CN103901348B - 适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法，包括以下步骤：获取电池当前测量值，根据测量值选取符合预设条件的时间段作为辨识段；计算当前辨识段的电池端电压变化和对应的电流差累积电量，得到当前的动态电压变化率；通过动态电压变化率与标定所得到的动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系确定电池当前的剩余放电容量。本发明的方法，计算简单、准确性高。

Description

适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法

技术领域

本发明涉及电动汽车与电池状态估计领域，尤其涉及一种适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法。

背景技术

与传统燃油汽车相比，电动汽车在行驶经济性和环境友好程度上有很大优势。但电动汽车的续驶里程不容易估计，容易造成用户的里程焦虑。电动汽车的续驶里程取决于动力电池的剩余放电能量和整车的能量消耗，其中电池剩余放电能量受未来的放电平均电压和电池剩余放电容量的影响。由于电池的放电电压曲线较为平缓，未来的放电平均电压较固定，因此剩余放电能量的估计精度主要依赖于电池剩余容量的精度。

目前已有一些电池剩余放电容量的计算方法，但这些方法主要基于电池模型以及电池放电全过程中的累积电荷量。如通过电池模型计算放电过程中的开路电压来估计剩余容量，或者通过累积计算电池放电电量来估计当前荷电状态SOC（StateofCharge），进而计算剩余放电容量。但是这两种方法均未针对电流大小的差别进行专门修正。当电流不同时，电池模型不能保证开路电压估计值在各种电流下的精度，另外电流大小的不同会在累积放电电量计算时造成较大的累积误差。因此这两种方法在电流变化时的估计效果有限。虽然有的方法也考虑了电流差异的影响，根据普克特方程（Peukert方程）对不同电流下的剩余放电容量进行估计。但锂离子电池的大量试验显示，如果电流的变化较为动态，则电池的剩余容量与普克特方程的结果符合的并不好，因此在实车应用中也有一定的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种计算简单、可实时控制的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法。

为了实现上述目的，本发明实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法，包括以下步骤：获取电池当前测量值，根据所述测量值选取符合预设条件的时间段作为辨识段；计算当前所述辨识段的电池端电压变化和对应的电流差累积电量，得到当前的动态电压变化率；通过所述动态电压变化率与标定所得到的所述动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系确定锂离子电池当前的剩余放电容量。

根据本发明实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法，在不同的动态电流下，动态电压变化率相同时对应的剩余放电容量较为相似，因此可以在较少标定量的基础上，在动态电流下提供剩余容量估计结果。而在高电流相差不大的情况下，动态电压变化率相同时对应的剩余放电容量基本相同，因此本发明实施例的方法可以通过几组不同高电流的台架测试，无需复杂的电池模型估计电池当前的荷电状态SOC，只需简单的加减乘除计算和时间较短的电流差积分，便可在动态电流下提供较准确的剩余容量估计结果。

在一些示例中，所述电池当前测量值包括电池的端电压、电流以及时间。

在一些示例中，所述动态电压变化率的计算基于当前辨识段的电流差累积电量和对应的端电压变化量。

在一些示例中，所述当前辨识段对应的电流差累积电量变化通过对一定时间段内的高低电流差的积分获得。

在一些示例中，所述端电压变化量是所述当前辨识段开始后t₀时刻对应的端电压和所述辨识段开始后t_h时刻对应的端电压的差值，其中，h>0。

在一些示例中，标定用的所述动态电压变化率和所述剩余放电容量的对应关系通过对所述电池进行台架测试得到。

在一些示例中，所述台架测试的标定次数和标定所用的标定电流数值根据所述剩余放电容量的估计精度需求确定。

本发明附加的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

图1是台架测试所用的两阶段阶跃电流工况的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法流程图；

图3是本发明一个实施例的电池在放电过程中的不同位置对高电流段的电压响应的示意图；和

图4是根据本发明一个实施例的电池在不同的高电流下动态电压变化率和剩余放电容量的关系的示意图。

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。

某时刻电池的剩余放电容量是指从这一时刻开始直到端电压达到放电截止电压的过程中，电池累计放出的电荷量。由于放电过程中无法知道电池的放电截止时刻，剩余放电容量只能通过估计电池状态的方式进行预测。

本发明实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法，包括以下步骤：获取电池当前测量值，根据测量值选取符合预设条件的时间段作为辨识段；计算当前辨识段的电池端电压变化和对应的电流差累积电量，得到当前的动态电压变化率；通过动态电压变化率与标定所得到的动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系确定电池当前的剩余放电容量。

在进行电池剩余放电容量估计前，先对电池进行台架测试以获得标定用的动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系。电池台架测试所用的两阶段阶跃电流工况的示意图如图1所示。台架测试中采用一类特殊的动态工况，即两阶段阶跃电流进行动态电压变化率-剩余放电容量关系的标定。两阶段阶跃工况的一个循环单位中，电流较小的一段为低电流段，其电流记为标定低电流I_l.cal，持续时间为t_l.cal。电流较大的一段为高电流段，其电流记为标定高电流I_h.cal，持续时间为t_h.cal。以一个低电流段和一个高电流段为一个循环单位，对电池进行放电，直至放电截止电压U_t.end。在每个高电流段，以进入高电流段后t₀时刻为起点，以进入高电流段后t_h.cal为终点，计算起止时刻对应的端电压变化量ΔU_t.dyn.cal=U_t0-U_th.cal。由于动态电流中欧姆内阻会导致电压变化，此处称为欧姆压降。欧姆压降在电流变化后较短时间就趋于稳定，之后的变化可以忽略，这一欧姆内阻压降趋于稳定时刻即t₀，t₀小于高电流段的持续时间t_h.cal。同时计算起止时刻之间高低电流差ΔI_dyn.cal对应的累积电量ΔQ_cum.dyn.cal，满足ΔQ_cum.dyn.cal=∫ΔI_dyn.cal*t，其中标定的高低电流差ΔI_dyn.cal=I_h.cal-I_l.cal。由放电过程不同高电流段的电流差累积电量ΔQ_cum.dyn.cal以及这一累积电量对应的端电压变化量ΔU_t.dyn.cal，计算对应时刻的电池动态电压变化率计算不同时刻的剩余放电容量时，从电池放电截止时刻起进行电量反向积分，得到对应的电池剩余放电容量Q_remain.cal。以此次标定的动态电压变化率与剩余放电容量Q_remain.cal的关系作为电池剩余容量估计的基础。

图2是根据本发明一个实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法流程图。结合图2具体描述本发明实施例中以锂离子电池为例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量估计方法。

步骤S101：获取电池当前测量值，根据测量值选取符合预设条件的时间段作为辨识段。

具体地，在动态电流工况下，测量电池当前的电压值U_t、电流值I和时间t。选取电流阶跃变大的一段时间作为高电流段，对应电流为高电流I_h，持续时间为t_h，此高电流段阶跃之前的低电流值为I_l。并选取合适的时间段作为辨识段，辨识段选取电流变大后的一段时间，即高电流段。

步骤S102：计算当前辨识段的电池端电压变化和对应的电流差累积电量，得到当前的动态电压变化率。

具体地，以进入高电流段后t₀时刻为起点，以进入高电流段后t_h为终点，计算起止时刻对应的端电压变化量ΔU_t.dyn=U_t0-U_th，即当前辨识段开始后t₀对应的端电压和辨识段开始后t_h对应的端电压的差值，其中，t₀对应欧姆内阻压降的稳定时刻，与台架测试时的t₀取值相同。同时计算起止时刻之间高低电流差ΔI_dyn对应的累积电量ΔQ_cum.dyn，当前辨识段对应的电流差累积电量变化通过对一定时间段内的高低电流差的积分获得，即ΔQ_cum.dyn=∫ΔI_dyn*t，其中，高低电流差ΔI_dyn=I_h-I_l。由电流差累积电量ΔQ_cum.dyn和对应的端电压变化量ΔU_t.dyn，实时计算这一高电流段对应时刻的电池动态电压变化率并检测其数值变化。

在具体的实现过程中，电池在动态电流下的电压变化在不同的放电阶段有较大的差异，如图3所示的左右两图分别是放电初段和放电末段时高电流段对应的电压响应（左侧图的纵坐标分度小于右侧图，左右两图的横坐标分度相同）。在放电初段，电池的电压变化主要存在于电流变化后初段，即欧姆压降稳定时间长度t₀内，从t₀到高电流段持续时间t_h之间的电压变化ΔU_t.dyn并不大。在电压接近放电截止电压U_t.end的放电末段，电池在t₀到高电流段持续时间t_h之间的电压下降ΔU_t.dyn有较大增长。因此电池所处的状态和剩余放电容量可以通过高电流段欧姆压降稳定后的电压下降ΔU_t.dyn以及与其相关的动态电压变化率来体现。

步骤S103：通过动态电压变化率与标定所得到的动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系确定电池当前的剩余放电容量。

具体地，电池动态放电过程中的动态电压变化率和剩余放电容量有一定的对应关系。在电池放电末段，随着放电过程的进行，电池的动态电压变化率逐渐增大，对应的剩余放电容量Q_remain.cal逐渐减少。电池放电结束，即剩余放电容量为0的点对应的电压变化率记为但动态电流的高电流I_h不同时，动态电压变化率和剩余放电容量Q_remain.cal的对应关系略有差异，使得只在一组高电流下进行标定时，估计出的剩余放电容量略有误差。因此，在本发明的实施例中，假设三组不同的标定工况中高电流为I_h1、I_h2和I_h3，其中，I_h1小于I_h2，I_h2小于I_h3。三组电流下的动态电压变化率与剩余放电容量Q_remain.cal的关系如图4中三组曲线所示。三组电流下剩余放电容量为0的点对应的电压变化率分别为和假设当前时刻为t，计算得到的动态电压变化率为则通过三组动态电压变化率和剩余放电容量的关系曲线查得的剩余放电容量分别为Q_remain.1(t)、Q_remain.2(t)和Q_remain.3(t)，可见三者略有差异。因此为了提高方法在不同动态工况下的估计精度，可以进行几次不同高电流的阶跃工况的标定。然而由于不同高电流下的动态电压变化率和剩余放电容量Q_remain.cal的对应关系相差不大，实际应用中为了减小标定量，可以只进行少量的台架测试，并提供大概的电池剩余容量估计结果。特别地，台架测试的标定次数和标定所用的标定电流数值根据剩余放电容量的估计精度需求确定。

继而将实时计算得到的动态电压变化率与标定得到的动态电压变化率-剩余放电容量的对应关系进行对比，再通过查表的方式便可得到当前的剩余放电容量值Q_remain，避免了传统方法的模型计算，适合于在实时系统上应用。

根据本发明实施例的适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法，在不同的动态电流下，动态电压变化率相同时对应的剩余放电容量较为相似，因此可以在较少标定量的基础上，在动态电流下提供剩余容量估计结果。而在高电流相差不大的情况下，动态电压变化率相同时对应的剩余放电容量基本相同，因此本发明实施例的方法可以通过几组不同高电流的台架测试，无需复杂的电池模型估计电池当前的荷电状态SOC，只需简单的加减乘除计算和时间较短的电流差积分，便可在动态电流下提供较准确的剩余容量估计结果。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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 (6)

1.一种适用于动态电流工况的电池剩余放电容量的估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电池当前测量值，根据所述测量值选取符合预设条件的时间段作为辨识段；

计算当前所述辨识段的电池端电压变化和对应的电流差累积电量，得到当前的动态电压变化率，所述动态电压变化率为电池端电压变化量与所述电流差累积电量的比值；

通过所述动态电压变化率与标定所得到的所述动态电压变化率和剩余放电容量的对应关系确定电池当前的剩余放电容量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池当前测量值包括电池的端电压、电流以及时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当前辨识段对应的电流差累积电量变化通过对一定时间段内的高低电流差的积分获得。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述端电压变化量是所述当前辨识段开始后t0时刻对应的端电压和所述辨识段开始后th时刻对应的端电压的差值，其中，h>0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标定用的所述动态电压变化率和所述剩余放电容量的对应关系通过对所述电池进行台架测试得到。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述台架测试的标定次数和标定所用的标定电流数值根据所述剩余放电容量的估计精度需求确定。