CN103969587B - 一种混合动力车用动力电池soc估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，首先通过实验方法，得到电池在不同温度、电流、SOC值下的充放电能力数据，通过分析，拟合数据，得到电池的充放电能力系数，然后在电池实际运行过程中，通过BMS采样数据，计算Ah积分，同时判断是否满足SOC修正条件，如果满足，则进行SOC修正，将当前Ah积分得到的SOC值按步长修正到通过修正条件计算的SOC值；如果修正不满足，则不进行SOC修正。本发明降低了Ah积分的累积误差，避免了频繁修正的同时，可以得到更加精确的SOC值，适用于所有的混合动力汽车电池控制系统。

Description

一种混合动力车用动力电池SOC估算方法

技术领域

本发明涉及一种充电电池控制方法，尤其是涉及一种基于CCV修正的混合动力车用动力电池SOC估算方法。

背景技术

在新能源汽车发展过程中，作为由传统燃油汽车向纯电动汽车的过渡产品，混合动力汽车的发展具有举足轻重的战略意义。动力电池作为混合动力汽车的关键储能元件，在使用过程中的表现具有高度非线性，使得SOC的准确估计更加困难。SOC（state of charge，荷电状态）作为电池特性最主要的参数，是动力电池管理系统研究的重点和难点。只有准确的估算电池的SOC，才能使得电池SOC始终维持在合理的目标范围内。避免了由于电池过充或过放对电池造成的损害，提高了电池的使用寿命，从而降低了混合动力汽车的运行成本。

目前的SOC估算算法通常为Ah（安时，电流和时间的乘积）积分结合CCV(闭路电压)或OCV（开路电压）修正的方式，在充电电流很小并维持一定时间或者放电电流很小并维持一定时间后，通过计算或者查表得到当前状态下电池的理论SOC值，然后对比当前SOC值和理论SOC值，决定是否需要对电池SOC值进行修正。如果当前SOC值和理论SOC值的差值超出一定范围，则进行修正，将当前电池SOC值修正到理论电池SOC值，从而完成SOC的判断、修正过程。此方案存在如下问题：

1、SOC修正会过于频繁，修正结果存在较大误差

在混合动力汽车运行过程中，包括纯电动、混合动力等多种运行工况，仅简单地以当前时间段统计的电流大小和持续时间作为SOC修正的条件，则在实际运行过程中会经常触发修正条件。电池的极化效应是影响SOC修正的难点。电池在瞬态变化的电流工况下运行时，由于在一定程度上受到电池极化效应的影响，并且极化效应的影响程度无法计算，从而成为SOC修正的难点。电池受到极化效应的影响后，电池的电压特性会发生变化，电压值会比正常值偏高或者偏低。此时，如果修正条件满足，很容易导致SOC进行修正。由于电压的偏高或者偏低会造成SOC修正偏离实际SOC值，造成误修正。

2、Ah积分的累积误差大

电池在不同电流、温度、SOC下的充放电效率不同。尤其表现在电池过充阶段，大量的能量转化为电池的热量。如果不考虑充放电效率，则Ah积分过程中会存在较大的误差，并且随着时间的进行，累积误差会越来越大。

3、容量衰减造成SOC计算误差大

随着电池的持续使用，电池的容量会发生衰减。容量的衰减会给SOC带来较大的计算误差。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的修正过于频繁以及充放电效率、容量衰减带来较大误差等的技术问题，提供一种只在必要时进行修正、考虑充放电效率和容量衰减带来的误差、精度高的混合动力车用动力电池SOC估算方法。

本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：1.一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，包括以下步骤：

步骤一、电池管理系统运行中，通过安时积分法计算当前的SOC值，记为SOC_now；通过电流传感器采集电池当前电流、通过电压传感器采集电池当前电压、通过温度传感器采集电池温度，然后查表获得当前的电流、电压和温度所对应的放电效率η；通过查表获得当前累计使用Ah下电池容量的衰减因子λ；

步骤二、计算电池当前时刻的修正后SOC值，计算公式如下：

SOC_i＝SOC_i-1-ΔSOC （1）

$\mathrm{\ΔSOC}=\frac{\mathrm{I\Δt\η}}{(1-\mathrm{\λ})\mathrm{SO}{C}_{\mathrm{std}}}---\left(2\right)$

式中，SOC_i为当前时刻电池的修正后SOC值；SOC_i-1为上一个时刻电池的修正后SOC值；ΔSOC为单位时间内电池的SOC修正值变化量，Δt为单位采样时间间隔；I为当前电流，定义电流正方向为放电方向，负方向为充电方向，即I为正表示电池放电，I为负表示电池充电；SOC_std表示电池的额定容量；SOC_std的单位是安时；

步骤三、更新电流的最大值或最小值：如果电池为放电状态，则更新电流的最大值I_max；如果电池为充电状态，则更新电流的最小值I_min；

步骤四、如果本次采样电流和上次采样电流方向相反，则令n=1，即重新计数，并且将新的采样电流值赋给平均电流值，同时将flag置1；如果本次采样电流值和上次采样电流值为相同方向，则更新平均电流，更新平均电流具体操作为：I_avg=(I_avg’×n+I)/(n+1),然后n的值增加1，I_avg为更新后的平均电流，I_avg’为原平均电流，n为影响平均电流的采样次数，flag为标记位；

步骤五、如果本次采样电流值和平均电流的差值小于ΔI，则将flag置0；如果本次采样电流值和平均电流的差值大于或等于ΔI，则将flag置1；

步骤六、如果flag=1，且电池处于放电情况下，且放电电流的最大值I_max和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且充电电流的最小值I_min大于I_chg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如果flag=1，且电池处于充电情况下，且充电电流的最小值I_min和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且放电电流最大I_max小于I_dchg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如不满足上述两个条件中的任意一项，则跳转至步骤一；ΔI₁、I_chg、C_nst、SOC_d和I_dchg全部为预设值。

作为优选，步骤三中，更新电流的最大值或最小值的具体操作是：如果电池为放电状态，将当前电流和存储的电流最大值作比较，选择较大值作为新的电流最大值I_max；如果电池为充电状态，将当前电流和存储的电流最小值作比较，选择较小值作为新的电流最小值I_min；系统初始化时，电流最大值和电流最小值都为0。

作为优选，步骤五中，如果是系统运行初始化后进行的第一次采样，则平均电流等于第一次采样电流值，flag为0。

作为优选，ΔI取值为2A～3A；ΔI₁取值为0A～3A；I_chg取值为-12A～-6A；I_dchg取值为为6A～12A；C_nst的取值在1min～5min之间；SOC_d的取值为5%～10%。

作为优选，所述将SOC_now按步长修正到SOC_i具体为，每秒修正SOC_now和SOC_i的差值的5%～10%。

本方案中，不同电池温度、电流、电压下对应的SOC值、不同累计Ah下电池容量的衰减因子以及不同电池温度、SOC下电池的充放电效率都是通过大量的实验得到的。

建立数据库的过程为，在动力电池测试台架上，通过双通道电池充放电设备对两套规格及参数相同的新电池同步进行充放电实验。记录电池SOC值、电流、温度及累计Ah数据。通过对实验数据的整理和分析，得到不同电池温度、电流、电压下对应的SOC值、不同电池温度、SOC下电池的充放电效率η和不同累计Ah下电池容量的衰减因子λ,λ＝(SOC_red·Ah_use/Ah_pre)/SOC_std，SOC_red为电池累计Ah数达到预期使用寿命时电池容量的衰减量；Ah_use为当前累计使用Ah数；Ah_pre为电池预期使用寿命；SOC_std为电池额定容量。然后将不同电池温度、电流、电压下对应的SOC值和不同电池温度、SOC下电池的充放电效率η、不同累计Ah下电池容量的衰减因子λ数据存储在电池管理系统BMS中。

在电池进行大电流充放电时，电池的电压会偏高或者偏低，并且这种影响会持续一段时间。由于极化效应的影响程度无法计算。因此在修正时，不仅考虑到电流的波动范围要小，而且还要避免在前一个充放电周期内大电流的出现，否则不进行修正。这一判断条件，尽可能避免了误修正的情况和频繁修正的情况。

Ah积分过程中考虑了充放电效率，从而在一定程度上降低了Ah积分的累积误差。SOC计算过程中考虑了电池的老化问题，通过衰减因子进行修正补偿，从而在电池老化过程中依然可以保证SOC修正具有较高的精确性。

在判断修正条件时，要保证电流的波动始终维持在平均电流附近，并维持一定时间。这样可以尽量降低同方向电流波动造成的电压值波动问题，尽可能保证电池CCV值和温度、电流、SOC值之间的特性关系。

在判断修正条件时，考虑了大的充放电电流带来的极化效应对电池电压的影响及其造成的误修正问题。如果平均电流为充电电流，则充电电流和I_min的差值要在一定范围内，同时考虑到大电流放电带来的极化效应的影响，会造成电压偏低，所以I_max不能过大；反之，如果平均电流为放电电流，则放电电流和I_max的差值要在一定范围内，同时考虑到大电流充电带来的极化效应的影响，会造成电压偏高，所以I_min不能过小。

本发明带来的实质性效果是，本方法以Ah积分为主，并结合动态CCV进行修正，在Ah积分过程中考虑了不同温度、SOC下的充放电效率问题，降低了Ah积分的累积误差；根据电池累计Ah下电池的老化程度，利用了衰减因子对SOC进行修正补偿；在电池运行过程中，使用了动态CCV修正，修正时考虑了极化效应对电池CCV的影响，避免了SOC频繁修正的同时，提高了修正的准确性；本方法提高了SOC估算的准确性，避免了电池在使用过程中出现的过充或者过放的问题，提高了系统运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明的一种流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤一、电池管理系统运行中，通过安时积分法计算当前的SOC值，记为SOC_now；通过电流传感器采集电池当前电流、通过电压传感器采集电池当前电压、通过温度传感器采集电池温度，然后查表获得当前的电流、电压和温度所对应的放电效率η；通过查表获得当前累计使用Ah下电池容量的衰减因子λ；

步骤二、计算电池当前时刻的修正后SOC值，计算公式如下：

SOC_i＝SOC_i-1-ΔSOC （1）

$\mathrm{\ΔSOC}=\frac{\mathrm{I\Δt\η}}{(1-\mathrm{\λ})\mathrm{SO}{C}_{\mathrm{std}}}---\left(2\right)$

式中，SOC_i为当前时刻电池的修正后SOC值；SOC_i-1为上一个时刻电池的修正后SOC值；ΔSOC为单位时间内电池的SOC修正值变化量，Δt为单位采样时间间隔；I为当前电流，定义电流正方向为放电方向，负方向为充电方向，即I为正表示电池放电，I为负表示电池充电；SOC_std表示电池的额定容量；SOC_std的单位是安时；

步骤三、更新电流的最大值或最小值：如果电池为放电状态，则更新电流的最大值I_max；如果电池为充电状态，则更新电流的最小值I_min；

步骤四、如果本次采样电流和上次采样电流方向相反，则令n=1，即重新计数，并且将新的采样电流值赋给平均电流值，同时将flag置1；如果本次采样电流值和上次采样电流值为相同方向，则更新平均电流，更新平均电流具体操作为：I_avg=(I_avg’×n+I)/(n+1),然后n的值增加1，I_avg为更新后的平均电流，I_avg’为原平均电流，n为影响平均电流的采样次数，flag为标记位；

步骤五、如果本次采样电流值和平均电流的差值小于ΔI，则将flag置0；如果本次采样电流值和平均电流的差值大于或等于ΔI，则将flag置1；

步骤六、如果flag=1，且电池处于放电情况下，且放电电流的最大值I_max和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且充电电流的最小值I_min大于I_chg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如果flag=1，且电池处于充电情况下，且充电电流的最小值I_min和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且放电电流最大I_max小于I_dchg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如不满足上述两个条件中的任意一项，则跳转至步骤一；ΔI₁、I_chg、C_nst、SOC_d和I_dchg全部为预设值。

步骤三中，更新电流的最大值或最小值的具体操作是：如果电池为放电状态，将当前电流和存储的电流最大值作比较，选择较大值作为新的电流最大值I_max；如果电池为充电状态，将当前电流和存储的电流最小值作比较，选择较小值作为新的电流最小值I_min；系统初始化时，电流最大值和电流最小值都为0。

步骤五中，如果是系统运行初始化后进行的第一次采样，则平均电流等于第一次采样电流值，flag为0。

ΔI取值为2A～3A；ΔI₁取值为0A～3A；I_chg取值为-12A～-6A；I_dchg取值为为6A～12A；C_nst的取值在1min～5min之间；SOC_d的取值为5%～10%。

将SOC_now按步长修正到SOC_i具体为，每秒修正SOC_now和SOC_i的差值的5%～10%。

系统运行前，需要先建立数据库，具体过程为：在动力电池测试台架上，通过双通道电池充放电设备对两套规格及参数相同的新电池同步进行充放电实验。记录电池SOC值、电流、温度及累计Ah数据。通过对实验数据的整理和分析，得到不同电池温度、电流、电压下对应的SOC值、不同电池温度、SOC下电池的充放电效率η和不同累计Ah下电池容量的衰减因子λ,λ＝(SOC_red·Ah_use/Ah_pre)/SOC_std，SOC_red为电池累计Ah数达到预期使用寿命时电池容量的衰减量；Ah_use为当前累计使用Ah数；Ah_pre为电池预期使用寿命；SOC_std为电池额定容量。然后将不同电池温度、电流、电压下对应的SOC值和不同电池温度、SOC下电池的充放电效率η、不同累计Ah下电池容量的衰减因子λ数据存储在电池管理系统BMS中。

本方案的优点如下：

1、结合Ah积分算法和电池CCV修正，对动力电池SOC进行估算。保证计算的SOC能精确地反映动力电池的荷电状态，避免了在混合动力模式工况下动力电池的过充和过放行为。

2、Ah积分算法中，考虑到了不同SOC、温度和电流下的充放电能力，从而提高了Ah积分的计算精度，降低了Ah积分的累积误差

3、根据电池的老化带来的电池电压平台升高、电池容量发生衰减的问题，提出了衰减因子并利用其对SOC进行修正补偿，从而避免了电池使用后期SOC修正受电池老化影响的问题。

4、依据大量的实验数据，制定4维表格。表格考虑了电池温度、电流、电压、SOC之间的关系。通过查表，插值的方式对动力电池进行动态CCV修正，进一步提高了SOC修正的精确性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了Ah、放电效率、衰减因子等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、电池管理系统运行中，通过安时积分法计算当前的SOC值，记为SOC_now；通过电流传感器采集电池当前电流、通过电压传感器采集电池当前电压、通过温度传感器采集电池温度，然后查表获得当前的电流、电压和温度所对应的充放电效率η；通过查表获得当前累计使用Ah下电池容量的衰减因子λ；

步骤二、计算电池当前时刻的修正后SOC值，计算公式如下：

SOC_i＝SOC_i-1-ΔSOC (1)

$\mathrm{\Δ}SOC=\frac{I\mathrm{\Δ}t\mathrm{\η}}{(1-\mathrm{\λ}){\mathrm{SOC}}_{std}}---\left(2\right)$

式中，SOC_i为当前时刻电池的修正后SOC值；SOC_i-1为上一个时刻电池的修正后SOC值；ΔSOC为单位时间内电池的SOC修正值变化量，Δt为单位采样时间间隔，η为充放电效率；I为当前电流，定义电流正方向为放电方向，负方向为充电方向，即I为正表示电池放电，I为负表示电池充电；SOC_std表示电池的额定容量；

步骤三、更新电流的最大值或最小值：如果电池为放电状态，则更新放电电流的最大值I_max；如果电池为充电状态，则更新充电电流的最小值I_min；

步骤四、如果本次采样电流和上次采样电流方向相反，则令n＝1，即重新计数，并且将新的采样电流值赋给平均电流值，同时将flag置1；如果本次采样电流值和上次采样电流值为相同方向，则更新平均电流，更新平均电流具体操作为：I_avg＝(I_avg’×n+I)/(n+1),然后n的值增加1，I_avg为更新后的平均电流，I_avg’为原平均电流，n为影响平均电流的采样次数，flag为标记位；

步骤五、如果本次采样电流值和平均电流的差值小于ΔI，则将flag置0；如果本次采样电流值和平均电流的差值大于或等于ΔI，则将flag置1；

步骤六、如果flag＝1，且电池处于放电情况下，且放电电流的最大值I_max和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且充电电流的最小值I_min大于I_chg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如果flag＝1，且电池处于充电情况下，且充电电流的最小值I_min和平均电流I_avg差值小于ΔI₁，且放电电流的最大值I_max小于I_dchg，且n大于C_nst，且SOC_now和SOC_i的差值大于SOC_d，则将SOC_now按步长修正到SOC_i；如不满足上述两个条件中的任意一项，则跳转至步骤一；ΔI₁、I_chg、C_nst、SOC_d和I_dchg全部为预设值。

2.根据权利要求1所述的一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，其特征在于，步骤三中，更新电流的最大值或最小值的具体操作是：如果电池为放电状态，将当前电流和存储的放电电流的最大值作比较，选择较大值作为新的放电电流的最大值I_max；如果电池为充电状态，将当前电流和存储的充电电流的最小值作比较，选择较小值作为新的充电电流的最小值I_min；系统初始化时，放电电流的最大值和充电电流的最小值都为0。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，其特征在于，步骤五中，如果是系统运行初始化后进行的第一次采样，则平均电流等于第一次采样电流值，flag为0。

4.根据权利要求3所述的一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，其特征在于，ΔI取值为2A～3A；ΔI₁取值为0A～3A；I_chg取值为-12A～-6A；I_dchg取值为6A～12A；C_nst的取值在1min～5min之间；SOC_d的取值为5％～10％。

5.根据权利要求1所述的一种混合动力车用动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述将SOC_now按步长修正到SOC_i具体为每秒修正SOC_now和SOC_i的差值的5％～10％。