CN103364736B - 一种锂离子电池组剩余可用容量rac的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，先计算电池模组中各个单节锂离子电池的充电载荷状态SOC，再计算各个单节锂离子电池的剩余可用容量RAC，进而计算各个电池模组的剩余可用容量RAC，锂离子电池组管理系统BMS比较各个电池模组的剩余可用容量RAC，将电池模组中剩余可用容量RAC最小值定义为锂离子电池组的剩余可用容量RAC，同时对电池模组中各个单节锂离子电池当前内阻R进行自学习和通过温度进行补偿，以及诊断电池模组的健康状况，保证准确地计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC，并最大化地释放出来；同时在工况发生变化时，锂离子电池组管理系统BMS仍然能够准确的计算锂离子电池组剩余可用容量RAC，提供及时的维护信息。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法。
【背景技术】
目前锂离子或锂聚合物电池组剩余可用容量RAC的计算方法一般为通过测量充放电回路的总电流，然后由电流积分得到绝对容量值，再通过与一次充放电学习后的当前实际容量相除，得到锂离子电池组的当前充电载荷状态SOC，这种剩余可用容量RAC的计算方法的局限性包括有：第一，电流积分的方式会产生累积误差并且会随着时间的延长而越来越大；第二，只能得到锂离子电池组的当前充电载荷状态SOC，并不能计算串联的每节单节锂离子电池的剩余可用容量RAC，这样对于锂离子电池组的剩余可用容量RAC一致性无法做很好的评估，同时也无法实时的根据每节锂离子电池的剩余可用容量RAC来控制均衡，导致均衡的效率太低；第三，当前充电载荷状态SOC并不能代表锂离子电池组在当前的环境和工况下所能放出来的实际电量，即当前充电载荷状态SOC不等于剩余可用容量RAC，而锂离子电池组所处的环境温度，老化程度，连接状况和当前的放电电流大小都是可变的，而把当前充电载荷状态SOC作为锂离子电池组当前容量参考值的这种计算方法存在严重的局限性，无法让使用者获得锂离子电池组当前的真实情况和全面信息；第四，在单节电芯失效的诊断方面，只通过单节锂离子电池的端电压来作为判断依据,无法有效的区分单节锂离子电池的失效是否是由于内阻增大还是由于容量衰减所造成，同时也无法对失效电芯进行定位；第五，生产时，需要专门对电流传感器进行校正和对锂离子电池组的一次满充满放电来做容量自学习动作，增加了时间和成本。
而且，锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算和锂离子电池组充放电控制的动作使用的是不同的评判单位，前者是库仑计积分后得到的安时单位，后者是测量串联的单节锂离子电池后得到的端电压值，当锂离子电池组中最低电压的那节锂离子电池达到放电截止电压时，锂离子电池组必须停止放电，此时锂离子电池组所能放出来的电量即由这节最低电压的锂离子电池所决定，当锂离子电池组出现容量不一致，内阻不一致时，都会导致锂离子电池组的剩余可用容量RAC随着这种不一致的扩大而变小；同时由于锂离子电池组所处环境和工况的变化也会导致容量和内阻的不一致，所以当环境和工况发生变化时，锂离子电池组每次充满电后所能放出的电量也会出现很大差异，这样就会出现锂离子电池组剩余可用容量RAC计算不准确的问题，如某些时候当前充电载荷状态SOC还有20％时，却已进入欠压保护；或者当前充电载荷状态SOC已经为0时，但是锂离子电池组仍然可以放电的情况。因此，锂离子电池组的管理系统需要解决两个问题：一是解决和预测单节锂离子电池容量和内阻不一致的现象，使得锂离子电池组的管理系统能够将锂离子电池组的容量最大化释放；二是打破当前充电载荷状态SOC的局限性，即在环境和工况发生变化时，锂离子电池组的管理系统仍然能够准确的计量当前环境和工况下锂离子电池组的真实剩余可用容量RAC。
本发明即针对现有技术的不足研究而提出。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，先计算电池模组中各个单节锂离子电池的充电载荷状态SOC，然后计算各个单节锂离子电池的剩余可用容量RAC，电池模组管理单元BMU通过比较，将本电池模组中单节锂离子电池的当前剩余可用容量RAC的最小值作为该电池模组的当前剩余可用容量RAC，锂离子电池组管理系统BMS比较各个电池模组的剩余可用容量RAC，将电池模组中最小剩余可用容量RAC定义为锂离子电池组的剩余可用容量RAC，同时通过对各电池模组中的单节锂离子电池当前内阻R进行温度补偿、内阻R自学习和实时对电池模组进行健康诊断，使得锂离子电池组管理系统BMS能更准确地计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC，并能够将锂离子电池组释放的剩余可用容量RAC最大化，同时在工况发生变化时，锂离子电池组管理系统BMS仍然能够准确的计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC，并实时对电池模组的健康进行诊断，提供及时的维护信息。
为解决上述技术问题，本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法,采用步骤如下：
A、计算电池模组中各个单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值：各个电池模组管理单元BMU中的电压采集模块采集间隔时间Δt对应的单节锂离子电池端电压变化值ΔU，同时将单节锂离子电池端电压变化值ΔU输入状态机，判断当前单节锂离子电池所处状态，各个电池模组管理单元BMU中的电流为I，计算各个电池模组管理单元BMU中的电流I时，初始值I设置为0，同时计算单节锂离子电池在上一次电压采样间隔时间Δt对应的电流变化值ΔI，电池模组管理单元BMU监测各个单节锂离子电池当前内阻R,当前充电载荷状态SOC与开路电压OCV所对应的OCV-SOC曲线斜率为a，满足a＝(ΔU-ΔIR)/ΔtI,根据OCV-SOC曲线斜率a计算出当前充电载荷状态SOC值；
B、计算电池模组中单节锂离子电池的剩余可用容量RAC值：在计算步骤A所处的工况下，电池模组管理单元BMU计算各个单节锂离子电池当前电流峰值I’，计算出各个单节锂离子电池的当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’),将步骤A对应的单节锂离子电池所得当前充电载荷状态SOC值减去当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’)则为该单节锂离子电池的当前剩余可用容量RAC；
C、计算电池模组的剩余可用容量RAC：电池模组管理单元BMU通过比较，将本电池模组中当前剩余可用容量RAC最小的单节锂离子电池作为该电池模组的当前剩余可用容量RAC；
D、计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC：各个电池模组管理单元BMU通过CAN通讯模块将对应的电池模组的当前剩余可用容量RAC传输给锂离子电池组管理系统BMS，锂离子电池组管理系统BMS将各个电池模组的当前剩余可用容量RAC进行比较，将电池模组中最小的当前剩余可用容量RAC定义为锂离子电池组的当前剩余可用容量RAC。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，还包括对电池模组中各个单节锂离子电池当前内阻R进行温度补偿：各个电池模组管理单元BMU利用步骤A中各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值，计算得出各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU中温度采集模块对相应单节锂离子电池当前温度T进行采集，各个电池模组管理单元BMU分析内阻R与温度T的变化曲线关系后，结合当前温度T，计算温度补偿系数为b,当前内阻R与温度补偿系数b的乘积则为经当前温度T补偿后的内阻R’，将经当前温度T补偿后的内阻R’重复步骤A和步骤B进行校正。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，包括对各电池模组中各个单节锂离子电池内阻R进行自学习：为进一步校正各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU实时修正对应单节锂离子电池内阻R，使之与当前充电载荷状态SOC值达到自适应的效果。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，包括对诊断电池模组的健康：通过计算得到各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值和内阻R，锂离子电池组管理系统BMS计算出电池模组中当前充电载荷状态SOC值和内阻R的平均值、极差和标准差，再与初始值进行比较，单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值或者内阻R比平均值高出额定值，锂离子电池管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换，同时通过主回路电流采样得到电池模组充放电总安时容量，一段使用时间后，通过0％到100％之间的安时容量变化值，计算出电池模组中各个单节锂离子电池的老化比例SOH，当单节锂离子电池的老化比例SOH超出额定范围时，锂离子电池组管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，先计算电池模组中各个单节锂离子电池的充电载荷状态SOC，然后计算各个单节锂离子电池的剩余可用容量RAC，电池模组管理单元BMU通过比较，将本电池模组中当前剩余可用容量RAC最小的单节锂离子电池作为该电池模组的当前剩余可用容量RAC，锂离子电池组管理系统BMS比较各个电池模组的剩余可用容量RAC，将电池模组中最小剩余可用容量RAC定义为锂离子电池组的剩余可用容量RAC，同时通过对各电池模组中的单节锂离子电池当前内阻R进行温度补偿、内阻R自学习和实时对电池模组进行健康诊断，使得锂离子电池组管理系统BMS能更准确地计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC，并能够将锂离子电池组释放的剩余可用容量RAC最大化，同时在工况发生变化时，锂离子电池组管理系统BMS仍然能够准确的计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC，并实时对电池模组的健康进行诊断，提供及时的维护信息。
【附图说明】
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本发明的控制系统拓扑结构图。
图2为锂离子电池OCV-SOC曲线图。
图3为锂离子电池端电压与4种状态跳转曲线图。
图4为锂离子电池当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’)示意图。
图5为锂离子电池端电压与内阻R在不同温度下的曲线关系图。为锂离子电池的4种状态跳转曲线图。
图6为电池由放电状态跳变到松弛状态，或者由重载跳变到轻载时，电池端电压受内阻的影响向上变化图。
图7为锂离子电池内阻R自学习的实测效果图。
图8为本发明状态机总体流程图。
图9为本发明锂离子电池各种状态之间的跳转关系图。
图10为本发明计算串联12节锂离子电池RAC的流程图。
图11为本发明工作流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，包括如下步骤：
A、计算电池模组中各个单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值：
各个电池模组管理单元BMU中的电压采集模块采集间隔时间Δt对应的单节锂离子电池端电压变化值ΔU，同时将单节锂离子电池端电压变化值ΔU输入状态机，判断当前单节锂离子电池所处状态，电池模组包括充电状态、放电状态、转换状态和松弛状态。
图3为锂离子电池端电压与4种状态跳转曲线图，当发生锂离子电池端电压跳变的时候，包括大、小电流切换，或者充、放电转换，或者锂离子电池组管理系统BMS进入休眠状态。当锂离子电池端电压连续900秒变化小于所设定的电压变化门限值时，即进入松弛状态；当电池处于松弛状态超过900秒，加上进入松弛状态前的900秒，即连续30分钟锂离子电池端电压变化小于电压变化门限值，则可以认为锂离子电池已经完全松弛，此时锂离子电池的端电压可以认为是开路电压OCV。所以，根据锂离子电池端电压的变化则可以清楚了解锂离子电池当前所处的状态。
各个电池模组管理单元BMU中的电流为I，计算各个电池模组管理单元BMU中的电流I时，初始值设置为0,同时计算电压采集模块采集单节锂离子电池在上一次电压采样间隔时间Δt对应的电流变化值ΔI，电池模组管理单元BMU监测各个单节锂离子电池当前内阻R,图2为锂离子电池OCV-SOC曲线图，锂离子电池开路电压OCV是锂离子电池本身的特性，这种特性不会随着锂离子电池的老化、环境和工况的变化而变化，即在一定的当前充电载荷状态SOC情况下，锂离子电池的开路电压OCV保持不变，即在其使用周期内不会发生变化。
当锂离子电池处在充电状态时，如果锂离子电池当前端电压与上一次计算周期采集到的端电压超过端电压变化门限值时，所对应的端电压之差又超过电压变化门限值时，则开始本次的计算周期，锂离子电池充电电流计算如下：
充电电流＝(ΔU–ΔIR)/Δta
当锂离子电池处在放电状态时，在相同的情况下，放电电流计算如下：
放电电流＝-(ΔU–ΔIR)/Δta
默认在短时间内各个单节锂离子电池内阻R不变，同时内阻值R的变化由各个电池模组管理单元BMU所采集的温度T进行补偿。
当锂离子电池处于松弛状态时，通过锂离子电池的电流为零；当锂离子电池处于转换状态时，依据转换后是放电状态，充电状态还是松弛状态来确定电流的计算。
当前充电载荷状态SOC与开路电压OCV所对应的OCV-SOC曲线斜率为a，满足a＝(ΔU-ΔIR)/ΔtI,通过OCV-SOC曲线的方式推导锂离子电池电流的方法，是将OCV-SOC曲线作为参考常量，再根据OCV-SOC曲线斜率a计算出当前充电载荷状态SOC值，即使当前充电载荷状态SOC出现误差，与OCV-SOC曲线比较后，计算出来的电流也随之相应变化，使当前充电载荷状态SOC收敛到接近真实值。
B、计算电池模组中单节锂离子电池的剩余可用容量RAC值：
电池模组中单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC并不能代表其在所有情况下所能释放剩余可用容量RAC，随着放电电流和所处温度的变化，单节锂离子电池所能够释放出来剩余可用容量RAC是不同的，当温度降低和放电电流变大时，单节锂离子电池所能释放的剩余可用容量RAC变小，原因是低温导致锂离子电池内阻R变大，导致锂离子电池在放电时的压降变大；同时电流越大时，也会导致锂离子电池在放电时的压降变大，所以容易使锂离子电池在放电时的端电压迅速下降到放电截止电压。
当锂离子电池温度降低或者放电电流增大时，原本可以释放的一部分电量将暂时“冷冻”而无法释放；当锂离子电池温度回升或者放电电流减小时，被“冷冻”的那部分电量又可以释放出来。
在计算步骤A所处的工况下，电流检测模块采集各个单节锂离子电池当前电流峰值I’，计算出各个单节锂离子电池的当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’),将步骤A所得当前充电载荷状态SOC值减去“冷冻”当前充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’)则为对应各个单节锂离子电池的当前剩余可用容量RAC。
C、计算电池模组的剩余可用容量RAC：
各个电池模组管理单元BMU通过比较，根据木桶理论，将电池模组中当前剩余可用容量RAC最小的单节锂离子电池定义为该电池模组的当前剩余可用容量RAC。
D、计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC：
各个电池模组管理单元BMU通过CAN通讯模块将对应的电池模组的当前剩余可用容量RAC传输给锂离子电池组管理系统BMS，锂离子电池组管理系统BMS将各个电池模组的当前剩余可用容量RAC进行比较，根据木桶理论，将电池模组中最小的当前剩余可用容量RAC定义为锂离子电池组的当前剩余可用容量RAC。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，还包括对电池模组中各个单节锂离子电池当前内阻R进行温度补偿：
各个电池模组管理单元BMU利用步骤A中各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值，计算得出各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU中温度采集模块对相应单节锂离子电池当前温度T进行采集，各个电池模组管理单元BMU分析内阻R与温度T的变化曲线关系后，结合当前温度T，计算温度补偿系数为b,当前内阻R与温度补偿系数b的乘积则为经当前温度T补偿后的内阻R’，将经当前温度T补偿后的内阻R’重复步骤A和步骤B进行校正。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，包括对各电池模组中各个单节锂离子电池内阻R进行自学习：
为进一步校正各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU实时修正对应单节锂离子电池内阻R，使之与当前充电载荷状态SOC值达到自适应的效果。
本发明一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，包括对诊断电池模组的健康：
诊断电池模组的健康，进而诊断锂离子电池组的健康。通过计算得到各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值和内阻R，锂离子电池管理系统BMS计算出电池模组中当前充电载荷状态SOC值和内阻R的平均值、极差和标准差，再与初始值进行比较，单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值或者内阻R比平均值高出额定值，锂离子电池管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换，同时通过主回路电流采样得到电池模组充放电总安时容量，一段使用时间后，通过0％到100％之间的安时容量变化值，计算出电池模组中各个单节锂离子电池的老化比例SOH，当单节锂离子电池的老化比例SOH超出额定范围时，锂离子电池管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换。
Claims (4)
1.一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，其特征在于包括如下步骤：
A、计算电池模组中各个单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值：各个电池模组管理单元BMU中的电压采集模块采集间隔时间Δt对应的单节锂离子电池端电压变化值ΔU，同时将单节锂离子电池端电压变化值ΔU输入状态机，判断当前单节锂离子电池所处状态，各个电池模组管理单元BMU中的电流为I，计算各个电池模组管理单元BMU中的电流I时，初始值I设置为0，同时计算单节锂离子电池在上一次电压采样间隔时间Δt对应的电流变化值ΔI，电池模组管理单元BMU监测各个单节锂离子电池当前内阻R,当前充电载荷状态SOC与开路电压OCV所对应的OCV-SOC曲线斜率为a，满足a＝(ΔU-ΔIR)/ΔtI，根据OCV-SOC曲线斜率a计算出当前充电载荷状态SOC值；
B、计算电池模组中单节锂离子电池的剩余可用容量RAC值：在计算步骤A所处的工况下，电池模组管理单元BMU计算各个单节锂离子电池当前电流峰值I’，计算出各个单节锂离子电池的当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’),将步骤A对应的单节锂离子电池所得当前充电载荷状态SOC值减去当前“冷冻”充电载荷状态SOC_Frozen(R，I’)则为该单节锂离子电池的当前剩余可用容量RAC；
C、计算电池模组的剩余可用容量RAC：电池模组管理单元BMU通过比较，将本电池模组中当前剩余可用容量RAC最小的单节锂离子电池作为该电池模组的当前剩余可用容量RAC；
D、计算锂离子电池组的剩余可用容量RAC：各个电池模组管理单元BMU通过CAN通讯模块将对应的电池模组的当前剩余可用容量RAC传输给锂离子电池组管理系统BMS，锂离子电池组管理系统BMS将各个电池模组的当前剩余可用容量RAC进行比较，将电池模组中最小的当前剩余可用容量RAC定义为锂离子电池组的当前剩余可用容量RAC。
2.按权利要求1所述一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，其特征在于还包括对电池模组中各个单节锂离子电池当前内阻R进行温度补偿：各个电池模组管理单元BMU利用步骤A中各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值，计算得出各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU中温度采集模块对相应单节锂离子电池当前温度T进行采集，各个电池模组管理单元BMU分析内阻R与温度T的变化曲线关系后，结合当前温度T，计算温度补偿系数为b,当前内阻R与温度补偿系数b的乘积则为经当前温度T补偿后的内阻R’，将经当前温度T补偿后的内阻R’重复步骤A和步骤B进行校正。
3.按权利要求2所述一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，其特征在于包括对各电池模组中各个单节锂离子电池内阻R进行自学习：为进一步校正各个单节锂离子电池当前内阻R，各个电池模组管理单元BMU实时修正对应单节锂离子电池内阻R，使之与当前充电载荷状态SOC值达到自适应的效果。
4.按权利要求3所述一种锂离子电池组剩余可用容量RAC的计算方法，其特征在于包括诊断电池模组的健康：通过计算得到各个单节锂离子电池当前充电载荷状态SOC值和内阻R，锂离子电池管理系统BMS计算出电池模组中当前充电载荷状态SOC值和内阻R的平均值、极差和标准差，再与初始值进行比较，单节锂离子电池的当前充电载荷状态SOC值或者内阻R比平均值高出额定值，锂离子电池管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换，同时通过主回路电流采样得到电池模组充放电总安时容量，一段使用时间后，通过0％到100％之间的安时容量变化值，计算出电池模组中各个单节锂离子电池的老化比例SOH，当单节锂离子电池的老化比例SOH超出额定范围时，锂离子电池管理系统BMS提示对该单节锂离子电池进行维护或更换。
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- 2013-07-17 CN CN201310304134.8A patent/CN103364736B/zh active Active
Patent Citations (2)
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| CN101526587A (zh) * | 2009-03-20 | 2009-09-09 | 惠州市亿能电子有限公司 | 串联电池组荷电状态的测量方法 |
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