CN103675698A - 动力电池荷电状态估计装置及其估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池荷电状态估计装置及其估计方法，装置包括蓄电池和蓄电池；蓄电池包括若干个串联的电池模块，每个电池模块又包括若干个串联的电池单体；蓄电池包括电压测量单元、电流测量单元、温度测量单元、电动势计算单元、累积电流系数修正单元、累加器、SOC估计单元、充电效率计算单元和极化电压估计单元；本发明通过电池处于不同状态下极化电压的不同计算方法，准确得出了电池的电动势，从而保证了SOC的估计精度。

Description

动力电池荷电状态估计装置及其估计方法

技术领域

本发明属于混合动力汽车电池管理技术领域，涉及一种近似程度、估计精度都较高的动力电池荷电状态估计装置。

背景技术

近年来，由于能源危机、环境污染以及能源安全等诸多原因，许多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。混合动力汽车是发动机车和纯电动车间的过渡产品，可以同时解决续驶里程和环境污染的问题，目前许多国家的混合动力车都已实现量产化。

混合动力车中，当发动机的输出功率大于驱动车轮所需功率时，多余的能量便用于驱动发电机和向蓄电池充电；当发动机的输出功率较低时，蓄电池放电，用来驱动电动机和发电机。因此，蓄电池的作用十分重大，其荷电状态必须控制在恰当的范围内。

SOC（State of Charge），即荷电状态，意味着控制蓄电池的充放电过程，使SOC保持在适当的范围内，如要求的SOC范围为50%-60%，当SOC低于50%时，需向蓄电池充电，当SOC高于60%时，需蓄电池放电。

现有技术中，SOC估计过程如下：首先，在一定的时间间隔△t内，采集电池的端电压和充放电电流，并存储在寄存器中，利用最小二乘法拟合电压-电流（V-I）曲线，通过插值得到没有负载情况下电池的端电压V₀。其次，计算电池的极化电压V_p，可以采取以下两种方法之一计算得到，第一种方法：通过一定时间内电流的累积得到电池容量Q，极化电压可根据电池容量的变化量△Q和温度T（-30℃≤T≤60℃）计算得到；第二种方法：利用极化电压的变化量△V_p来计算V_p，V_p是电池理论的开路电压OCV与实际开路电压的差值。

进一步地，得到电池的电动势Ve，Ve=V₀-V_p，通过查表Ve-SOC来得到SOC。

现有技术中，要得到端电压V₀，电池需静置很长时间且精度不够，无法在线估计SOC；另外，当电池处于不同的状态下时，极化电压的变化也是不同的，不能用一种计算方法统一得到。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了动力电池荷电状态估计装置，安装在混合动力车上，用于准确估计电池SOC。

本发明的动力电池荷电状态估计装置，包括蓄电池和蓄电池；

蓄电池包括若干个串联的电池模块，每个电池模块又包括若干个串联的电池单体；

蓄电池包括电压测量单元、电流测量单元、温度测量单元、电动势计算单元、累积电流系数修正单元、累加器、SOC估计单元、充电效率计算单元和极化电压估计单元；

本发明中：

第一，本发明提出了一种电池SOC估计方法。该方法的具体实施过程如下：在没有负载的情况下测量电池的端电压；当电池处于非“电池-电流”状态，即不存在电流时，测量电池端电压和极化电压的变化量，并基于该变化量当前时刻的极化电压值；计算电池端电压和极化电压的差值；基于该差值估计电池的SOC。

第二，本发明提出了一种电池SOC估计方法。该方法的具体实施过程如下：在没有负载的情况下测量电池的端电压；确定电池当前的状态：电池-电流状态（指存在充放电电流）或非电池-电流状态（切断电流）；当电池处于非电池-电流状态时，测量电池端电压的变化量；计算极化电压的变化量作为静态衰减量；当电池处于电池-电流状态时，分别计算极化电压的动态衰减量和增加量；根据非电池-电流状态下的静态衰减量或电池-电流状态下的动态衰减量和增加量来计算电池当前的极化电压；计算电池端电压和极化电压的差值；基于该差值估计电池的SOC。

第三，本发明提出了一种电池SOC估计装置。该装置包括电压计算单元；电池状态选择单元，用来判断电池处于“电池-电流”状态（指存在充放电电流）还是非“电池-电流”状态（切断电流）；电压变化测量单元，用来记录电池处于非电池-电流状态下，电池端电压的变化量；静态衰减量计算单元，用来计算电池处于非电池-电流状态下，电池极化电压的衰减量；动态衰减/增加量计算单元，分别用来计算电池处于非电池-电流状态下，极化电压的衰减/增加量；极化电压计算单元，利用极化电压的衰减/增加量来计算电池当前的极化电压，电动势计算单元，本发明基于电池电动势来估计电池SOC。

附图说明

图1：本发明中电池系统示意图；

图2：本发明中电池极化电压计算单元电路图；

图3：电流-电压曲线示意图；

图4a：非电池-电流状态下，电池端电压变化示意图；

图4b：非电池-电流状态下，电池极化电压的衰减示意图；

图5：本发明中SOC估计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明中的动力电池荷电状态估计装置如图1所示，包括蓄电池10a和蓄电池ECU10；

为了确保电动机的输出功率，蓄电池10a包括多个串联的电池模块，每个电池模块又包括多个串联的电池单体，所用电池均为NiMH电池。

蓄电池ECU10用来观测蓄电池10a的荷电状态并控制电池的充放电过程。

蓄电池ECU10包括电压测量单元11、电流测量单元12、温度测量单元13、电动势计算单元14、累积电流系数修正单元15、累加器16、SOC估计单元17、充电效率计算单元18和极化电压估计单元19。

电压测量单元11利用电压传感器检测采样周期内蓄电池10a的端电压，用V(n)表示。

电流测量单元12利用电流传感器检测采样周期内通过蓄电池10a的电流，用I(n)表示，充电时电流为“-”，放电时电流为“+”。

温度测量单元13利用温度传感器来检测采样周期内蓄电池10a的温度，用T(n)表示，“n”代表采样周期数。

如图2所示，电动势计算单元14包含数据库选择单元14a、无负载时端电压计算单元14b、电压限定单元14c、电动势计算单元14d和极化电压计算单元100；

数据库选择单元14a接收采样周期内的电压值V(n)和电流值I(n)，并根据相应的条件，如充放电电流限制在一定范围内（如，±50A）、电池容量变化量△Q小于一定值（如，0.3Ah）等，选择有效的电流值和电压值S(V(n),I(n))。电池容量Q是通过电池在△t时间内电流的累积得到的，容量变化量△Q为某个采样周期△t内，现时刻的电池容量Q(i)与上一个采样周期内的电池容量Q(i-1)的差值。

有效的电流值和电压值S(V(n),I(n))传送到无负载端电压计算单元14b，无负载端电压计算单元14b包含利用S(V(n),I(n))得到的近似电压-电流曲线，如图3所示，通过插值得到当充放电电流为零时，电池端电压电压V₀，在此，充放电电流为零并不意味着电流严格等于零，而是统计学意义上的近似等于零。电压V₀由无负载端电压计算单元14b计算得到，由电压限定单元14c判断其是否有效，若V₀为有效值，再将该值传送给电动势计算单元14d。

如图2所示，极化电压计算单元100包括电池状态选择单元101、电压变化测量单元102、静态衰减量计算单元103、动态衰减/增加量计算单元104和极化电压计算单元100a。极化电压计算单元100用于计算电池的极化电压V_p。

电池状态选择单元101根据电压V(n)、电流I(n)和温度T(n)来判断电池的状态。根据电池的状态，分别将电压V(n)和电流I(n)输送给静态衰减量计算单元103或动态衰减/增加量计算单元104。

当车辆起动时，电池处于“电池-电流”状态，即电池正在充电或放电，同理，当车辆停车发动机熄火时，电池转为非“电池-电流”状态，电池电动势Ve不变。若在发动机停止工作前，为了防止电池过充，电池端电压（如图4a所示）不断降低，电压变化量△V主要受如图4b所示的极化电压影响并逐渐趋向于零。其中，图4中的△t代表采样时间间隔，如△t=60s，△V和△V_P1分别表示△t内端电压和极化电压的变化量。

电压变化测量单元102接收输入量电压V(n)根据图4得到△t时间内电压变化量△V；

静态衰减量计算单元103根据电流I(n)、温度T(n)及电压变化量△V来计算极化电压的静态衰减量△V_P1，ΔV_p1＝ΔV·Ka，Ka为电池自放电量的修正系数，取决于电池10a的温度T。

静态衰减量计算单元103内设有系数Ka和电池温度T间的关系表103a，根据电池的温度来确定Ka的值。

动态衰减/增加量计算单元104根据电流I(n)、温度T(n)来计算极化电压的静态衰减量或增加量△V_P2，ΔV_p2＝V_pa·Kb，进一步基于极化电压增加系数h和电池容量算出相应状态（充电或放电）下的极化电压V_p3，ΔV_p3＝h·∫I，h表示极化电压增加系数，。

动态衰减/增加量计算单元104内设有系数h和和电池温度T间的关系表104a，根据电池的温度来确定h值。

△V_P1输入减法器105，△V_P2和△V_P3输入减法器106，分别用来计算电池处于不同状态下的极化电压V_P。

极化电压存储单元107存储由现采样时刻的极化电压V_P(j)得到的上一采样时刻的极化电压V_P(j-1)，减法器105、106用来计算现采样时刻的极化电压V_P(j)。

当电池处于非“电池-电流”状态时，极化电压V_P(j)的计算公式如下：

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P1

当电池处于“电池-电流”状态时，极化电压V_P(j)的计算公式如下：

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P2+△V_P3

电动势计算单元14d通过括减法器14e实现，计算电池的电动势，Ve=V₀-V_P。电动势计算单元14d内设有减法器14e，电压限定单元14c的输出V₀和极化电压计算单元100的输出V_P通过减法器14e来计算电池的电动势Ve，Ve=V₀-V_P，并将该值输送给累计电流系数修正单元15，从而计算电流修正系数a。可以看出，图2的最终输出为V_p(j)，而图1中为V_p，这并不矛盾，j代表某一时刻的极化电压，而V_p为广义上的极化电压。

模块17根据输入量电流累积系数К和电流I(n)，利用目前通用的安时积分法来计算电池SOC。

SOC估计值传送给充电效率计算单元18和极化电压估计单元19，充电效率计算单元18基于T-η曲线计算效率η，电池放电时，η=1，充电时，η由18来计算，18中设有表18a，其为电池温度-充电效率η关系表，根据电池当前温度来计算η值。

极化电压估计单元19根据由表19a（SOC-Ve）得到的SOC来计算V_P(j)的初值V_P(0)，V_P(0)=V₀-Ve。

本装置提出了一种应用在混合动力车上用于估计动力电池荷电状态的方法及装置。该装置包括电压计算单元、电池状态选择单元、电压变化测量单元、静态衰减量计算单元、动态衰减/增加量计算单元、极化电压计算单元和电动势计算单元等。具体估计方法为：首先，区分电池的不同状态：“电池-电流”状态和非“电池-电流”状态，在这两种状态下，电池极化电压的计算方法不同；然后，计算在没有负载的情况下电池的端电压与极化电压的差值，得到电池的电动势；最后，基于电池的电动势来估计SOC。本发明中的SOC估计方法及装置相对于现有技术来说，通过电池处于不同状态下极化电压的不同计算方法，准确得出了电池的电动势，从而保证了SOC的估计精度。

本发明中SOC估计步骤如图5所示。

S1：得到电压值V(n)和电流值I(n)；

S1a：判断电池的状态（“电池-电流”状态或非“电池-电流”状态），电池状态选择单元101根据△t时间内电流的大小来判断电池状态，若在△t时间内I(n)恒等于零，判断电池处于非“电池-电流”状态，反之，电池处于“电池-电流”状态。电池从“电池-电流”状态转为非“电池-电流”状态后经过△t₀后，估计电池的SOC。

当判断电池10a处于非“电池-电流”状态时，步骤转到S6，反之，步骤转到S2。

S2：检查上述S1中得到的电压值V(n)和电流值I(n)是否满足相应的条件，是否有效。

S2a：当数据不满足条件时，重新计算电压V(n)和电流I(n)，进而步骤转到S2。

S3：当所得数据满足条件时，得到有效的数据集S(V(n),I(n))。

S4：利用最小二乘法得到近似的电压-电流关系曲线，通过插值得到无负载情况下的电压V₀。

S5：电压限定单元14c根据相应的条件判断电压V₀是否有效。若无效，步骤转到S3，然后重复步骤S4、S5；若有效，用V₀来计算Ve。

S6：当电池10a处于非“电池-电流”状态时，第一个采样周期△t₀内的端电压初始值即为电压V₀。

S7a：计算电池端电压的变化量△V。当电池10a处于非“电池-电流”状态时，电压变化测量单元102根据电压测量单元11得到的电压值V(n)来计算△t时间内电压的变化量△V，如图4a所示。

S8a：静态衰减量计算单元103利用如下公式1来计算静态衰减量△V_P1。

ΔV_p1＝ΔV·Ka  （公式1）

Ka为电池自放电量的修正系数，取决于电池10a的温度T。

静态衰减量计算单元103基于减法器105、106和107中存储的上一时刻的极化电压值，利用算静态衰减量△V_P1来计算极化电压△V_P，如公式2。进而步骤转到S9。

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P1  （公式2）

其中，j表示控制循环，V_P(j)的初值V_P(0)的计算如上述所示。

S7b：当电池10a处于“电池-电流”状态时，104利用公式3来计算极化电压的动态衰减量△V_P2。

ΔV_p2＝V_pa·Kb  （公式3）

衰减系数Kb是电池10a在充放电电流为I、温度为T时，电池的容量Q与Kb的关系脉谱图得到的，104根据公式3a来计算极化电压的动态衰减量△V_P3，△V_P3被限定在一定的范围内。

ΔV_p3＝h·∫I  （公式3a）

上式中，h表示极化电压增加系数，在温度T下通过电池实验，由函数f(T)计算得到，∫I表示对电流I(n)的积分，即电池容量Q。

S8b：极化电压计算单元100a根据动态衰减量△V_P2和增加量△V_P3来计算极化电压V_P，如公式4所示。进而步骤转到S9。

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P2+△V_P3  （公式4）

电池由正、负极板组，隔板，外壳，连条，极柱和电解液组成，电池内不断地重复着充放电过程，这就意味着不断地有离子损失，这就是在电极表面产生极化电压的原因。当电池10a处于非“电池-电流”状态时，极化电压急剧降低，电池中没有电流通过，电极表面的离子损失较少，相反，当电池处于“电池-电流”状态时，极化电压降低速度较慢。当电池10a处于非“电池-电流”状态时，利用式3得到的动态衰减量△V_P2来计算V_P。若用△V_P1来计算V_P时，得到的结果会偏离实际值，将会导致Ve和SOC的计算产生误差。

S9：无负载电压V₀减去步骤S8a或S8b得到的极化电压V_P即为电池电动势Ve，若电池为充电状态，计算得到的电动势Ve会大于实际值，反之，电池若为放电状态，计算得到的电动势Ve会小于实际值。

S10：基于电池当前的温度T(n)来计算修正量a。

S11：基于测量得到的电池温度值来计算充电效率η。

S12：根据S10中得到的修正量a和S11中得到的充电效率η来计算电流累积系数K。

S13：根据电流I(n)和电流累积系数K来估计SOC。

本发明SOC估计的优点是：

（1）当电池10a处于非“电池-电流”状态时，电池中没有电流通过，电池初始状态下的端电压V₀基本不变，此时，端电压的变化主要是由极化电压的变化引起的，根据端电压的变化量△V来计算极化电压V_P，然后根据V_P来计算Ve，从而估计SOC。基于△V来计算极化电压V_P的静态衰减量△V_P1，进而计算V_P。

（2）静态衰减量ΔV_p1＝ΔV·Ka，V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P1，利用以上公式来计算非“电池-电流”状态下的极化电压V_P。

（3）修正系数Ka的引入使得△V_P1的计算更准确。

（4）“电池-电流”状态下的极化电压V_P利用下式计算，ΔV_p2＝V_pa·Kb，ΔV_p3＝h·∫I，V_p(j)＝V_p(j-1)-ΔV_p2+ΔV_p3，必须区分电池所处状态来准确计算极化电压V_P。

Claims (3)

1.动力电池荷电状态估计装置，包括蓄电池和蓄电池ECU；

蓄电池包括若干个串联的电池模块，每个电池模块又包括若干个串联的电池单体；

蓄电池ECU包括电压测量单元、电流测量单元、温度测量单元、电动势计算单元、累积电流系数修正单元、累加器、SOC估计单元、充电效率计算单元和极化电压估计单元；

电压测量单元利用电压传感器检测采样周期内蓄电池的端电压，用V(n)表示，“n”代表采样周期数；

电流测量单元利用电流传感器检测采样周期内通过蓄电池的电流，用I(n)表示，充电时电流为“-”，放电时电流为“+”；

温度测量单元利用温度传感器来检测采样周期内蓄电池的温度，用T(n)表示；

电动势计算单元包含数据库选择单元、无负载时端电压计算单元、电压限定单元、电动势计算单元和极化电压计算单元；

数据库选择单元接收采样周期内的电压值V(n)和电流值I(n)，确定有效的电流值和电压值S(V(n),I(n))；

无负载端电压计算单元接收有效的电流值和电压值S(V(n),I(n))，得到近似电压-电流曲线，通过插值得到当充放电电流为零时，电池端电压电压V₀；

电压限定单元判断电池端电压电压V₀是否有效，若V₀为有效值，输出至电动势计算单元14d；

极化电压计算单元包括电池状态选择单元、电压变化测量单元、静态衰减量计算单元、动态衰减/增加量计算单元和极化电压计算单元；

电池状态选择单元根据电压V(n)、电流I(n)和温度T(n)判断电池的状态，当电池处于“电池-电流”状态，将电压V(n)和电流I(n)输送给动态衰减/增加量计算单元，否则输送给静态衰减量计算单元；

电压变化测量单元接收输入量电压V(n)，得到△t时间内电压变化量△V，△t代表采样时间间隔，△V表示△t内端电压的变化量；

静态衰减量计算单元根据电流I(n)、温度T(n)及电压变化量△V获取极化电压的静态衰减量△V_P1，ΔV_p1＝ΔV·Ka，Ka为电池自放电量的修正系数；

动态衰减/增加量计算单元根据电流I(n)、温度T(n)获取极化电压的静态衰减量或增加量△V_P2，ΔV_p2＝V_pa·Kb，V_pa表示充电或放电下的极化电压值，根据极化电压增加系数h和电池容量获取充电或放电下的极化电压V_p3，ΔV_p3＝h·∫I，h表示极化电压增加系数，I表示充放电电流；

△V_P1输入第一减法器，△V_P2和△V_P3输入第二减法器，分别用于获取电池处于不同状态下的极化电压V_P；

极化电压存储单元存储由现采样时刻的极化电压V_P(j)得到的上一采样时刻的极化电压V_P(j-1)，第一减法器、第二减法器用来计算现采样时刻的极化电压V_P(j)；

当电池处于非“电池-电流”状态时，极化电压V_P(j)的计算公式如下：

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P1

当电池处于“电池-电流”状态时，极化电压V_P(j)的计算公式如下：

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P2+△V_P3

电动势计算单元内设有减法器，获取电池的电动势Ve，Ve=V₀-V_P，输送至累计电流系数修正单元；

累计电流系数修正单元获取电流修正系数a；

SOC估计单元根据输入量电流累积系数К和电流I(n)，利用安时积分法来获取电池SOC估计值；

SOC估计值传送给充电效率计算单元和极化电压估计单元，充电效率计算单元获取充电效率η，电池放电时，η=1，充电时，η通过电池温度-充电效率η关系表确定；

电流修正系数a和充电效率η通过累加器16来计算修正系数k，再将k输送到SOC估计单元17，用于转却估计电池的SOC；

极化电压估计单元获取V_P(j)的初值V_P(0)，V_P(0)=V₀-Ve。

2.根据权利要求1所述的动力电池荷电状态估计装置，所述的电池单体为NiMH电池。

3.基于权利要求1所述动力电池荷电状态估计装置的一种动力电池荷电状态估计方法，包括以下几个步骤：

S1：获取得到电压值V(n)和电流值I(n)；

S1a：判断电池的状态，“电池-电流”状态或非“电池-电流”状态，电池状态选择单元根据△t时间内电流的大小来判断电池状态，若在△t时间内I(n)恒等于零，判断电池处于非“电池-电流”状态，反之，电池处于“电池-电流”状态；电池从“电池-电流”状态转为非“电池-电流”状态后经过△t₀后，估计电池的SOC；

当判断电池10a处于非“电池-电流”状态时，步骤转到S6，反之，步骤转到S2；

S2：检查上述S1中得到的电压值V(n)和电流值I(n)是否满足条件，是否有效；

S2a：当数据不满足条件时，重新计算电压V(n)和电流I(n)，进而步骤转到S2；

S3：当所得数据满足条件时，得到有效的数据集S(V(n),I(n))；

S4：利用最小二乘法得到近似的电压-电流关系曲线，通过插值得到无负载情况下的电压V₀；

S5：电压限定单元根据相应的条件判断电压V₀是否有效；若无效，步骤转到S3，然后重复步骤S4、S5；若有效，用V₀来计算Ve；

S6：当电池处于非“电池-电流”状态时，第一个采样周期△t₀内的端电压初始值即为电压V₀；

S7a：计算电池端电压的变化量△V；当电池处于非“电池-电流”状态时，电压变化测量单元根据电压测量单元得到的电压值V(n)来计算△t时间内电压的变化量△V；

S8a：静态衰减量计算单元利用如下公式1来计算静态衰减量△V_P1；

ΔV_p1＝ΔV·Ka  （公式1）

Ka为电池自放电量的修正系数，取决于电池10a的温度T；

静态衰减量计算单元基于第一减法器、第二减法器和极化电压存储单元中存储的上一时刻的极化电压值，利用算静态衰减量△V_P1来计算极化电压△V_P，如公式2；进而步骤转到S9；

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P1  （公式2）

其中，j表示控制循环，V_P(j)的初值V_P(0)的计算如上述所示；

S7b：当电池处于“电池-电流”状态时，利用公式3来计算极化电压的动态衰减量△V_P2；

ΔV_p2＝V_pa·Kb  （公式3）

衰减系数Kb是电池在充放电电流为I、温度为T时，电池的容量Q与Kb的关系脉谱图得到的，根据公式3a来计算极化电压的动态衰减量△V_P3；

ΔV_p3＝h·∫I  （公式3a）

上式中，h表示极化电压增加系数，在温度T下通过电池实验，由函数f(T)计算得到，∫I表示对电流I(n)的积分，即电池容量Q；

S8b：极化电压计算单元根据动态衰减量△V_P2和增加量△V_P3来计算极化电压V_P，如公式4所示；进而步骤转到S9；

V_P(j)=V_P(j-1)-△V_P2+△V_P3  （公式4）

S9：无负载电压V₀减去步骤S8a或S8b得到的极化电压V_P即为电池电动势Ve，若电池为充电状态，计算得到的电动势Ve会大于实际值，反之，电池若为放电状态，计算得到的电动势Ve会小于实际值；

S10：基于电池当前的温度T(n)来计算修正量a；

S11：基于测量得到的电池温度值来计算充电效率η；

S12：根据S10中得到的修正量a和S11中得到的充电效率η来计算电流累积系数K；

S13：根据电流I(n)和电流累积系数K来估计SOC。

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