CN103744030B - 电池组健康状态和荷电状态在线估算装置及估算方法 - Google Patents

电池组健康状态和荷电状态在线估算装置及估算方法 Download PDF

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CN103744030B CN201410012746.4A CN201410012746A CN103744030B CN 103744030 B CN103744030 B CN 103744030B CN 201410012746 A CN201410012746 A CN 201410012746A CN 103744030 B CN103744030 B CN 103744030B
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Abstract

一种电池组健康状态和荷电状态在线估算装置及估算方法,其监测单元实时测量电池组的运行状态;存储单元存储监测单元测量得到的数据;迭代计算单元计算电池模型的迭代参数;电压预测单元计算输出电压预测值;误差计算单元计算电压预测值和实测值之间的误差;参数预测单元计算电池组的等效内阻和等效电容值;平均温度计算单元计算一小时内的环境温度平均值;温度校正单元将电池组参数值折算至常温25℃下的校正值;健康状态估算单元预测电池的健康状态;解耦单元实现对电池健康状态和荷电状态的解耦;荷电状态估算单元预测电池的荷电状态。该装置可以在实时工作状态下对电池的健康状态和荷电状态进行估算。

Description

电池组健康状态和荷电状态在线估算装置及估算方法
技术领域
[0001 ]本发明设及一种电池组健康状态和荷电状态估算装置及估算方法。
背景技术
[0002] 随着化石能源的不断枯竭W及电池技术的不断发展,电池储能技术得到了越来越 多的应用。例如在电动汽车、不间断供电系统、分布式储能等技术领域中,电池组作为核屯、 的能量来源起到了十分关键的作用。在电池组的使用过程中,由于环境溫度、充放电深度、 充放电倍率等因素的影响,电池组的荷电状态(S化te-of-化arge,S0C)和健康状态(S化te- of-Health,S0H)随时会发生变化。在极端的情况下,电池组可能工作在不安全状态,从而导 致电池系统的故障,甚至引发爆炸,火灾等危险情况。因此,通过一种在线估算装置对电池 组的荷电状态和健康状态进行实时监测是十分重要的,运样可W有效地避免电池工作在过 充或过放状态,并对电池的健康状态进行合理评估。
[0003] 在电池组S0C估算方面,现有的技术路线主要是采用开路电压查表法和基于固定 模型的滤波技术。前者依据大量的前期实验数据,后者在前期实验数据的基础上进行了建 模处理。但上述两类方法实际上存在一个共同的缺陷,即它们均忽视了电池组的S0H变化对 S0C估算的影响。实际上,随着电池 S0H的不断衰退,通过前期实验获得的查表数据和建立的 确定模型会变得不再适用。如美国专利US20130300190Ar'Batterystate-〇f-charge observer",中国专利CN102074757A"-种裡离子电池荷电状态的估算方法",均存在上述问 题。
[0004] 在电池组S0H估算方面,现有的方法主要是对电池进行老化试验,然后基于老化试 验数据获得电池的老化规律,进而实现对电池 S0H的估算。如中国专利CN102175978A"电池 寿命的检测方法和设备",中国专利CN103344920A"-种检测电池健康状态的方法及设备" 均采用上述方法。但是运种方法的实现需要大量的实验数据作为支撑,当电池实际工作环 境不同于测试环境时,并不能保证预测精度,且该方法只能进行离线开环预测。
[000引综上所述,如何在电池组实时工作状态下,解决电池健康状态和荷电状态之间的 禪合关系,并实现对电池组荷电状态和健康状态的估算,是当前亟待解决的一大课题。
发明内容
[0006] 本发明的目的是针对现有电池组健康状态和荷电状态估算中存在的问题,提出一 种电池组健康状态和荷电状态估算装置和估算方法。本发明可在便于实时应用的前提下, 进一步提高估算精度,W适用于需要对电池的状态进行实时监控的场合。
[0007] 本发明为解决其具体的技术问题所采用的技术方案是:
[0008] 本发明电池组健康状态和荷电状态估算装置包含监测单元、存储单元、迭代计算 单元、电压预测单元、误差计算单元、参数预测单元、平均溫度计算单元、溫度校正单元、健 康状态估算单元、解禪单元,W及荷电状态估算单元。
[0009] 所述的监测单元的输入端与电池组的输出端相连,其输入信号为电池组的总电 压、主回路电流和电池组中各溫度采集点的溫度信号,输出信号为电池组的实时工作电压、 电流W及各溫度采集点的溫度值。所述的存储单元的输入端与监测单元的输出端相连,其 输入信号为监测单元采集到的电池组的电压、电流W及溫度值,输出信号为连续两个采样 时间内的电池组的电压锁存信号、连续Ξ个采样时间内的电池组的电流锁存信号和一小时 W内的电池组的溫度信号。所述的迭代计算单元的输入端与存储单元的输出端,W及误差 计算单元的输出端相连,其输入信号为电池组的电压锁存信号、电流锁存信号、误差信号, 输出信号为电池模型的迭代更新参数。所述的电压预测单元的输入端与迭代计算单元的输 出端,W及存储单元的输出端相连,其输入信号为电池模型迭代更新参数、电池组的电压锁 存信号和电流锁存信号,输出信号为电池的电压预测值。所述的误差计算单元的输入端与 监测单元的输出端,W及电压预测单元的输出端相连,其输入信号为电池组的电压预测值 和电压测量值,输出信号为电池组的电压预测误差。所述的参数预测单元的输入端与迭代 计算单元的输出端相连,其输入信号为电池模型迭代更新参数,输出信号为电池组的等效 内阻和等效电容值。所述的平均溫度计算单元的输入端与存储单元的输出端相连,其输入 信号为电池组一小时内的溫度信号,输出信号为电池组的平均溫度值。所述的溫度校正单 元的输入端与参数预测单元的输出端,W及平均溫度计算单元的输出端相连,输入信号为 电池组的等效内阻值、等效电容值、电池组的平均溫度值,输出信号为电池组的等效内阻和 电容的校正值。所述的电池健康状态估算单元的输入端与溫度校正单元的输出端相连,其 输入信号为电池组的等效电容校正值,输出信号为电池组健康状态的预测值。所述的解禪 单元的输入端与健康状态估算单元的输出端相连,其输入信号为电池组健康状态预测值, 输出信号为电池组健康状态与荷电状态之间的禪合因子。所述的电池荷电状态估算单元的 输入端与解禪单元的输出端,W及溫度校正单元的输出端相连,其输入信号为电池组健康 状态与荷电状态之间的禪合因子、电池的等效内阻校正值,输出信号为电池组荷电状态的 预测值。
[0010] 所述的监测单元由电压监测子单元、电流监测子单元和溫度监测子单元组成。电 压监测子单元的输入端跨接在电池组的总正和总负上,用于采集并输出电池组的总电压。 电流监测子单元与电池组的主回路相连,用于采集并输出电池组主回路流过的电流。溫度 监测子单元与电池组中各溫度采集点相连,用于采集并输出电池组中各溫度采集点的溫度 值。
[0011] 所述的存储单元由电压锁存子单元、电流锁存子单元和溫度存储子单元组成。电 压锁存子单元与监测单元的电压监测子单元的输出端相连,用于存储并输出当前连续2个 采样时间的电池组的总电压Uk,Uk-l;电流锁存子单元与监测单元的电流监测子单元的输出 端相连,用于存储并输出当前连续3个采样时间电池组主回路流过的电流值ik,ik-l,ik-2;溫 度存储子单元与监测单元的溫度监测子单元的输出端相连,用于存储并输出一小时内电池 组中各溫度采集点的溫度值Τη,Tn-l,…,Τι。
[0012] 所述的迭代计算单元由迭代初始化子单元、迭代增益计算子单元和迭代更新子单 元组成。迭代计算过程是基于电池电路模型进行的。电池电路模型的输入为电流信号,输出 为电压信号;中间变量包括:等效内阻Ro,用来表示电池的荷电状态;等效电容Cn表示电池 的健康状态;等效极化电容化;等效极化电阻化;该电池电路模型频域形式的输入输出传递 函数为:
[0013]
Figure CN103744030BD00091
[0014] 其中,H(s)表示模型的传递函数,U(s)表示电池的输入信号,I(s)表示电池的输出 信号。传递函数写成如下离散迭代形式:
[0015]
Figure CN103744030BD00092
[0016 ] 其中k表示第k步采样时刻;uk和i k分别表示在k时刻电池组的电压和主回路电流 值;uk+1为在k+1时刻电池组的电压值,為为在采样时刻k处的环境有色噪声估计值;A1,A2, BO,B1,B2,CO,Cl,C2为电池模型的迭代参数。
[0017] 所述的迭代初始化子单元对第一步迭代过程中所需要的未知迭代参数矩阵迭 代更新矩阵Pk,w及环境有色噪声估计值耸、鳥-1、每-2进行初始化,并输出4和Pk,4为电 池模型迭代参数矩阵,4 =[斗,^.4,如4/,,。6,^]''[口1<为迭代更新矩阵,易和口1<的初始 值分别设为零矩阵和1061,其中I为单位矩阵,為、句_1、旬_2的初始值均设为0。
[0018] 所述的迭代增益计算子单元与所述的存储单元的电压锁存子单元的输出端、电流 锁存子单元的输出端,W及迭代初始化子单元的输出端相连。所述的迭代增益计算子单元 用于计算并输出每一步的迭代增益,具体计算公式如下:
[0019]
Figure CN103744030BD00093
[0020] 其中,Kw为迭代增益;敎为观测值矩阵,病=["i-,"w,4A-】,4-2,4Λ-ι,為-2];uk, 址-1为电压锁存子单元发送的电压信号;ik,化-1,ik-2为电流锁存子单元发送的主回路电 流信号;%,每-1和4_2为环境有色噪声估计值,T表示矩阵的转置。
[0021] 所述的迭代更新子单元与所述的存储单元的电压锁存子单元的输出端、电流锁存 子单元的输出端、迭代增益计算子单元的输出端W及误差计算单元的输出端相连,用于计 算并输出k+1时刻电池模型迭代参数矩阵4+1和迭代更新矩阵Pk+I,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BD00094
[0024]其中,Kk+i为迭代增益,Auk+i为误差计算单元输出的电压预测误差值,爲为采样时 亥[| k处的观测值矩阵,病=["ί-,"i--l,4,4 -1,4 - 2,句-,為1,為--2 ]。
[00巧]所述的电压预测单元接收迭代计算单元输出的迭代参数矩阵4, W及存储单元发 送的电池组的电压值化,Uk-1、电池组主回路流过的电流值ik,ik-1,ik-2,用于计算并输出k+1 时刻电池组的电压输出预测值,具体计算公式如下:
[0026]
Figure CN103744030BD00095
[0027] 其中,爲为观测值矩阵,病-=的為-1,4,4-1,4-2,句,每-1,4-2],与,每-1和与为环境 有色噪声估计值,T表示矩阵的转置。
[0028] 所述的误差计算单元接收监测单元输出的电压测量值Uk+i和电压预测单元输出的 电压预测值與W,用于计算并输出电池组电压预测误差Auk+i,计算公式如下:
[0029]
[0030] 所述的参数预测单元由内阻预测子单元和电容预测子单元组成。内阻预测子单元 W及电容预测子单元均与迭代更新子单元的输出端相连,分别用于计算并输出电池组的等 效内阻Ro,k和等效电容化,k,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BD00101
[0033] 其中,是,4.:、爲A、為马7,为k时刻电池板型迭代参数矩阵貧中的参数,
Figure CN103744030BD00102
[0034] 所述的平均溫度计算单元接收溫度存储子单元输出的一小时内电池组各溫度采 集点的溫度数据1'。,1'。-1,一,1'1,计算加寸刻电池组溫度的平均值化,并将其作为环境溫度值 输出,具体计算公式如下:
[0035]
Figure CN103744030BD00103
[0036] 所述的溫度校正单元接收参数预测单元输出的内阻值Ro,k和电容值化,k,并根据 平均溫度计算单元输出的环境溫度值化,将内阻值R〇,k和电容值化,k分别换算至常溫25°C 下的校正值R〇,k,ref和Cn,k,ref,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BD00104
[0039] 其中,Tref为常溫25 °C下的绝对溫度值298.15K;化为k时刻环境溫度值;R为气体常 数,R = 8.314472J/K · mol;Ea,R和Ea,c分别对应材料活化能,对于同一材料的电池来说是一 个常数值,单位为J/mol。
[0040] 所述的健康状态估算单元接收溫度校正单元输出的电池等效电容校正值Cn,k, ref,计算并输出电池的健康状态预测值SO化,具体计算公式如下:
[0041]
Figure CN103744030BD00105
[0042] 其中,化ate为电池处于100%S0H时的等效电容标称值,k表示第k步采样时刻。
[0043] 所述的解禪单元接收k时刻健康状态估计单元的输出值SO化,对电池的荷电状态 和健康状态进行解禪,并输出电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子:
[0044]
Figure CN103744030BD00111
[004引所述的荷电状态估算单元与解禪单元和溫度校正单元的输出端相连,接收溫度校 正单元输出的等效内阻值R0,k,ref,并依据解禪单元输出的电池健康状态与荷电状态之间 的禪合因子0,通过查表法估算电池的荷电状态。
[0046] 采用本发明估算装置估算电池组健康状态和荷电状态的方法包含如下步骤:
[0047] 步骤A:监测单元实时测量电池组的总电压、主回路电流和电池组中各溫度采集点 的溫度信号;
[0048] 步骤B:存储单元接收监测单元发送的信号,存储并输出当前连续2个采样时间的 电池组的电压信号值Uk,Uk-i、当前连续3个采样时间的电池组的主回路电流信号值 ik-2,W及一小时内的电池组的溫度信号值Τη , Τη-1,…,Τι;
[0049] 步骤C:迭代计算单元根据存储单元输出的电池组电压信号址,址-1和主回路电流 信号化,ik-iak-2,W及误差计算单元输出的电池组电压预测误差Auk+I,计算并输出电池 模型迭代参数矩阵
[0050] 步骤D:电压预测单元根据迭代计算单元输出的电池模型迭代参数矩阵及存 储单元输出的电池组电压信号Uk,Uk-l、主回路电流信号11<41<-141<-2,计算电池组电压输出预 测值%+1,
[0051] 步骤E:误差计算单元根据电压预测单元输出的电池组电压输出预测值及 监测单元输出的电池组电压测量值Uk+i,计算并输出电池组电压预测误差Auk+i;
[0052] 步骤F:参数预测单元根据迭代计算单元输出的电池模型迭代参数矩阵4,计算电 池的等效内阻Ro,k和等效电容化,k;
[0053] 步骤G:平均溫度计算单元根据一小时内电池组各溫度采集点的溫度数据Τη, Tn-l,…,Τι,计算k时刻电池组溫度的平均值化;
[0054] 步骤H:溫度校正单元将电池的等效内阻值Ro,k和电容值Cn,k分别换算至常溫25 °C 下的校正值 Ro,k,ref 和 Cn,k,ref;
[0055] 步骤I:健康状态估算单元根据溫度校正单元输出的电池等效电容校正值Cn,k, ref,计算电池的健康状态预测值SO化;
[0056] 步骤J:解禪单元根据健康状态估算单元输出的电池的健康状态预测值SO化,计算 电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子曰;
[0057] 步骤K:荷电状态估算单元根据溫度校正单元输出的电池等效内阻值Ro,k,ref,W 及解禪单元输出的电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子α,通过查表法估算电池的荷 电状态预测值。
[0058] 与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0059] (1)克服了现有技术在电池全生命周期内荷电状态估算精度逐渐变低的缺陷,实 现了电池荷电状态和健康状态的解禪。通过电池的健康状态值修正荷电状态值,大大提高 了估算精度。
[0060] (2)有效地解决了传统电池健康状态估算方法运算复杂、过于依赖数据、实时性差 的问题。本发明在运算过程中只需实时采集有限个电压、电流W及溫度数据,且运算过程十 分简单,具有很高的时间复杂度和空间复杂度,非常适合在实时工作状态中对电池的健康 状态进行估算。
附图说明
[0061] 图1为本发明结构示意图;
[0062] 图2为实时UDDS工况下单体电池的电流曲线;
[0063] 图3为实时UDDS工况下单体电池的电压曲线;
[0064] 图4为电池电路模型原理图;
[0065] 图5为电池模型参数估算算法流程图;
[0066] 图6为不同健康状态下单体电池等效电容值的估算曲线;
[0067] 图7为不同健康状态下单体电池等效电阻值的估算曲线;
[006引图8为实时UDDS工况下单体电池 S0C变化曲线;
[0069] 图9为不同健康状态下单体电池等效电阻值与S0C的关系曲线;
[0070] 图10为UDDS工况下通过本发明预测得到的单体电池电压值的实际效果。
具体实施方式
[0071] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0072] 如图1所示,本发明包含监测单元102、存储单元103、迭代计算单元104、电压预测 单元105、误差计算单元106、参数预测单元107、平均溫度计算单元108、溫度校正单元109、 健康状态估算单元110、解禪单元111,W及荷电状态估算单元112。
[0073] 监测单元102的输入端与电池组101的总正端、总负端W及各溫度采集点相连,输 入信号为电池组的总电压、主回路电流和电池组中各溫度采集点的溫度信号,输出信号为 电池组的实时工作电压、电流W及各溫度采集点的溫度值。存储单元103的输入端与监测单 元102的输出端相连,输入信号为监测单元采集到的电池组的电压、电流W及溫度值,输出 信号为当连续两个采样时间内的电池组的电压锁存信号、连续Ξ个采样时间内的电池组的 电流锁存信号和一小时W内的电池组的溫度信号。迭代计算单元104与存储单元103的输出 端W及误差计算单元106的输出端相连,输入信号为电池组的电压锁存信号、电流锁存信 号、误差信号,输出信号为电池模型的迭代更新参数。电压预测单元105与迭代计算单元104 输出端W及存储单元103的输出端相连,输入信号为电池模型迭代更新参数、电池组的电压 锁存信号、电流锁存信号,输出信号为电池的电压预测值。误差计算单元106与电压预测单 元105的输出端W及监测单元102的输出端相连,输入信号为电池的电压预测值和电压测量 值,输出信号为电池的电压预测误差。参数预测单元107与迭代计算单元104的输出端相连, 输入信号为电池模型迭代更新参数,输出信号为电池的等效内阻和等效电容值。平均溫度 计算单元108与存储单元103的输出端相连,输入信号为一小时内电池组的溫度信号,输出 信号为电池组的平均溫度值。溫度校正单元109与参数预测单元107输出端W及平均溫度计 算单元108的输出端相连,输入信号为电池的等效内阻值、等效电容值,W及电池组的平均 溫度值,输出信号为电池的等效内阻和电容的校正值。健康状态估算单元110与溫度校正单 元109的输出端相连,输入信号为电池的等效电容校正值,输出信号为电池健康状态的预测 值。解禪单元111与健康状态估算单元110的输出端相连,输入信号为电池健康状态预测值, 输出信号为电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子。荷电状态估算单元112与溫度校正 单元109输出端W及解禪单元111的输出端相连,输入信号为电池健康状态与荷电状态之间 的禪合因子、电池的等效内阻校正值,输出信号为电池荷电状态的预测值。
[0074] 如图1所示,所述的监测单元102由电压监测子单元1021、电流监测子单元1022和 溫度监测子单元1023组成。电压监测子单元1021的输入端跨接在电池组101的总正端和总 负端上,输出端与电压锁存子单元1031,W及误差计算单元106的输入端相连,用于实时采 集并输出电池组101总正、总负两端之间的电压;电流监测子单元1022的输入端与电池组 101主回路相连,输出端与电流锁存子单元1032的输入端相连,用于实时采集并输出电池组 101主回路流过的电流;溫度监测子单元1023的输入端与电池组中各溫度采集点相连,输出 端与溫度存储子单元(1033)的输入端相连,用于实时采集并输出电池组101中各溫度采集 点的溫度值。
[0075] 所述的存储单元103由电压锁存子单元1031、电流锁存子单元1032和溫度存储子 单元1033组成;电压锁存子单元1031的输入端与电压监测子单元1021的输出端相连,用于 存储并输出电池组k时刻和k-1时刻的电压数据uk,uk-i;电流锁存子单元1032的输入端与电 流监测子单元1022的输出端相连,用于存储并输出k,k-l和k-2时刻的电流数据ik,ik-i, ik-2;溫度存储子单元1033的输入端与溫度监测子单元1023的输出端相连,用于存储并输出 电池组一小时内的溫度数据Τη,Tn-l,…,Τι。
[0076] 所述的迭代计算单元104由迭代初始化子单元1041、迭代增益计算子单元1042和 迭代更新子单元1043组成;迭代增益计算子单元1042的输入端与电压锁存子单元1031的输 出端、电流锁存子单元1032的输出端W及迭代初始化子单元1041的输出端相连。所述的迭 代更新子单元1043与电压锁存子单元1031的输出端、电流锁存子单元1032的输出端、迭代 增益计算子单元1042的输出端W及误差计算单元106的输出端相连。
[0077] 所述的参数预测单元107由内阻预测子单元1071和电容预测子单元1072组成。内 阻预测子单元1071与迭代更新子单元1043的输出端相连,电容预测子单元1072与迭代更新 子单元1043的输出端相连。
[0078] W下就本发明的实施例进一步说明本发明估算装置对电池组健康状态和荷电状 态估算方法。
[0079] 作为一种实施例,在城市行驶工况(UDDS)下对电动汽车动力电池组进行测试,所 选用的动力电池组为50Ah,320V的憐酸铁裡电池组,该电池组由5 X 100串共500只单体电池 组成,每只单体电池的额定容量为1 OAh。在UDDS实时工况下采集得到的单体电池的电流和 电压曲线分别如图2和图3所示,系统采样时间为Is。
[0080] 步骤A:监测单元102实时测量该电池组的总电压、主回路电流和电池组中各溫度 采集点的溫度信号。
[0081] 步骤B:存储单元103接收监测单元102发送的信号,存储并输出当前连续2个采样 时间的电池组电压信号值Uk,Uk-i、当前连续3个采样时间的电池组主回路电流信号值ik, ik-l,ik-2,W及一小时内的电池组溫度值Τη,Tn-l,…,Τι。
[0082] 步骤C:迭代计算单元104根据存储单元103输出的电池组电压信号址,址-1和电池 组主回路电流信号ik,ik-l,ik-2,W及误差计算单元106输出的电池组电压预测误差Δ Uk+l,计算并输出电池模型迭代参数矩阵4 +1 〇
[0083] 计算过程基于如图4所示的电池电路模型。该模型将电池的电化学反应过程简化 为一个电路模型,模型的输入为电流i,模型输出为电池两端的电压uout。该模型中的物理 参量包括:电池等效内阻Ro,电池等效内阻Ro可W用来表示电池的荷电状态;电池等效电容 化,电池等效电容Cn可W用来表示电池的健康状态;电池的等效极化电容化;电池的等效极 化电阻化;电池的自放电内阻肺,由于Rb通常很大,因此可W忽略。该电池模型频域形式的 输入输出传递函数为:
Figure CN103744030BD00141
[0091] 基于W上电池电路模型,迭代计算单元104通过实时采集电池组电压信号址,址-1 和电池组主回路电流信号化,ik-1,ik-2,对电池模型迭代参数目=[Ai,A2,Bo,Bi,B2,Co,Cl, C2 ] T进行估算,具体步骤如图5所示:
[0092] (1)首先,迭代初始化子单元1041对第一步迭代过程中所需要的未知参数4、Pk、 旬、句_1、句_2进行初始化。其中,马为电池模型迭代参数矩阵,4=|-.i,以UUUW'::i'L, Pk为迭代更新矩阵,每、与-1、為J为环境有色噪声估计值。本发明将4和Pk的初始值分别 设为零矩阵和1〇61,其中I为单位矩阵,4、4-1、爲-2的初始值均设为0。
[0093] (2)其次,迭代增益计算子单元1042根据存储单元输出的电池组的电压信号uk, 址-1和主回路电流信号化,ik-iak-2, W及迭代初始化子单元1041输出的迭代过程的中间 矩阵Pk和电池模型迭代参数矩阵4 ^十算迭代增益Kk+1:
[0094]
Figure CN103744030BD00151
[009引其中,病-+1为观测值矩阵
Figure CN103744030BD00152
[0096] (3)最后,迭代更新子单元1043计算并输出k+1时刻电池模型迭代参数矩阵4+,和 迭代更新矩阵Pk+i,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BD00153
[0099] 其中,Kk+i为迭代增益,Auk+i为误差计算单元输出的电压预测误差值,痴为观测值 矩阵,
Figure CN103744030BD00154
[0100] 步骤D:电压预测单元105根据迭代计算单元104输出的电池模型迭代参数矩阵4, W及存储单元输出的电池组电压信号Uk,Uk-l、主回路电流信号1山1<-141<-2,计算电池组电压 输出预测值4+1,
[0101]
Figure CN103744030BD00155
[010引其中,叛为观测值矩阵,爲.'=[%,%1',4.,4-.1,4..-2',為,每--:1,每-2],爲.、為-1、赛-2'为环境 有色噪声估计值。
[0103] 步骤E:误差计算单元106根据电压预测单元105输出的电池组电压输出预测值 W及监测单元102输出的电池组电压测量值Uk+i,计算并输出电池组电压预测误差Δ Uk+l:
[0104]
Figure CN103744030BD00156
[0105] 步骤F:参数预测单元107根据迭代计算单元104输出的电池模型迭代参数矩阵4 > 句七Λ,店|,心4户|,('-';]',计算电池的等效内阻3〇,4和等效电容化山
Figure CN103744030BD00157
[0108] 步骤G:平均溫度计算单元108根据一小时内电池组各溫度采集点的溫度数据Τη, Tn-l,…,Τι,计算k时刻电池组溫度的平均值化;
[0109]
Figure CN103744030BD00158
[0110] 步骤H:溫度校正单元10則尋电池的等效内阻值Ro,k和电容值化,k分别换算至常溫 25 °C下的校正值Ro, k, ref和Cn, k, ref,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BD00161
[0113] 其中,Tref为常溫25 °C下的绝对溫度值298.15Κ;化为k时刻环境溫度值;R为气体常 数,R = 8.314472J/K · mol;Ea,R和Ea,c分别对应材料活化能,对于同一材料的电池来说是一 个常数值,单位为J/mol。
[0114] 步骤I:健康状态估算单元110根据溫度校正单元109输出的电池等效电容校正值 化,k, ref,计算电池的健康状态预测值SO化,具体计算公式如下:
[0115]
Figure CN103744030BD00162
[0116] 其中,化ate为电池处于100%S0H时的等效电容标称值。
[0117] 在25 °C环境溫度下,分别于100%,90%,80%S0H处,重复上述步骤,得到的不同健康 状态下电池等效电容Cn值的估算曲线如图6所示。可W发现,电池等效电容化的值与电池的 S0H呈现明显的对应关系。
[0118] 步骤J:解禪单元111根据健康状态估算单元110输出的电池的健康状态预测值 SO化,计算电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子α;
[0119]
Figure CN103744030BD00163
[0120] 步骤Κ:荷电状态估算单元112根据溫度校正单元109输出的电池等效内阻值Ro,k, ref, W及解禪单元111输出的电池健康状态与荷电状态之间的禪合因子α,通过查表法估算 电池的荷电状态预测值。
[0121] 在25 °C环境溫度下,分别于100%,90%,80%S0H处,重复上述步骤。为了便于分析,本 实施例按照电池组串并联组合方式,将电池组数据折算成单体电池的数据,可W得到单体 电池分别处于100%,90%,80%S0邸寸的等效电阻值Ro的预测值,具体单体电池等效电阻值Ro 随采样时刻k的变化曲线如图7所示。与此同时,在UDDS实时行驶工况下,单体电池的S0C与 采样时刻k的关系曲线如图8所示。对图7和图8进一步分析,可W得到单体电池等效电阻值 Ro与S0C之间的关系曲线,详见图9。可W发现,当单体电池的健康状态(S0H)为恒定值时,单 体电池的等效电阻值Ro与S0C之间呈现一一对应的线性关系。因此,可W用估算得到的SOHk 的倒数作为解禪因子,对单体电池荷电状态S0C的基准值进行校正。进而基于图9,通过查表 法可W得到单体电池荷电状态(S0C)的预测值。
[0122] 图10所示为UDDS工况下,通过本发明预测得到的单体电池输出电压值的实际效 果,如图10所示可知单体电池电压预测值能够很好地跟踪电压测量值的变化。因而本发明 可W应用于电池健康状态实时估算的场合,并且具有较高的精度。
[0123] 本发明的应用场合并不仅限于电动汽车领域,也可W应用于不间断供电系统、分 布式储能等技术领域中;并且所针对的电池类型也并不仅局限于憐酸铁裡电池,也可W是 铅酸、儀氨、儘酸裡等材料体系的电池。

Claims (10)

1. 一种电池组健康状态和荷电状态在线估算装置,其特征在于所述的在线估算装置包 括以下部分: 监测单元(102),所述的监测单元(102)用于采集电池组的实时工作电压、电流以及各 温度采集点的温度值;所述监测单元(102)的输入端与电池组(101)的总正端、总负端以及 各温度采集点相连,监测单元(102)的输入信号为电池组的总电压、主回路电流和电池组中 各温度采集点的温度信号,输出信号为电池组的实时工作电压、电流以及各温度采集点的 温度值; 存储单元(103),所述的存储单元(103)的输入端与监测单元(102)的输出端相连,用于 保存监测单元(102)输出的电池组的电压、电流和温度值,并输出所存储的电池组的电压、 电流和温度数据; 迭代计算单元(104),所述迭代计算单元(104)的输入端与存储单元(103)的输出端,以 及误差计算单元(106)的输出端相连,用于计算并输出电池模型的迭代参数;所述的迭代计 算单元(106)的输入信号为电池组的电压锁存信号、电流锁存信号、误差信号,输出信号为 电池模型的迭代更新参数; 电压预测单元(105),所述电压预测单元(105)的输入端与迭代计算单元(104)的输出 端,以及存储单元(103)的输出端相连;所述电压预测单元(105)用于计算并输出电池在当 前时刻的电压预测值,其输入信号为电池模型迭代更新参数、电池组的电压锁存信号和电 流锁存信号,输出信号为电池组电压预测值; 误差计算单元(106),所述的误差计算单元(106)的输入端与监测单元(102)的输出端, 以及电压预测单元(105)的输出端相连,用于计算电压预测值与测量值之差;所述误差计算 单元(106)的输入信号为电池组的电压预测值和电压测量值,输出信号为电池组电压预测 误差; 参数预测单元(107),所述参数预测单元(107)的输入端与迭代计算单元(104)的输出 端相连,用于计算并输出电池组的等效内阻和等效电容值;所述的参数预测单元(107)的输 入信号为电池模型迭代更新参数,输出信号为电池组的等效内阻和等效电容值; 平均温度计算单元(108),所述平均温度计算单元(108)的输入端与存储单元(103)的 输出端相连,用于计算存储单元(103)中存储的电池组的温度数据平均值;所述的平均温度 计算单元(108)的输入信号为一小时内的电池组的温度信号,输出信号为电池组的平均温 度值; 温度校正单元(109),所述的温度校正单元(109)的输入端与参数预测单元(107)的输 出端,以及平均温度计算单元(108)的输出端相连,用于将电池组的等效内阻和电容值折算 至25°C下的校正值;所述的温度校正单元(109)输入信号为电池组的等效内阻值、等效电容 值,以及平均温度值,输出信号为电池组等效内阻和电容的校正值; 电池健康状态估算单元(110),所述电池健康状态估算单元(110)的输入端与温度校正 单元(109)的输出端相连,用于计算并输出当前时刻电池组健康状态的预测值;输入信号为 电池组的等效电容校正值,输出信号为电池组健康状态的预测值; 解耦单元(111),所述解耦单元(111)的输入端与健康状态估算单元(110)的输出端相 连,用于实现电池组健康状态和荷电状态的解耦,所述的解耦单元(111)的输入信号为电池 组健康状态预测值,输出信号为电池组健康状态与荷电状态之间的耦合因子; 电池荷电状态估算单元(112),所述电池荷电状态估算单元(112)的输入端与解耦单元 (111)的输出端,以及温度校正单元(109)的输出端相连,用于计算并输出电池组荷电状态 的预测值;所述的电池荷电状态估算单元(112)的输入信号为电池组健康状态与荷电状态 之间的耦合因子、电池组的等效内阻校正值,输出信号为电池组荷电状态的预测值。
2. 按照权利要求1所述的电池组健康状态和荷电状态在线估算装置,其特征在于所述 的监测单元(102)由电压监测子单元(1021)、电流监测子单元(1022)和温度监测子单元 (1023)组成;电压监测子单元(1021)的输入端跨接在电池组(101)的总正端和总负端上,输 出端与存储单元(103)的电压锁存子单元(1031)的输入端,以及误差计算单元(106)的输入 端相连,用于实时采集并输出电池组(101)总正、总负两端之间的电压;电流监测子单元 (1022)的输入端与电池组(101)主回路相连,输出端与存储单元(103)的电流锁存子单元 (1032) 的输入端相连,用于实时采集并输出电池组(101)主回路流过的电流;温度监测子单 元(1023)的输入端与电池组中各温度采集点相连,输出端与存储单元(103)的温度存储子 单元(1033)的输入端相连,用于实时采集并输出电池组(101)中各温度采集点的温度值。
3. 按照权利要求1所述的电池组健康状态和荷电状态在线估算装置,其特征在于所述 的存储单元(103)由电压锁存子单元(1031)、电流锁存子单元(1032)和温度存储子单元 (1033) 组成;电压锁存子单元(1031)的输入端与电压监测子单元(1021)的输出端相连,用 于存储并输出k时刻和k-Ι时刻的电池组的电压数据uk,uh ;电流锁存子单元(1032)的输入 端与电流监测子单元(1022)的输出端相连,用于存储并输出电池组k,k-l和k-2时刻的电 流数据ik,ik-^ik-2;温度存储子单元(1033)的输入端与温度监测子单元(1023)的输出端相 连,用于存储并输出一小时内电池组的温度数据T n,,…,Ί\。
4. 按照权利要求1所述的电池组健康状态和荷电状态在线估算装置,其特征在于所述 的迭代计算单元(104)由迭代初始化子单元(1041 )、迭代增益计算子单元(1042)和迭代更 新子单元(1043)组成;迭代增益计算子单元(1042)的输入端与所述的存储单元的电压锁存 子单元(1031)的输出端、电流锁存子单元(1032)的输出端,以及迭代初始化子单元(1041) 的输出端相连;所述的迭代更新子单元(1043)与电压锁存子单元(1031)的输出端、电流锁 存子单元(1032)的输出端、迭代增益计算子单元(1042)的输出端以及误差计算单元(106) 的输出端相连。
5. 按照权利要求1所述的电池组健康状态和荷电状态在线估算装置,其特征在于所述 的所述的参数预测单元(107)由内阻预测子单元(1071)和电容预测子单元(1072)组成,分 别用于计算并输出电池组的等效内阻和等效电容值;内阻预测子单元(1071)和电容预测子 单元(1072)的输入端均与迭代更新子单元(1043)的输出端相连,输出端均与温度校正单元 (109)的输入端相连。
6. 采用权利要求1所述的估算装置估算电池组健康状态和荷电状态的方法,其特征在 于,所述的估算方法包含如下步骤: 步骤Α:监测单元(102)实时测量电池组的总电压、主回路电流和电池组中各温度采集 点的温度信号; 步骤Β:存储单元(103)接收监测单元(102)发送的信号,存储并输出当前连续2个采样 时间的电池组的电压信号值uiuh、当前连续3个采样时间的电池组的主回路电流信号值 ik,ik-l,ik-2,以及一小时内的电池组的温度信号值Τη,Tn-l,…,Τι; 步骤C:迭代计算单元(104)根据存储单元(103)输出的电池组电压信号Uk,Uk-dP主回路 电流信号ik,ik-i,ik-2,以及误差计算单元(106)输出的电池组电压预测误差AUk+1,计算并 输出电池模型迭代参数矩阵4+1. 步骤D:电压预测单元(105)根据迭代计算单元(104)输出的电池模型迭代参数矩阵 矣以及存储单元输出的电池组电压信号UhUk-i、主回路电流信号^^^,^^,计算电池组 .y 电压输出预测值 t 步骤E:误差计算单元(106)根据电压预测单元(105)输出的电池组电压输出预测值 丨,以及监测单元(102)输出的电池组电压测量值uk+1,计算并输出电池组电压预测误差Δ Uk+1; 步骤F:参数预测单元(107)根据迭代计算单元(104)输出的电池模型迭代参数矩阵氣 计算电池的等效内阻R〇,k和等效电容Cn,k; 步骤G:平均温度计算单元(108)根据一小时内电池组各温度采集点的温度数据Tn, Τη,…,Τ!,计算k时刻电池组温度的平均值Tk; 步骤Η:温度校正单元(109)将电池的等效内阻值R。, k和电容值匕,k分别换算至常温25 °C 下的校正值R。, k,ref和Cn, k, ref ; 步骤I:健康状态估算单元(110)根据温度校正单元(109)输出的电池等效电容校正值 Cn,k,rrf,计算电池的健康状态预测值SOHk; 步骤J:解耦单元(111)根据健康状态估算单元(110)输出的电池的健康状态预测值 SOHk,计算电池健康状态与荷电状态之间的耦合因子α; 步骤Κ:荷电状态估算单元(112)根据温度校正单元(109)输出的电池等效内阻值 Rc^kpf,以及解耦单元(111)输出的电池健康状态与荷电状态之间的耦合因子α,通过查表 法估算电池的荷电状态预测值。
7.按照权利要求6所述的估算方法,其特征在于所述的步骤C中,迭代计算单元(104)计 算的电池电路模型的迭代参数为:
Figure CN103744030BC00041
其中k表示第k步采样时刻;uk和ik分别为电池组在k时刻的电压值和主回路电流值;厶 为k时刻的环境有色噪声估计值;Ax,A2,Bo,,B2,Co,&,C2为电池模型的迭代参数; 所述迭代计算单元(104)中的迭代初始化子单元(1041)对第一步迭代过程中所需要的
Figure CN103744030BC00042
未知迭代参数矩阵迭代更新矩阵Pk,以及环境有色噪声估计值4、4-2进行初始 化,并输出4和Pk,其中,4为电池模型迭代参数矩阵 为迭代更新矩阵,堯和Pk的初始值分别设为零矩阵和1〇61,其中I为单位矩阵,4、4w、 4_2的初始值均设为0; 迭代增益计算子单元(1042)接收k时刻存储单元(103)输出的电池组的电压信号Uk,Uk -1 和主回路电流信号11^15-1^-2,并根据环境有色噪声估计值色,1 1和4.2以及当前时刻 的迭代参数矩阵為和迭代更新矩阵Pk,输出k+1时刻电池模型的迭代增益,具体计算公式如 下:
Figure CN103744030BC00051
迭代更新子单元(1043)根据k时刻迭代增益计算子单元(1042)输出的迭代增益Kk+1、存 储单元(103)输出的电池组的电压信号Hi和主回路电流信号^,^^,^^、误差计算单元 (106)输出的电池组电压预测误差值AUk+1、当前时刻电池模型迭代参数矩阵成以及当前 时刻迭代更新矩阵Pk,计算k+Ι时刻的电池模型迭代参数矩阵|+1和迭代更新矩阵pk+1,具体 计算公式如下:
Figure CN103744030BC00052
8. 按照权利要求6所述的估算方法,其特征在于所述的步骤F中,参数预测单元(107)计 算电池的等效内阻R〇,k和等效电容Cn,k的方法如下:参数预测单元(107)中的内阻预测子单 元(1 0 7 1 )接收k时刻迭代计算单元(1 0 4 )输出的电池模型迭代参数矩阵 成,并输出k时刻电池的等效内阻RQ,k,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BC00053
参数预测单元(107)中的电容预测子单元(1072)接收k时刻迭代计算单元(104)输出的 迭代参数矩阵i(4=U 上;Γ|Α ^并输出k时刻电池的等效电容Cn,k,具 体计算公式如下:
Figure CN103744030BC00054
9. 按照权利要求6所述的估算方法,其特征在于所述的步骤Η中,温度校正单元(109)接 收k时刻参数预测单元(107)输出的等效内阻Rea和等效电容C n,k值,并根据平均温度计算单 元(108)输出的平均温度Tk,计算k时刻等效内阻和等效电容在常温25°C下的校正值R〇, k,ref 和Cn,k,rrf,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BC00055
Figure CN103744030BC00061
其中,Tref为常温25°C下的绝对温度值298.15K;Tk为k时刻环境温度值;R为气体常数,R = 8.314472J/K · mol ;Ea,R和Ea,c分别对应材料活化能,对于同一材料的电池来说为常数值, 单位为J/mol。
10.按照权利要求6所述的估算方法,其特征在于所述的步骤I中,健康状态估计单元 (110)根据k时刻温度校正单元(109)输出的等效电容校正值Cn,k,ref对电池 k时刻的健康状 态SOHk进行估算,具体计算公式如下:
Figure CN103744030BC00062
其中,Crate为电池处于100 % S0H时的等效电容标称值;解耦单元(111)根据k时刻健康 状态估计单元(11 〇)的输出值SOHk,对电池的荷电状态和健康状态进行解耦,并输出耦合因
Figure CN103744030BC00063
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