CN104407298A - 一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电动汽车动力蓄电池的检测，具体是一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法，本发明采用安时法和开路电压法相结合的方法计算电池组剩余容量，实现了开路电压法和安时积分法的优势互补，使电池剩余电量计算不论是在充放电状态还是在闲置状态还是充放电下，都具有较高的精度，且在每一次处于闲置状态时都对安时积分误差进行修正进一步提高了精度。另外在该方法中为了适应电池组在不同电流和温度下剩余电量的计算，在每一次处于闲置状态时对安时积分设置修正系数。此方法可用于任何类型的锂电池组，具有很强的可操作性和实用性。

Description

一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法

技术领域

本发明涉及电动汽车动力蓄电池的检测，具体是一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法。 

背景技术

锂离子电池组是各类电动汽车中最常用的储能元件，其可用剩余电量的精确测量在电动汽车的发展中是一个非常关键的问题。随着研究的不断深入，以锂离子电池作为动力的电动车辆技术逐渐成熟，但目前锂离子电池的使用仍有许多问题尚未解决，制约着锂离子电池作为动力电池的继续发展。动力电池的荷电状态(StateofCharge简称SOC)是表征电池状态的重要参数之一，本发明中SOC被用来反映电池的可用剩余容量情况，准确计量SOC是电池安全和优化控制充放电能量的保证。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法。 

锂离子电池实际总容量在使用过程中受到循环次数和温度等因素的影响而不断变化，计算和更新实际总容量是准确估测SOC的前提，电池实际总容量W_max可以用电池在充电或放电前后电压处于全松驰状态时的两个开路电压值读数算出：电池放电前SOC可由下式得出: 

${\mathrm{SOC}}_1=\frac{W_1}{W_{\max }}---\left(7\right)$

电池放电且通过电荷为ΔW,SOC可由下式得出： 

${\mathrm{SOC}}_2=\frac{W_2}{W_{\max }}---\left(8\right)$

总容量W_max可由两式相减得出： 

$W_{\max }=\left|\frac{W_1-W_2}{{\mathrm{SOC}}_1-{\mathrm{SOC}}_2}\right|---\left(9\right)$

受内阻等因素影响，电池电压会随着温度和放电电流大小而改变。电池达到其终止电压时的剩余容量是不同的，也就是说，电池的可用剩余容量会随着电流和温度的改变而改变。因此，准确地确定电池的放电终止电压是计算电池剩余容量的关键。电池直流阻抗由下式得出： 

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{U_{\mathrm{oc}}-U_d}{I_{\mathrm{av}}}---\left(10\right)$

其中，R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；U_oc表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；U_d为电池在负载条件下的电池电压；I_av为平均负载电流。 

动态检测电池直流阻抗(R_bat)的精度是计算放电终止电压的前提，为了进一步提高内阻计算的精度，可以对电压和电流进行定时的积分，利用积分值来计算电池的内阻： 

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(U_{\mathrm{oc}}-U_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}---\left(11\right)$

通过电池阻抗信息，确定电池达到放电终止电压时的剩余容量，电池电压可由下式得到： 

U_bat＝U_oc-I_avR_bat(12) 

根据电池直流内阻预测出在SOC值，进而就可以得到SOC_final。 

所得到的锂离子电池放电终止时的开路电压查表，可得到锂离子电池组在放电终止时的剩余电能SOC_final。由下式可计算出锂离子电池组的可用剩余电能W_rm。 

W_rm＝(SOC-SOC_final)W_max         (13) 

此时就得到了锂离子电池组的可用剩余容量。 

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：本发明采用安时法和开路电压法相结合的方法计算电池组剩余容量，实现了开路电压法和安时积分法的优势互补，使电池剩余电量计算不论是在充放电状态还是在闲置状态还是充放电下，都具有较高的精度，且在每一次处于闲置状态时都对安时积分误差进行修正进一步提高了精度。另外在该方法中为了适应电池组在不同电流和温度下剩余电量的计算，在每一次处于闲置状态时对安时积分设置修正系数。 

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

本发明所指的SOC是指当前锂离子电池组的可用剩余能量，可以准确地用来反映锂离子电池的当前状态以及电池的使用情况。在不同的放电电流和温度时，电池可用剩余容量即SOC发生变化，并会随着电池阻抗的增大而减小。电池阻抗持续增加是导致电池运行时间缩短的主要原因。 

电池剩余容量和电池可用剩余容量的不同点在于，后者是决定电池运行时间的因素。以往许多SOC估算策略都是对电池剩余容量进行估计，并未考虑由于电池内阻的存在而引起的电池提前达到放电终止电压，电池在放电过程中由于内阻的增加而不能放出剩余容量，造成电池可用剩余容量减少，也就是说混淆了电池剩余容量和可用剩余容量的概念。 

影响SOC准确计量的因素很多，其中开路电压、温度、充放电电流、循环次数、电池内阻等与SOC密切相关，忽视其中任何一种因素的作用都将使SOC的估算值误差增大。因此在建立SOC模型确定估算策略时必须充分考虑上述因素与SOC之间的关系。 

本发明采用安时法和开路电压法相结合的方法计算电池组剩余容量，实现了开路电压法和安时积分法的优势互补，使电池剩余电量计算不论是在充放电状态还是在闲置状态还是充放电下，都具有较高的精度，且在每一次处于闲置状态时都对安时积分误差进行修正进一步提高了精度。另外在该方法中为了适应电池组在不同电流和温度下剩余电量的计算，在每一次处于闲置状态时对安时积分设置修正系数。 

将开路电压法与电流积分法相结合，对电流检测误差进行校正，计算锂离子电池组充放电电能，这样既适应了动力锂离子电池组在使用过程中电流变化剧烈等特点，又可以根据开路电压及时地修正电流积分误差。通过开路电压和充放电电流的大小实时计算锂离子电池组的直流阻抗，并由此时的开路电压计算出锂离子电池组在放电达到终止电压时的实际剩余电能。由电池的最大剩余电能减去实际剩余电能，即得到可用剩余电能。 

锂离子电池组在处于闲置状态时，利用开路电压与SOC的对应关系来确定电池的静态剩余电能，而处于充放电状态时利用电能积分的方法计算电能的变化量，如果是充电，则用静态剩余电能加上此变化量得到剩余电能，如果是放电，则用静态剩余电能减去此变化量，得到剩余电能。 

对当前放电深度下的电池开路电压与电池在负载条件下电池电压的差值对时间积分，然后再除以充放电电流在同时间内的积分，即可得到锂离子电池的直流内阻R_bat，即： 

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(U_{\mathrm{oc}}-U_d)}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}$

其中，R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；U_oc表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；U_d为电池在负载条件下的电池电压；I为电流。 

利用电流积分计算充放电电量，并且根据开路电压及时地修正电流积分误差。在充放电之前和之后，分别根据开路电压来计算锂离子电池的可用剩余电能，两值相减得出本次充放电锂离子电池组实际电能消耗值，将此消耗值与电流积分计算出的充放电电量相比得到校正系数，在下次电流检测时，电流检测值乘以该系数即为实际电流值。 

该种计算方法将锂离子电池组的剩余电能与可用剩余电能加以区分，考虑到不同电流、温度下锂离子电池组并不能把所有的电能释放给负载，具有不同的可用剩余能量。 

一般来说，对于不同类型的锂离子电池或者同一类型电池在不同生命周期，上述因素和SOC之间的关系并不确定，而且它们与SOC的关系表现出极大的非线性。在电池包内每一个单体电池都有确定的SOC。理想状况下每一个单体电池的SOC均可被监测和控制，但是在实际情况下,这是不可能和无效的。所以本发明还提出了基于一种基本SOC估测模型，并在电池使用过程中进行数据不断更新的估测方法，首先，电池可用剩余电能可以由下式表示： 

W_rm＝(SOC-SOC_final)×W_max      (2) 

式中，W_rm表示电池可用剩余电能；SOC表示电池的剩余电能；SOC_final表示电池放电达到终止电压时的剩余电能；W_max表示电池可存储的最大电能。SOC为剩余电能W_t和电池可存储的最大电能W_max的比值，即：SOC＝W_t/W_max，W_t可由下式计算： 

$W_t=K_r{W}_0+(1-K_r){W^{\′}}_0+{\∫}_0^t\mathrm{UIdt}---\left(3\right)$

式中：W_t为电池在t时刻的剩余电能；常数K_r用来表征初始电量状态与电池自恢复效应之间的关系；W₀为电池在t₀时刻的开路电压对应的初始电能；W₀′为电 池在上次停止充放电时的电能，I为电池在时刻t的工作电流，充电电流为正，放电电流为负。 

式(3)在结构上由3个部分叠加而成，其中前2项表征电池的初始电量，最后一项表征电池在使用过程中的动态变化。W₀与开路电压密切相关，W₀′是上次电池停止充放电时的电量状态。该式中，采用开路电压和电量积分相结合的方法，并直接调用SOC记录。该策略包含电池使用前预估算电池的初始SOC和电池使用过程中对电量做动态计量。 

在电流传感器检测电流值的过程中，不可避免地带来误差，随着时间的推移，这种电流误差会直接导致电池剩余电能的计算不精确，因此我们必须对电流检测的误差进行修正。 

在锂离子电池组闲置达到一段时间后，由于其开路电压和电池剩余电量具有较好的对应关系，因此，可以以此时的电池剩余容量为基础，对电流检测误差进行修正，具体实施方法如下： 

假设当电池组上一次处于静止状态时利用开路电压检测其剩余电量为SOC₁，经过一段时间的充放电之后再次闲置时利用开路电压计算其剩余电量为SOC₂，则： 

ΔSOC₁＝|SOC₁-SOC₂|Q_max         (4) 

其中，Q_max为电池组最大电量。 

在这段时间内，利用对充放电电流的积分亦可计算出电量的变化： 

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_2={\∫}_0^t\mathrm{Idt}---\left(5\right)$

由于电流检测具有误差，ΔSOC₂是电流在这段时间的误差的累积，利用ΔSOC₂与ΔSOC₁的比值可以计算出在这段时间内电流检测误差的修正系数： 

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_2}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{SOC}}_1}---\left(6\right)$

经过仿真分析电流检测值乘以此系数，可以使电流检测值的精度提高。 

锂离子电池实际总容量在使用过程中受到循环次数和温度等因素的影响而不断变化，计算和更新实际总容量是准确估测SOC的前提，电池实际总容量W_max可以用电池在充电或放电前后电压处于全松驰状态时的两个开路电压值读数算出。电池放电前SOC可由下式得出: 

${\mathrm{SOC}}_1=\frac{W_1}{W_{\max }}---\left(7\right)$

电池放电且通过电荷为ΔW,SOC可由下式得出： 

${\mathrm{SOC}}_2=\frac{W_2}{W_{\max }}---\left(8\right)$

总容量W_max可由两式相减得出： 

$W_{\max }=\left|\frac{W_1-W_2}{{\mathrm{SOC}}_1-{\mathrm{SOC}}_2}\right|---\left(9\right)$

受内阻等因素影响，电池电压会随着温度和放电电流大小而改变。电池达到其终止电压时的剩余容量是不同的，也就是说，电池的可用剩余容量会随着电流和温度的改变而改变。因此，准确地确定电池的放电终止电压是计算电池剩余容量的关键。电池直流阻抗由下式得出： 

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{U_{\mathrm{oc}}-U_d}{I_{\mathrm{av}}}---\left(10\right)$

其中，R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；U_oc表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；U_d为电池在负载条件下的电池电压；I_av为平均负载电流。 

动态检测电池直流阻抗(R_bat)的精度是计算放电终止电压的前提，为了进一步提高内阻计算的精度，可以对电压和电流进行定时的积分，利用积分值来计算电池的内阻： 

$R_{\mathrm{bat}}=\frac{{\∫}_0^t(U_{\mathrm{oc}}-U_d)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^t\mathrm{Idt}}---\left(11\right)$

通过电池阻抗信息，确定电池达到放电终止电压时的剩余容量，电池电压可由下式得到： 

U_bat＝U_oc-I_avR_bat   (12) 

根据电池直流内阻预测出在SOC值，进而就可以得到SOC_final。 

所得到的锂离子电池放电终止时的开路电压查表，可得到锂离子电池组在放电终止时的剩余电能SOC_final。由下式可计算出锂离子电池组的可用剩余电能W_rm。 

W_rm＝(SOC-SOC_final)W_max     13) 

此时就得到了锂离子电池组的可用剩余容量。 

本发明利用开路电压与安时法结合的方法，对动力锂离子蓄电池组的荷电状态SOC进行实时估计是有效的，并且这种估计方法使估计误差的达到最小，实现了最优化估计。此方法可用于任何类型的锂电池组，有很强的可操作性和实用性。 

以上所揭露的仅为本发明的几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。 

Claims (3)

1.一种锂离子电池组可用剩余容量计算方法，其特征在于， 

S1、用电池在充电或放电前后电压处于全松驰状态时的两个开路电压值读数算出电池实际总容量W_max； 

S2、动态检测电池直流阻抗(R_bat)的精度，并确定电池的放电终止电压；通过电池阻抗信息，确定电池达到放电终止电压时的剩余容量；根据电池直流内阻预测出在SOC值，进而就可以得到SOC_final； 

S3、所得到的锂离子电池放电终止时的开路电压查表，可得到锂离子电池组在放电终止时的剩余电能SOC_final；由下式可计算出锂离子电池组的可用剩余电能W_rm。 

W_rm＝(SOC-SOC_final)W_max    (13) 

此时就得到了锂离子电池组的可用剩余容量。 

2.根据权利要求1所述的锂离子电池组可用剩余容量计算方法，其特征在于，所述步骤S1中电池实际总容量W_max通过以下方法求得，电池放电前SOC可由下式得出: 

电池放电且通过电荷为ΔW,SOC可由下式得出： 

总容量W_max可由两式相减得出： 

。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池组可用剩余容量计算方法，其特征在于，所述步骤S2中SOC_final通过以下方法求得，电池直流阻抗由下式得出： 

其中，R_bat表示在当前放电深度和温度下的电池直流阻抗；U_oc表示在当前放电深度和温度下的电池开路电压；U_d为电池在负载条件下的电池电压；I_av为平均负载电流。 

动态检测电池直流阻抗(R_bat)的精度是计算放电终止电压的前提，为了进一步提高内阻计算的精度，可以对电压和电流进行定时的积分，利用积分值来计算电池的内阻： 

通过电池阻抗信息，确定电池达到放电终止电压时的剩余容量，电池电压可由下式得到： 

U_bat＝U_oc-I_avR_bat    (12) 

根据电池直流内阻预测出在SOC值，进而就可以得到SOC_fianl。