CN103344922A - 混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，包括以下步骤：控制混合电动车的电池组由常规状态进入特定状态；记录特定状态下各个时刻各个电池单体的电压U_i,t，计算各个时刻各个电池单体的平均电压U_m,t，并计算各个时刻各个电池单体的电压差异ΔU_i,t=U_i,t-U_m,t，然后对电池单体电压差异ΔU_i,t对时间t进行平均，得到每个电池单体开路电压差异得到特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线；将各个电池单体开路电压差异分别插值到特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线上，查询得到电池单体荷电状态差异。根据本发明实施例的方法，直接实现电池单体荷电状态差异的辨识，进而可以对电池组的健康状态进行监测。

Description

混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法

技术领域

本发明属于车用动力电池技术领域，具体涉及一种混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法。

背景技术

燃油的耗竭和环境的恶化使得传统燃油汽车面临着节能减排的压力。而混合电动车作为传统燃油汽车和纯电动车（Electric Vehicle，EV）的过渡，其燃油经济性高，环境友好因而受到市场广泛接受。一种典型的混合电动车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）通常是混合了燃油-发动机和电池-电机两种动力源，且电池-电机动力源通常作为辅助动力源。而功率型LiFePO₄电池因其低价长寿和良好的功率密度和能量密度等特性作为混合电动车的辅助动力源储能装置正受越来越多的关注。

和纯电动车一样，混合电动车也需要几十节至上百节电池串并联以满足功率和总线电压的要求。制造的不一致性和使用过程中环境的不一致性必然会带来电池单体的差异问题。而目前在整车层面的研究上，通常忽略了电池单体间存在的差异，将电池组看作一个容量和电压都很高的电池单体，从而简化电池组的研究。但为了保证电池组的安全和高效，对电池单体的一致性辨识和均衡是混合电动车必不可少的内容。然而由于测量噪声和LiFePO₄电池开路电压平台等的特点，目前很少有方法可以实现混合电动车上LiFePO₄一致性辨识。

相比纯电动车，混合电动车的电流测量在更为动态和更为大的电流下显得更不不精确，因而基于电流积分的荷电状态（State of Charge，SOC）估计，特别是长期的未经校正的电流积分的荷电状态估计在混合电动车上只能作为参考。另外一般的车用电池管理系统对单体电压测量的误差精度通常只能做到5mV以内，很少可以达到电池测试台架1mV的精度。而对于LiFePO₄电池而言，由于其开路电压（Open Circuit Voltage，OCV）曲线非常平坦，且在荷电状态大于约40%的范围上存在电压平台，因而对电池电压测量的精度要求较高。同时由于混合电动车电池组的荷电状态通常维持在50%左右，正处于LiFePO₄平坦的电压平台上，这对于LiFePO₄电池单体荷电状态一致性的辨识是非常不利的，事实上，在50%的荷电状态区间上，每1mV的开路电压误差可以造成3%以上的荷电状态估计误差。若电池管理系统（Battery Management System，BMS）的测量误差为5mV，则对于一个荷电状态为50%的电池单体而言，仅用开路电压估计的荷电状态可能为40%也可能为60%，这是无法接受的。

如图1所示，其中图1（b）为图1（a）的局部放大图，8节LiFePO₄电池单体串联构成的电池组在混合电动车中充放电的电池单体电压情况可以看到，8节电池单体的荷电状态差异分别为5%且按35%-70%的等差数列排列，尽管荷电状态的最大差异高达35%，但其电压差异却在50mV以内。从图1（b）中可以看到，除了35%，65%和70%的三个电池单体，其他5个荷电状态从40%至60%的电池单体的电压曲线基本是重合的，荷电差异在5mV之内。在这种情况下，若电池管理系统的测量误差为5mV，则这5个荷电状态从40%至60%的电池单体几乎是无法区分的。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，包括以下步骤：S1：控制混合电动车的电池组由常规状态进入特定状态，所述电池组包括N个电池单体，其中，在所述常规状态时，所述电池单体荷电状态位于第一取值区间，在所述特定状态时，所述电池单体荷电状态位于第二取值区间；S2：电池管理系统记录所述特定状态下各个时刻各个电池单体的电压U_i,t，计算各个时刻所述各个电池单体的平均电压U_m,t，并计算各个时刻各个电池单体的电压差异ΔU_i,t=U_i,t-U_m,t，然后对所述电池单体电压差异ΔU_i,t对时间t进行平均，得到每个电池单体开路电压差异S3：根据电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，结合电池单体特性曲线，得到所述特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线；S4：将所述各个电池单体开路电压差异

分别插值到所述特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线上，查询得到所述电池单体荷电状态差异。

优选的，所述第一取值区间为（常规目标值-10%，常规目标值+10%），其中，所述常规目标值的取值区间为（40%，70%）。

优选的，所述第二取值区间为（特定目标值-10%，特定目标值+10%），其中，所述特定目标值的取值区间为（25%，35%）。

优选的，步骤S3中进一步包括：S31：在所述电池单体特性曲线中，根据特定状态下的荷电状态目标值，查询对应的特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值；S32：对所述常规状态的电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，将横坐标的电池单体荷电状态数值减去所述特定状态下的荷电状态目标值，将纵坐标的开路电压数值减去特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值，得到特定状态下的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线。

优选的，LiFePO₄电池组的所述特定状态下的荷电状态目标值为30%，所述特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值为3.285V。

根据本发明的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，在不改变混合电动车的电池管理系统测量精度和其他硬件的条件下，在实车运行中不影响驾驶感受的情况下，直接实现电池单体间荷电状态差异辨识，进而可以对电池组的健康状态进行监测，并进一步实现电池组的均衡维护。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是8节LiFePO₄电池单体串联构成的电池组在混合电动车中充放电的电池单体电压示意图；

图2是本发明实施例的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法的流程图；

图3是本发明实施例的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法示意图；

图4是LiFePO₄电池特性曲线图；

图5是LTO电池特性曲线图；

图6是本发明实施例的30%特定状态下的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，为本发明实施例的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法的流程图，包括以下步骤：

S1：控制混合电动车的电池组由常规状态进入特定状态，电池组包括N个电池单体，其中，在常规状态时，电池单体荷电状态位于第一取值区间，在特定状态时，电池单体荷电状态位于第二取值区间，在此首先考虑第一取值区间高于第二取值区间的情况。

结合图3所示的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法示意图。混合电动车在多数时间下处于常规状态，即荷电状态控制在常规目标值的范围内，常规目标值的取值区间为（40%，70%），第一取值区间为（常规目标值-10%，常规目标值+10%），即当常规目标值取值为55%时，第一取值区间为（45%，65%）范围内均认为荷电状态的常规目标值取值为55%。

混合电动车的电池组每隔一定时间进入到一种短期的用于辨识电池单体荷电状态差异的电池单体荷电状态能量管理策略中，即权利要求中所述的特定状态，在特定状态下，荷电状态控制在特定目标值的范围内，其中，特定目标值取值区间为（25%，35%），第二取值区间为（特定目标值-10%，特定目标值+10%），即当特定目标值取值为30%时，第二取值区间（20%，40%）均认为电池单体荷电状态的特定目标值取值为30%。

需要说明的是，进入特定状态的方法可以有两种：一种是整车控制器主动将电池组荷电状态目标值定为特定状态下的荷电状态目标值，整车控制器的能量管理策略主动把电池组内多余的电量释放，从而使电池组进入特定状态；另一种方法可以不改变整车控制器的算法，由电池管理系统报告荷电状态偏高的方法“欺骗”整车控制器，从而使整车控制器的能量管理策略将电池组内多余的电量释放。

在特定目标值的取值区间内，保证电池单体对应的开路电压随荷电状态的变化有较大的变化。在完成电池单体荷电状态差异的辨识后，混合电动车重新启用常规状态的荷电状态能量管理策略。

在本发明的实施例中，混合电动车处于常规状态的荷电状态的时间取为1周，而进入到用于辨识电池单体荷电状态差异的特定状态的时间为3个小时，而对于常规状态的荷电状态的时间的选取则取决于电池组一致性的好坏的程度，对于一致性较差的电池组，需要更频繁地对电池单体荷电状态差异进行辨识，因而常规状态的荷电状态的时间将会比较短。一般来说，1周时间内电池组的荷电状态差异变化不大，因而选用1周进行一次荷电状态差异辨识即可。在本发明的实施例中，LiFePO₄电池组特定目标值取值为30%，第二取值区间（20%，40%）均认为电池单体荷电状态的特定目标值取值为30%。一般来说，LiFePO₄电池组的特定目标值取值在40%以下时，其对应的开路电压随荷电状态的变化有较大的变化，有利于电池单体荷电状态差异的辨识结果的准确性。

S2：电池管理系统记录特定状态下各个时刻各个电池单体的电压U_i,t，计算各个时刻各个电池单体的平均电压U_m,t，并计算各个时刻各个电池单体的电压差异ΔU_i,t=U_i,t-U_m,t，然后对电池单体电压差异ΔU_i,t对时间t进行平均，得到每个电池单体开路电压差异

由于电池单体电压差异ΔU_i,t在特定状态时变化较小，因而将各个电池单体电压差异ΔU_i,t对时间t进行平均，在此过程中，由于特定状态的维持，充放电情况基体一致，因而内阻不一致对时间平均后电池单体电压差异ΔU_i,t的影响很小，可以认为得到了该特定状态的荷电状态目标值下每个电池单体开路电压差异

S3：根据电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，结合电池单体特性曲线，得到特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线。

具体的，步骤S3进一步包括：

S31：在电池单体特性曲线中，根据特定状态下的荷电状态目标值，查询对应的特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值。

如图4所示，为LiFePO₄电池特性曲线图，LiFePO₄电池组的特定状态下的荷电状态目标值为30%，特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值为3.285V。需要说明的是，本发明亦可采用除LiFePO₄以外的其他类型的电池，如图5所示，为LTO（Li₄Ti₅O₁₂，钛酸锂）电池的电池特性曲线图。

S32：对常规状态的电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，将横坐标的电池单体荷电状态数值减去特定状态下的荷电状态目标值，将纵坐标的开路电压数值减去特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值，得到特定状态下的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线。

S4：将各个电池单体开路电压差异

分别插值到特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线上，查询得到电池单体荷电状态差异。

在本发明的实施例中，对于LiFePO₄而言，特定目标值取值为30%。图6为30%特定状态下的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线。根据本发明实施例的方法，使用8节电池实验，图6中圆圈表示实验测量的荷电状态差异，方块表示根据本发明的方法计算的荷电状态差异，可以看到利用本方法估计的荷电差异小于3%。

在这里需要说明的是，在第二取值区间高于第一取值区间的情况下，同样可以应用本发明实施例的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，检测电池单体荷电状态差异，其方法与第一取值区间高于第二取值区间的情况相同，在此不再一一赘述。

由上可知，根据本发明实施例的混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，在不改变混合电动车的电池管理系统测量精度和其他硬件的条件下，在实车运行中不影响驾驶感受的情况下，直接实现电池单体间荷电状态差异辨识，其精度在3%以内，进而可以对电池组的健康状态进行监测，并进一步实现电池组的均衡维护。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种混合电动车电池单体荷电状态差异检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：控制混合电动车的电池组由常规状态进入特定状态，所述电池组包括N个电池单体，其中，在所述常规状态时，所述电池单体荷电状态位于第一取值区间，在所述特定状态时，所述电池单体荷电状态位于第二取值区间；

S2：电池管理系统记录所述特定状态下各个时刻各个电池单体的电压U_i,t，计算各个时刻所述各个电池单体的平均电压U_m,t，并计算各个时刻各个电池单体的电压差异ΔU_i,t=U_i,t-U_m,t，然后对所述电池单体电压差异ΔU_i,t对时间t进行平均，得到每个电池单体开路电压差异

S3：根据电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，结合电池单体特性曲线，得到所述特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线；

S4：将所述各个电池单体开路电压差异

分别插值到所述特定状态的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线上，查询得到所述电池单体荷电状态差异。

2.如权利要求1所述的电池单体荷电状态差异检测方法，所述第一取值区间为（常规目标值-10%，常规目标值+10%），其中，所述常规目标值的取值区间为（40%，70%）。

3.如权利要求1和2所述的电池单体荷电状态差异检测方法，其特征在于，所述第二取值区间为（特定目标值-10%，特定目标值+10%），其中，所述特定目标值的取值区间为（25%，35%）。

4.如权利要求1-3任一项所述的电池单体荷电状态差异检测方法，其特征在于，步骤S3中进一步包括：

S31：在所述电池单体特性曲线中，根据特定状态下的荷电状态目标值，查询对应的特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值；

S33：对所述常规状态的电池单体荷电状态与开路电压的对应关系曲线，将横坐标的电池单体荷电状态数值减去所述特定状态下的荷电状态目标值，将纵坐标的开路电压数值减去特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值，得到特定状态下的电池单体荷电状态差异与开路电压差异的对应关系曲线。

5.如权利要求1-4所述的电池单体荷电状态差异检测方法，其特征在于，LiFePO₄电池组的所述特定状态下的荷电状态目标值为30%，所述特定状态下的荷电状态目标值对应的开路电压目标值为3.285V。

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