CN103797374A

CN103797374A - 用于电池监控的系统和方法

Info

Publication number: CN103797374A
Application number: CN201280042201.7A
Authority: CN
Inventors: V·G·维迪; T·坎卡拉
Original assignee: KPIT Cummins Infosystems Ltd
Current assignee: KPIT Technologies Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-18
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2032-09-18
Also published as: WO2013072927A3; EP2761316A2; WO2013072927A2; JP6153528B2; KR20140082750A; CN103797374B; JP2014535037A; US20140232411A1

Abstract

本发明公开了用于估算电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）的方法和系统。本发明的方法准确地确定电池SOC，通过估算由基于电流的电池参数而确定的重复出现的常数值和在电池充电和放电循环期间获得的SOC值。

Description

用于电池监控的系统和方法

发明领域

本发明领域通常涉及确定电池的健康，尤其涉及确定电池荷电状态和电池劣化状态。

发明背景

电池管理系统是用于确定电池的荷电状态（SOC）和健康状况（SOH）。电池的SOH给出了电池劣化的百分比。电池的SOC相当于电池或电池组的燃油量表并且给出了电池容量。换句话说，SOC是存储在电池中的电荷与电池能够容纳的最大电荷之比。SOC通常以百分比的术语来表示。确定电池SOC对于各种应用是非常有用的。估计电池的SOC能够提供还有多少电荷保留在电池中以及它能用于多长时间的特定应用的指示。

电池的SOC直接与电池的电荷（Q）有关。按照本领域已知的物理的基本方程，电流是电荷的流动，由I=dQ/dt确定。

在给定时间积累的总电荷，对所用的时间进行积分，由Q=∫Idt确定。

因此，从理论上说，电池的荷电状态（SOC）变化与在一段时间“t”内从电池中放出或存入电池的电流是成比例的。然而，电池的类型多样并且电池的特性取决于其类型。电池特性如内阻、放电曲线、容量等依赖于各种参数如电池年龄、电池使用情况、温度等。电池特性随着电池参数及外部条件的改变而改变。

现有的方法不能提供准确的SOC估算，因为它们都依赖于随着年龄、使用情况等变化的电池的参数。此外，用于SOC估算的方程中的常量和误差不定量化并且不能对导致不准确的SOC估算进行补偿。现有的电池SOH估算的方法不提供电池年龄的确定或电池劣化的确定。因此，一种在SOC估算中能校正误差的方法是必要的。

发明概要

本发明公开了一种用于估算准确的荷电状态（SOC）和电池健康状况（SOH）的方法和系统，包括可选择性地使用利用依赖于电池温度和电池劣化的函数的校正机制和依赖于电池电流和电池温度的指数因子和校正回路，在电池的充电-放电循环期间，其中所述方法和系统涉及校正回路以校正/补偿任何由于电池参数所引起的累积误差，并确定电池的年龄。

本发明的目的是提供用于确定电池荷电状态和在一段时间内准确的电池劣化的系统和方法。本发明的该系统和方法可用于确定电池的SOC和电池劣化，或在电池在使用时的在线状态下，或在电池在休止时的离线状态下。

本发明的另一目的是提供用于确定电池荷电状态的系统和方法，被认为是随着时间和使用会改变的电池参数，因而提供准确的SOC估算。本发明的方法可以补偿由使用年限改变、内电阻改变、外部温度等改变而改变的参数引起的误差从而影响估算的SOC。结合本发明的方法，可以确定所有类型电池的SOC。

本发明的进一步目的是提供用于估算电池劣化的方法。

附图简述

图1显示了估算SOC的方法。

图2显示了估算SOH的方法。

图3显示了本发明系统的框图。

图4显示了开路电压（OCV）和电池的荷电状态（SOC）之间的典型关系。

图5显示了电池的阻抗模型表示。

详述

本发明结合使用校正机制和校正回路，适应于电压和电流测量中的任何差值。本发明利用用于计算SOC值的校正机制方法。然而，它会随着时间积累误差并从而利用累积的校正回路，校正SOC估算中的任何误差并且是基于电池的特性。应该注意，两种方法并不同时使用或在给定的时间即刻使用，而是或者使用校正机制或者使用校正回路。

在给定时间通过的总电荷，对所用的时间进行积分，由Q=∫Idt确定。

因此，从理论上说，电池的荷电状态（SOC）变化与在一段时间“t”内从电池中放出或存入电池的电流是成比例的。然而，电池的类型多样并且电池的特性取决于其类型。电池特性如内阻、放电曲线、容量等依赖于各种参数如电池年龄、电池使用情况、温度等。电池特性随着电池参数的改变而改变。

基于基本的电荷和电流公式，本发明的方法使用校正机制来估算SOC，其通过考虑如电池电流、电池温度和电池劣化这样的电池参数容纳各种误差。

根据本发明的方法，SOC估算由以下确定：

SOC(t)=SOC(t-1)+I(t)*Δt*k*指数(-λ*I(t))---公式1

其中SOC（t）和SOC（t-1）是在t和t-1时刻的SOC，I（t）是在t时刻的电流，Δt是时刻之间的时间间隔，k＝f(θ，％劣化)λ＝f(θ），其定义如下：θ是温度，而%劣化是由电池的SOH确定。

k和λ的通常公式是：

λ_{1} = \frac{1}{(c_{3} * θ + b_{3})}

λ_{2} = \frac{1}{(c_{4} * θ + b_{4})}

其中，b₁，b₂，b₃，b₄是偏置常数，而c₁，c₂，c₃，c₄是比例常数。这些常数的值是由实验确定，并且根据电池的不同而变化。例如，对于在实验条件下（1.2V,5.3A的锂离子电池）的电池，得到的常数如下列表所述。

k＝指数(-3-θ/12.5)+5.2+0.057*％劣化

λ_{1} = \frac{1}{100 * (- 1.26 * θ + 76.5)}

λ_{2} = \frac{1}{100 * (0.72 * θ + 33.7)}

不同的常数值通过最小化实验阶段得到的SOC和基准SOC之间的误差而得。任何标准的优化技术都能用于获得这些常数。

每当电流非常低的时候，通常在休止时或充电结束时或放电循环，累积的校正回路用于校正任何累积的误差。

在下列情况下，使用校正回路，当：

●电压有突然的下降或上升。它发生在当电流突然变为零时或当电流从零飙升时。在这些时刻内，估计电阻并且OCV以SOC=f（OCV）来计算，可以进行估算。

●连续时刻的ΔV和ΔI都接近于零，那么电池会被认为正在休止

SOC估算：

下面的步骤描述估算SOC的方法：

步骤1：首先，获得时刻“t”的电压、电流和温度，即得到V（t）、I（t）和θ（t）的读数。

步骤2：初始SOC可以从先前记录中得到，如果是第一次，可以从SOC与OCV的特性SOC(t)=f(OCV(t))[OCV(t)=V(t)当t=0时]来计算SOC。

步骤3：如果测量到的电压和电流的变化几乎为0，即，|V(t)-V(t-1)|＜TH_1且|I(t)-I(t-1)|＜TH_1，那么OCV可以使用该公式计算。

OCV(t)=(1-Δt*α)*OCV(t-1)+Δt*α*V(t)---公式2

SOC(t)=f(OCV(t))

其中，a是一个依赖于温度的常数

步骤4：如果电压突然下降或上升，通常发生在充电或放电循环的结束或开始时，那么电阻可计算。据推测，OCV在此期间保持恒定，所以电流的变化不会非常高/无穷小。电阻是由R_est=绝对值(V(t)-V(t-l))/(I(t)-I(t-l))来估算，然后OCV使用下面的公式计算。

OCV(t)＝(1-α)*OCV(t-1)+α*(最大值(绝对值(V(t))绝对值(V(t-1)))-最大值(绝对值(I(t))绝对值(I(t-

1)))*R_est) ---公式3

SOC(t)＝f(OCV(t))

由于与更高温度相比，在更低温度下的休止时间是更多的，参数a依赖于温度。对于所考虑的电池，α＝1/200*指数(-0.07*θ)值。

步骤5：如果步骤3和4的条件不满足，使用的SOC的公式3更换为

SOC(t)＝SOC(t-1)+I(t)*Δt*k*指数(-λ*I(t))

OCV(t)＝f¹(SOC)

步骤6：周期性地，当计算SOH时，更新k的值。

步骤7：重复步骤2至6以获得新样本。

SOH估算：

SOH是电池的实际容量与电池的额定（新鲜的）容量之比。标准做法是描述SOH的百分比（乘以100的比例）。该参数表示电池的健康状况。通常情况下，直到电池达到其额定容量的70％才允许电池在车辆中工作。如果电池健康低于70%，则更换电池。

SOH的估算参照当前的电池容量估算，其是从SOC变化的常识和公式1中得到的电荷的转移来计算。

来自于公式1，

SOC(t)=SOC(t-1)+I(t)*DT*k*指数(-λ*I(t))

其中，k是劣化的函数

据推测，电池容量是未知的，并且k的值估算为

其中，

SOC(t₁)和SOC(t₂)是记录在两个不同时刻的SOC，当电池在适当休止时

k_est是k的估算值

SOC作为在这些情况下OCV的函数而得到

从估算的k值，电池劣化的计算公式为，

为得到更准确的SOH结果，当在两个时刻之间所获得的SOC的差值是足够的，如40，才计算SOH值。

因为SOH是一个缓慢变化的参数，并且多个充电和放电循环都涉及到该值明显改变，获得多个周期的平均劣化值和准确的SOH值。

步骤1：当电池在适当休止的时候，利用OCV比SOC的特性计算时刻t1的SOC（SOC_st）

步骤2：计算累积和

总和I=总和I+I(t)*Δt*指数(-λ*I(t))

步骤3：当电池休止时，计算另一个时刻瞬间t2的SOC（SOC__最终）

步骤4：如果|SOC_st-SOC__最终|>40，利用公式4计算k_est，否则重复步骤1。

步骤5：电池的%劣化计算为

步骤6：多个周期的%劣化的平均值（例如n个周期）的计算：

步骤7：SOH计算：

因此，用于估算电池准确的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）的方法和系统包括：选择性地使用利用依赖于电池温度和电池劣化的函数的校正机制和依赖于电池电流和电池温度的指数因子和累积的校正回路，在电池的充电-放电循环期间，其中，所述方法和系统涉及校正回路以校正/补偿任何由于电池的参数引起的积累的误差，并确定电池年龄。

上述校正回路，在该方法和系统中提及，并且当电池电流在连续的时间瞬间接近零时，而电压保持不变，或当电流突然下降到零或从零上升时采用。采用校正回路来计算该电池的电阻。

在电池的SOC估算期间，当没有使用校正回路时，该方法利用一个依赖于电池温度和电池劣化的函数（k）以及依赖于电池电流和电池温度的校正指数因子。

在一个优选的实施例中，如图1所示，该方法包括测量电池电流、电压和温度的初始值；从以前的记录中确定电池的SOC初始值，或可选择地，如果没有以前的记录，从已知的相应的OCV值计算SOC；如果电池电流在连续的时刻小于阈值TH_1，接近于0，通过采用校正回路确定时刻“t”的SOC；如果在充电-放电循环的开始或结束期间电压有突然的下降或上升，通过采用校正回路确定时刻“t”的SOC，从而计算电阻并且假设OCV保持恒定，并因而电流的变化是无穷小的；如果上述条件不满足，更新利用校正回路的SOC；计算电池的健康状态（SOH）从而定期更新依赖于电池温度和电池劣化的函数k。重复该程序用于获得新的样本。

如图3所示，本发明公开的系统由第一输入装置（1）、第二输入装置（2）、处理器（3）和输出装置（4）组成。该处理器（4）基于所提供的输入值来计算电池的SOC。

如图2所示，计算SOH的步骤由以下组成：当电池适当的休止时计算k_est；计算电池的劣化百分比；计算多个周期的平均优劣百分比；利用先前计算的值来计算SOH。

在计算上述SOH过程中计算k_est的步骤由以下组成：当电池在适当休止时，利用已知的在时刻t1的相应的OCV值计算初始电池SOC；计算累积和；计算另一时刻t2的最终电池SOC；如果最初SOC和最终SOC之间的差值大于40，计算k_est；否则重复之前的步骤。如图4所示为SOC与OCV之间的关系来计算初始SOC，其中图5表示电池的阻抗模型。

本发明的方法和系统可以用于确定各种类型的电池和各种应用中的SOC。可以确定SOC用于电池在各种应用中的使用，例如混合动力汽车的电池、电动车电池、逆变器电池等。此外，电池SOC也可以当电池在使用时在线确定或在电池在休止时离线确定，上述实施例，将用于说明本发明，并应理解的是通过示例的方式具体给出，是用于本发明的优选实施例的说明性讨论的目的，而不是限制本发明的范围。

Claims

1.一种用于估算准确的电池的荷电状态（SOC）和健康状态（SOH）的方法和系统，包括可选择性地使用利用依赖于电池温度和电池劣化的函数的校正机制，和依赖于电池电流和电池温度的指数因子及累积的校正回路，其中所述方法和系统包括累积的校正回路以校正/补偿任何由电池参数引起的累积误差，并确定电池年龄。

2.根据权利要求1所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，当电池电流在连续的时间瞬间接近于零时而电压保持恒定，或电流突然降低到零或从零上升时，采用所述累积的校正回路。

3.根据权利要求1所述的用于估算电池的SOC和SOH方法和系统，其特征在于，当电流突然下降到零或从零上升时，采用所述累积的校正回路，包括计算电池的电阻。

4.根据权利要求1所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，当不使用累积的校正回路时，SOC估算包括利用依赖于电池温度和电池劣化的函数（k）和依赖于电池电流和电池温度的校正指数因子。

5.根据权利要求1所述的用于估算电池SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，电池的SOC可以在电池在使用时在线确定或者在电池休止时离线确定。

6.根据权利要求1所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其中，所述方法进一步包括：

（i）测量电池的电流、电压和温度的初始值；

（ii）由以前的记录确定的电池SOC初始值，或选择性地，如果没有以前的记录，从已知相应的OCV值计算SOC；

（iii）如果电池电流在连续的时刻小于阈值TH_1，接近于零，利用校正回路确定时刻“t”的SOC；

（iv）如果在充电-放电循环的开始或者结束具有电压的突然下降或升高，采用校正回路确定时刻“t”的SOC，从而计算电阻并假定OCV保持不变，从而电流的改变是无穷小的；

（v）如果步骤（iii）和（iv）的条件不满足，采用校正回路更新SOC；

（vi）计算电池的健康状态（SOH），从而周期性地更新依赖于电池温度和电池劣化的函数值k；

（vii）重复步骤（ii）至（vi）用于获得新样本。

7.根据权利要求1所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，所述系统包括：第一输入装置（1）、第二输入装置（2）、处理器（3）和输出装置（4）。

8.根据权利要求4所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，所述处理器基于所提供的输入值来计算电池的SOC。

9.根据权利要求3所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，计算所述SOH包括：

（viii）当电池适当的休止时计算估算的“k”；

（ix）计算电池的劣化百分比；

（x）计算多个周期的劣化百分比平均；

（xi）利用步骤（i）至（iii）计算的值来计算SOH。

10.根据权利要求8所述的用于估算电池的SOC和SOH的方法和系统，其特征在于，在计算所述SOH的过程中，计算k_est，还包括：

（xii）当电池适当休止时，利用在时刻t1的已知的相应的OCV值计算初始电池SOC；

（xiii）计算累积和；

（xiv）计算另一时刻t2的最终的电池SOC；

（xv）如果初始电池SOC和最终电池SOC的差值大于40，那么计算k_est，否则重复步骤（i）至（ⅲ）。