效果是：

本发明实现了基于安时积分法和开路电压法的电池剩余容量的预测，根据放电电流和环境温度进行调节，并在不断的行驶过程中自我修正，纠正电池老化对电量预测的影响。同时根据车用电池的工作特性，提出了基于开路电压与安时积分相结合的电池失效判定模式，避免了对电池做核对放电试验的麻烦。实验证明对于不是长期处于浮充状态下的车用动力蓄电池，该方法得出的容量有较高的可靠性。本发明在蓄电池的一般应用场合有较大的应用意义，尤其针对当前电动自行车大量使用，而大多用户对电池状况知之甚少这一社会背景。

具体实施方式                                                                                                     

下面对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明采用安时积分法与开路电压法相结合的方法，特别针对蓄电池大量应用的车载应用环境设计。一方面安时积分法便于硬件实现；另一方面开路电压与剩余容量具有较好的线性关系。由于电动车属于间歇工作模式，一般电动车开始运行之前，都经过相当长一段时间停车，则可认为每次电动车启动前测取的电压即为电池开路电压，当然这里要排除停车给电动车充电并一直浮充至下次启之前的情况。考虑到电动车的开路电压容易测取，且开路电压与剩余容量具有线性关系，我们采取开路电压结合放电时安时积分的方法预测剩余容量。具体步骤如下：

步骤（1）：根据电池电量定义，可以得出电池充放电量与充放电流的积分关系：

考虑到计算机采样实现，其离散模型为：

其中，

为电流采样周期，

为电流采样值，

控制积分时长，即放电时间。得出电量变化之后。再根据积分前电量初始值就可得出当前剩余电量：

上述为安时积分法，其原理较为简单，但要准确预测剩余容量，还需要考虑放电电流对容量的影响、温度对容量的影响以及电池老化对容量的影响。考虑到安时积分法得出的变化电量几乎不受上述因素影响，可认为近似准确值，在对初始电量

的确定时需要考虑上述影响。

步骤（2）：首先，考虑放电电流的影响。在这些因素中，放电电流对容量的影响最为明显。根据Peukert方程，电池放电电流与剩余容量的关系为： 

一般大于1，该公式反映了放电电流越大，电池实际容量越小。

特别地，对于同一组电池，由于其

值相同，我们定义：  

为放电电流

下的电流修正系数。其中，、

分别为标准放电电流以及相应的额定容量。这些可直接由电池厂商提供的数据得出，

值可根据不同电流下的放电曲线簇求取。

因此，不同放电电流下的容量初始值经修正后可表示为： 

为初始容量折合到标准状态下的值。

步骤（3）：接下来考虑温度对容量的影响。温度是影响容量的第二大因素，主要表现为，温度上升，蓄电池能放出的能量就变大，反之则减小。温度与剩余容量一般关系为：

为标准温度，

为标准温度下对应的容量，为温度系数。

类似地可定义容量的温度修正系数

为：

其值可根据温度系数及标准温度直接得出。

步骤（4）：因此，在一小段时间

内，设电池温度为

，电流大小为

，则其消耗电量

，将其转化为标准电流下消耗电量

，并有以下公式：

由此可得，标准状况下的剩余电量

如下所示： 

为当前电池标准总容量。

根据上式，在知道放电前电池的标准总容量

后，便可在放电时计算出标准状况下剩余容量

。

更具意义的是，我们将该容量值修正后除以当前电流便可以计算出蓄电池此状态下还可运行的时间

，其公式如下：

最后，考虑电池老化的影响。电池老化程度可用

值表征，它表示电池当前实际总容量与标称容量的比值，能够表示当前电池满充时的实际容量。因此上面讨论的电池标准总容量在考虑

后可以修正为：

为电池标称容量。

对于初始标准容量的选取，认为第一次的电池总容量即为

，之后随着

的变化按上式不断修正，而消耗的标准电量

在放电过程中不断积分累加，一旦充电则被置0。根据这种方法，即可得到剩余标准电量和预期剩余时间。

下面将结合开路电压与安时积分的方法着重对

的测量求解展开讨论。

步骤（5）：电池健康状况预测采用的方法与上面剩余容量预测的方法相似，即结合开路电压与安时积分的方法。

首先采用开路电压法，铅酸蓄电池在性能稳定时（常指电池经较长时间静置后），电池的开路电压与剩余容量具有很好的线性关系，而且这种线性关系受外界温度及蓄电池老化影响较小。电池荷电状态与开路电压的关系可表示为： 

其中，

表示电池满容量是开路电压，

表示电池放完电时的开路电压，

表示电池开路电压。

步骤（6）：电池健康状况

定义为电池当前预测总容量与标称容量的比值。根据

定义，我们只需估计出当前蓄电池实际总容量就可以得出的值： 

为当前实际总容量。

考虑到蓄电池电压与容量的线性关系，我们认为充满电后的开路电压即为最大值

，一次放电后，开路电压变为

，经安时积分得出期间标准放电为

，则有：

因此，则有： 

据此，便可直接根据电动车行驶记录随时更新

值。特别地，如果我们能够捕捉到，蓄电池从充满电一直放电到截止电压的情况，则可以直接根据记录放电安时数得出

值。

步骤（7）以此，电池当前的标准总容量在考虑电池老化程度

后修正为：

则电池老化修正后的剩余电量

为： 

其中，

为电池标称容量。

考虑到实际工作情况的复杂性，需要对该检测方法的具体实现作详细分析。考虑到电动车从上一次使用到新一次的使用，这期间电池可能经历的状态有长时间停车、短时间停车、停车充电等。其中长时间停车是最为普遍的情况，电动车作为交通工具，往往只是在路上行驶时工作，到达目的地或者回到原处后都是长时处于停放状态的。短时停车情况也会发生，比如在某处逗留较短时间但仍需关电停车的情况也较多，因此需要作考虑。停车充电往往发生在电池电量不足时，这种情况下一般是电池浮充至下次开车前。对于短时充电，即充电严重未满的情况，此种情况可以认为是极端情况，不予考虑。对于长时间停车情况，认为电池端电压即为开路电压，可以用以修正，对于短时间停车情况，由于电池端电压还未回升至稳定开路电压值，因此此时若用以直接计算剩余容量初值，会产生不可忽略的误差，考虑到这种情况，短时停车的数据不作为修正

的依据。两种情况的判定可以时钟的计时值判断。对于浮充情况，则认为电池为满充，即

。

为了提高准确性，可以设置核对放电试验的环境，此环境下，外接恒流负载，完成一次核对放电试验，便可准确得出蓄电池当前实际容量，可用于校正值。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (3)

1.一种蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）安时积分法初步预测剩余容量：

根据电池电量定义，得出电池充放电量                                               与充放电流的积分关系：

其离散模型为：

其中，

为电流采样周期，

为电流采样值，

为放电时间；

根据积分前电量初始值

得出当前剩余电量：

（2）剩余容量的放电电流修正：

电池放电电流与剩余容量的关系为： 

对于同一组电池，由于其

值相同，定义容量的电流修正系数为：  

其中，

、

分别为标准放电电流以及相应的额定容量；

（3）剩余容量的温度修正：

电池温度

与在此温度下对应的电池剩余容量

的关系为：

其中，为标准温度，

为标准温度下对应的容量，

为温度系数；

定义容量的温度修正系数

为：

（4）得出放电电流修正和温度修正后的剩余容量：

当电池温度为，电流大小为

，则在时间内，其消耗电量，将其转化为标准电流下消耗电量

，并有以下公式：

由此可得，标准状况下的剩余电量

如下所示： 

其中，

为当前电池标准总容量；

（5）开路电压法计算电池荷电状态：

电池荷电状态

与开路电压的关系表示为： 

其中，

表示电池满容量时的开路电压，表示电池放完电时的开路电压，

表示电池开路电压；

    （6）预测电池健康状况

：

电池健康状况

定义为电池当前电池实际总容量与标称容量的比值： 

其中，

为电池标称容量，

为当前电池实际总容量；

以电池满容量时的开路电压

为最大值，一次放电后，开路电压变为

，经安时积分得出期间标准放电量为，则有：

因此，则有： 

；

据此，捕捉蓄电池从充满电一直放电到截止电压的情况，直接根据记录放电安时数得出

值；

（7）得出电池老化修正后的剩余容量：

当前电池标准总容量在考虑电池健康状况

后老化修正为

：

则标准状况下的剩余电量

老化修正为

： 

其中，

为电池标称容量。

2.根据权利要求1所述蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，其特征在于：所述步骤（4）中，将修正后的容量值除以当前电流可计算出蓄电池此状态下还可运行的时间

，其公式如下：

   。

3.根据权利要求1所述蓄电池剩余容量及健康状况预测方法，其特征在于：所述步骤（6）中，对于长时间停车情况，认为电池端电压即为开路电压，此种情况的数据可以用以修正电池健康状况

；对于短时间停车情况，电池端电压还未回升至稳定开路电压值，此种情况的数据不作为修正电池健康状况

的依据；对于浮充情况，认为电池为满充，即

；对于短时充电，即充电严重未满的情况，认为是极端情况，不予考虑。