CN103969596B - 船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正装置及方法，由SOC计算环节基于安时计量法对各组电池的荷电状态进行计算，利用SOC误差补偿环节基于交流内阻法对SOC计算环节测得的结果进行补偿校正，所述SOC误差补偿环节每隔一段时间工作；所述SOC误差补偿环节工作时，向外输出补偿后的结果作为SOC输出信号；所述SOC误差补偿环节不工作时，向外输出SOC计算环节以安时计量法实时测得的各组电池的荷电状态作为SOC输出信号。本发明结构简单，运算速度快，矫正精确度高，实时性强。适用于对电池功率需求较大，电压较高的船用锂电池组。

Description

船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正装置及方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正方法。

背景技术

随着世界范围内对节能环保的要求不断提高，以锂离子电池作为主要动力能源的电力推进内河船舶应运而生。相对于电动汽车，电力推进内河船舶的动力电池容量大，电池组数量多，续航时间长，在正常航行推进工况下，要求能够实时正确检测电池的剩余电量，以控制船舶的续航里程和航速。所以船用锂离子电池的剩余电量的测量与计算装置应考虑多电池组整体的测量方法。在现有SOC(State of charge荷电状态)测量方法中，安时计量法的误差会随着用电时间增加而累积，开路电压法和内阻法数学关系较复杂不适合多组电池实时在线测量，智能算法要求精确数学模型及繁琐的智能运算。

中国发明专利200510094755.3公开了一种修正安时计量法，但其中用于修正的电压值在线估计时会产生波动，造成修正误差。发明专利201110180561.0公开了一种将改进神经网络法并用DSP实现，这种方法计算繁琐且DSP相对成本较高。发明专利201210013565.4公开了根据初始与终止放电时SOC急剧变化的曲线来修正安时计量法产生的误差，但该方法不能在电池处于放电中期时校正。发明专利201210576793.2公开了使用开路电压，电流，温度三维表来估计SOC的方法用于电动车辆，但是其只能在车辆停止时测量，而在船舶行驶中无法停止航行，所以并不适合船用。

发明内容

基于以上现状，本发明提供了一种船用锂离子动力电池荷电状态的计算与校正装置及方法，以安时计量法为主体，交流内阻法校正的方法来测量电池荷电状态，结构简单，运算速度快，矫正精确度高，实时性强。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种电池荷电状态的计算与校正方法，其包含：

A、通过交流内阻测量环节采集N组电池的交流内阻Z_f1～Z_fn并发送至SOC误差补偿环节；

B、所述SOC误差补偿环节中，求和器计算对N组电池交流内阻阻抗的模的求和结果Z_f并发送至老化及误差补偿环节；

C、所述老化及误差补偿环节将求和结果Z_f，代入到预先通过实验获得的电池交流内阻与补偿系数的关系式中来计算得到补偿系数k；

D、内阻法计算环节将交流内阻测量环节向其发送的交流内阻Z_f1～Z_fn，代入到预先通过实验获得的电池交流内阻与电池荷电状态的关系式中，运用交流内阻法求取各组电池的荷电状态；

E、所述内阻法计算环节还根据老化及误差补偿环节向其发送的补偿系数k对以交流内阻法测得的各组电池的荷电状态进行校正，得到各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n并发送至电量均衡器；

F、所述电量均衡器使所有电池组具有相同的剩余电量，并将该剩余电量作为初始荷电状态SOC₀输出至SOC计算环节；

G、所述SOC计算环节根据与电池组及负载串联的电流传感器所测得的电流值I和所述初始荷电状态SOC₀，运用安时计量法求得各组电池实时的荷电状态SOC_i并发送至所述SOC误差补偿环节；

H、所述SOC误差补偿环节的老化及误差补偿环节，根据所述补偿系数k对以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i进行补偿并将结果SOC_f向外输出。

优选地，在步骤E中，通过以下公式进行校正：

${\mathrm{SOC}}_Z={\mathrm{kSOC}}_0^{*}$

其中，依次用以交流内阻法测得的各组电池的荷电状态代入后，相应求得的SOC_Z即作为各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n输出。

优选地，在步骤H中，通过以下公式进行补偿：

${\mathrm{SOC}}^{*}=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(I+\mathrm{\ΔI})\mathrm{dt})=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔIdt}-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Idt})$

其中，SOC₀用以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i代入，求得的SOC^*即为补偿后的结果SOC_f输出。

优选地，对于使用前充满的各组电池，初始时所述SOC计算环节发送至所述SOC误差补偿环节的SOC_i为100％，并且所述SOC误差补偿环节发送至所述SOC计算环节的SOC₀为100％。

优选地，所述SOC误差补偿环节每隔一段时间工作；所述SOC误差补偿环节工作时，最终向外输出补偿后的结果SOC_f作为SOC输出信号；所述SOC误差补偿环节不工作时，最终向外输出SOC计算环节以安时计量法实时测得的各组电池的荷电状态作为SOC输出信号。

本发明的另一个技术方案是提供一种电池荷电状态的计算与校正装置，其包含：

一个基于安时计量法对各组电池的荷电状态进行计算的SOC计算环节；

一个基于交流内阻法对SOC计算环节测得的结果进行补偿的SOC误差补偿环节。

优选地，所述SOC误差补偿环节每隔一段时间工作；所述SOC误差补偿环节工作时，计算与校正装置向外输出补偿后的结果SOC_f作为SOC输出信号；所述SOC误差补偿环节不工作时，计算与校正装置向外输出SOC计算环节以安时计量法实时测得的各组电池的荷电状态作为SOC输出信号。

优选地，所述装置还包含：

交流内阻测量环节，采集N组电池的交流内阻Z_f1～Z_fn并发送至SOC误差补偿环节，以使所述SOC误差补偿环节能够根据交流内阻Z_f1～Z_fn求得补偿系数k进而求得初始荷电状态SOC₀；

电流传感器，与电池组及负载串联以采集电流值I并发送至所述SOC计算环节，以使所述SOC计算环节能够根据电流值I和所述初始荷电状态SOC₀，求得各组电池实时的荷电状态SOC_i并发送至所述SOC误差补偿环节。

优选地，所述SOC误差补偿环节还包含：

求和器，计算交流内阻Z_f1～Z_fn阻抗的模的求和结果Z_f；

老化及误差补偿环节，根据求和结果Z_f计算补偿系数k，进而根据补偿系数k对以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i进行补偿来求取SOC_f；

内阻法计算环节，根据交流内阻Z_f1～Z_fn，运用交流内阻法求取各组电池的荷电状态，并通过补偿系数k进行校正，得到各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n；

电量均衡器，使所有电池组具有相同的剩余电量，并将该剩余电量作为初始荷电状态SOC₀输出。

与现有技术相比，本发明提供了一种电力推进内河船舶用多组电池总体SOC的在线计算与校正装置及方法，能够在不影响电池正常供电的前提下对多组锂电池进行实时在线估计，主要使用安时计量法，其运算速度快、实时性强，用交流内阻法修正安时计量法因为电池老化、温度与电流测量造成的误差。整个装置结构简单，不依赖电池内部复杂的数学模型，运算速度快，矫正精确度高，实时性强。适用于对电池功率需求较大，电压较高的船用锂电池组。

附图说明

图1是本发明中电池荷电状态的计算与校正装置的总体结构图；

图2是本发明中SOC误差补偿环节的内部结构示意图。

具体实施方式

本发明中以安时计量法为主体，交流内阻法校正的方法来测量电池SOC。

安时计量法是一种快速估计锂电池荷电状态的方法，通过测量电池电流来得出一段时间所用的电量从而得出电池荷电状态SOC，电池荷电状态SOC为：

$\mathrm{SOC}={\mathrm{SOC}}_0-\frac{1}{C_N}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ηIdt}$

其中，SOC₀为初始荷电状态，C_N为电池可用电量，I为电池电流，η为库伦效率。

电池可用电量受温度与老化程度影响，即

C_N＝f(T,ε) (1)

其中T为电池温度，ε为电池老化程度，其会使安时计量法产生误差。而库伦效率受温度与放电电流的影响，因为船舶电流变化不剧烈，可忽略放电电流影响，即：

η＝f(T) (2)

也会使安时计量法产生误差。在实际测量中，安时计量法的积分被分为若干相等小时间段的累加，使用时间段中的平均电流，则每段会产生误差，累加后产生误差累积，所以电流测量会对结果造成累积误差，即真实值应为：

${\mathrm{SOC}}^{*}={\mathrm{SOC}}_0-k_q\frac{\mathrm{\η}}{C_N}\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(I+\mathrm{\ΔI})\mathrm{dt}$

其中k_q为系数。

电池的交流内阻与电池老化率和温度有关，即：

Z＝f(T,ε)

又由公式(1)和公式(2)，可以得到关系式：

Z＝f(C_N,η)

为简便起见，通过实验与相关资料取得电池交流内阻与补偿系数的关系曲线：

k_q＝f(Z)

这样可以实现用交流内阻法校正安时计量法中的可用电量与库伦效率。

则真实电荷状态值可进一步写成：

${\mathrm{SOC}}^{*}=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(I+\mathrm{\ΔI})\mathrm{dt})=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔIdt}-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Idt})---\left(3\right)$

其中， $k=k_q\frac{\mathrm{\η}}{C_N}=f^{*}\left(Z\right)$ 为补偿系数。

设 ${\mathrm{SOC}}_0^{*}=\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\ΔIdt},$ 则 ${\mathrm{SOC}}^{*}={\mathrm{kSOC}}_0^{*}-k\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{Idt};$

通过实验可知电池交流内阻与电池SOC存在一定关系，即：

SOC_Z＝f(Z)

则为了消除安时计量法因电流造成的累积误差，每隔一段时间采用交流内阻法测得的SOC替换原安时计量法中的初始荷电状态SOC₀，即：

${\mathrm{SOC}}_Z={\mathrm{kSOC}}_0^{*}---\left(4\right)$

这样便可以通过只测内阻来消除安时计量法中的误差。

如图1所示，为本发明所述电池荷电状态的计算与校正装置的总体结构图，其中包含有交流内阻测量环节，SOC计算环节，SOC误差补偿环节和一个与电池组及负载串联的电流传感器。

如图2所示，为所述SOC误差补偿环节的内部结构示意图，其中包含：老化及温度误差补偿环节，内阻法计算环节，电量均衡器和求和器。

本发明所述测量及校正方法的过程如下：

开始测量时，交流内阻测量环节测得所有电池交流内阻Z_f1～Z_fn，将信号送入SOC误差补偿环节，求和器对N组电池交流内阻阻抗的模求和，忽略阻抗角，将求和得到的值Z_f送入老化及误差补偿环节；初始时SOC计算环节向老化及误差补偿环节输出的信号SOC_i为100％(假设使用电池前电池充满)。

所述老化及误差补偿环节将信号SOC₀送入SOC计算环节(初始时SOC₀为100％)，该SOC计算环节通过电流传感器所测得的电流值I，运用安时计量法实时测量电池组荷电状态，并将测量结果送入SOC误差补偿环节。

老化及温度误差补偿环节计算得到补偿系数k，并根据式(3)对由于电池的老化及温度因素对安时计量法造成的误差进行补偿。同时还将补偿系数k用于交流内阻法计算，以矫正(4)式中温度及老化对内阻法求取初始荷电状态SOC₀时的影响。

内阻法计算环节通过各电池组的交流内阻测量值Z_f1～Z_fn来求取各电阻的荷电状态，在老化及温度校正后送入电量均衡器，因为每组电池个性原因其SOC值不同，所以运用电量均衡器使所有电池组具有相同剩余电量即电荷状态SOC，以便将该数值统一作为初始荷电状态SOC₀，并将该数值输入到SOC计算环节。

为了保证系统实时性与减小损耗节约资源，SOC误差补偿环节每隔一段时间工作，在不工作的时候装置输出的测量值SOC_f即为SOC计算环节用安时计量法得到的计算结果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种电池荷电状态的计算与校正方法，其特征在于，包含：

A、通过交流内阻测量环节采集N组电池的交流内阻Z_f1～Z_fn并发送至SOC误差补偿环节；

B、所述SOC误差补偿环节中，求和器计算对N组电池交流内阻阻抗的模的求和结果Z_f并发送至老化及误差补偿环节；

C、所述老化及误差补偿环节将求和结果Z_f，代入到预先通过实验获得的电池交流内阻与补偿系数的关系式中来计算得到补偿系数k；

D、内阻法计算环节将交流内阻测量环节向其发送的交流内阻Z_f1～Z_fn，代入到预先通过实验获得的电池交流内阻与电池荷电状态的关系式中，运用交流内阻法求取各组电池的荷电状态；

E、所述内阻法计算环节还根据老化及误差补偿环节向其发送的补偿系数k对以交流内阻法测得的各组电池的荷电状态进行校正，得到各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n并发送至电量均衡器；

F、所述电量均衡器使所有电池组具有相同的剩余电量，并将该剩余电量作为初始荷电状态SOC₀输出至SOC计算环节；

G、所述SOC计算环节根据与电池组及负载串联的电流传感器所测得的电流值I和所述初始荷电状态SOC₀，运用安时计量法求得各组电池的荷电状态SOC_i并发送至所述SOC误差补偿环节；

H、所述SOC误差补偿环节的老化及误差补偿环节，根据所述补偿系数k对以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i进行补偿并将结果SOC_f向外输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤E中，通过以下公式进行校正：

${\mathrm{SOC}}_Z={\mathrm{kSOC}}_0^{*}$

其中，依次用以交流内阻法测得的各组电池的荷电状态代入后，相应求得的SOC_Z即作为各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n输出。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，

在步骤H中，通过以下公式进行补偿：

${\mathrm{SOC}}^{*}=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}(I+\mathrm{\Δ}I\left)dt\right)=k(\frac{1}{k}{\mathrm{SOC}}_0-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\mathrm{\Δ}Idt-\underset{0}{\overset{t}{\∫}}Idt)$

其中，SOC₀用以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i代入，求得的SOC^*即为补偿后的结果SOC_f输出。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，

对于使用前充满的各组电池，初始时所述SOC计算环节发送至所述SOC误差补偿环节的SOC_i为100％，并且所述SOC误差补偿环节发送至所述SOC计算环节的SOC₀为100％。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述SOC误差补偿环节每隔一段时间工作；所述SOC误差补偿环节工作时，最终向外输出补偿后的结果SOC_f作为SOC输出信号；所述SOC误差补偿环节不工作时，最终向外输出SOC计算环节以安时计量法实时测得的各组电池的荷电状态作为SOC输出信号。

6.一种电池荷电状态的计算与校正装置，其特征在于，包含：

一个基于安时计量法对各组电池的荷电状态进行计算的SOC计算环节；

一个基于交流内阻法对SOC计算环节测得的结果进行补偿的SOC误差补偿环节；

其中，所述SOC误差补偿环节每隔一段时间工作；所述SOC误差补偿环节工作时，计算与校正装置向外输出补偿后的结果SOC_f作为SOC输出信号；所述SOC误差补偿环节不工作时，计算与校正装置向外输出SOC计算环节以安时计量法实时测得的各组电池的荷电状态作为SOC输出信号；

所述计算与校正装置还包含：

交流内阻测量环节，采集N组电池的交流内阻Z_f1～Z_fn并发送至SOC误差补偿环节，以使所述SOC误差补偿环节能够根据交流内阻Z_f1～Z_fn求得补偿系数k进而求得初始荷电状态SOC₀；

电流传感器，与电池组及负载串联以采集电流值I并发送至所述SOC计算环节，以使所述SOC计算环节能够根据电流值I和所述初始荷电状态SOC₀，求得各组电池实时的荷电状态SOC_i并发送至所述SOC误差补偿环节。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述SOC误差补偿环节还包含：

求和器，计算交流内阻Z_f1～Z_fn阻抗的模的求和结果Z_f；

老化及误差补偿环节，根据求和结果Z_f计算补偿系数k，进而根据补偿系数k对以安时计量法测得的各组电池的荷电状态SOC_i进行补偿来求取SOC_f；

内阻法计算环节，根据交流内阻Z_f1～Z_fn，运用交流内阻法求取各组电池的荷电状态，并通过补偿系数k进行校正，得到各组电池经过老化及温度校正后的荷电状态SOC₁～SOC_n；

电量均衡器，使所有电池组具有相同的剩余电量，并将该剩余电量作为初始荷电状态SOC₀输出。