CN105044610A - 基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，包括以下步骤：1)利用Thevenin模型等效电池的实际电路，则t时刻电池的开路电压V_OC(t)的表达式；2)获取电池在t₁时刻和t₂时刻对应的端口电压V_b1和V_b2，得端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值；3)根据步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值得到Vc及V_d的值，然后将Vc及Vd的值代入到电池的开路电压V_OC(t)的表达式中，得t时刻电池的开路电压V_OC(t)；4)根据步骤3)当t时刻电池的开路电压V_OC(t)得t时刻电池的剩余电量。本发明能够准确得到电池的剩余电量。

Description

基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法

技术领域

本发明涉及一种推算电池剩余电量的方法，具体涉及一种基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法。

背景技术

包括平板电脑和智能手机在内的便携式电子设备伴随着微电子相关技术的快速发展变得越来越普及。一般便携式设备采用锂离子电池作为供电单元，为了保证便携设备的移动性以及用户对于设备信息的确切了解，能够准确及时地提供电池的剩余电量信息就变得越来越重要。

现有的电池剩余电量的计算方法有库伦计方法及电池电阻跟踪算法，库伦计方法检测的准确性较差，然而电池电阻跟踪算法需要实时更新的EEPROM，从而严重的影响了电池剩余电量计算的准确性。

由于锂电池不可过充过放，出于对电池安全的考虑，实际应用中我们必须为电池设定相应阈值。如果电量估算过于保守，则会造成电池利用效率下降，若过于激进，则会带来电池不可恢复伤害。因此我们需要讨论出精确的电量计算算法，以尽可能提高锂电池寿命和利用效率，但现有技术中没有能够精确计算电池电量的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，该方法能够准确得到电池的剩余电量。

为达到上述目的，本发明所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法包括以下步骤：

1)利用Thevenin模型等效电池的实际电路，则t时刻电池的开路电压V_OC(t)的表达式为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)R_1(1-e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}})+I\left(t\right)R_0---\left(1\right)$

其中，V_B(t)为t时刻电池的端口电压，R₁和R₀分别电池的极化电阻和欧姆电阻，I(t)为t时刻电池的输出电流，设Ps＝R₁/R₀，Vc＝I(t)*R₀(1+Ps)，则式(1)转换为：

V_OC(t-1)＝V_B(t)+Vd+Vc(3)

其中，Ps为t-1时刻所得的开路电压V_OC(t-1)进行插值运算得到的结果；

2)获取电池在t₁时刻和t₂时刻对应的端口电压V_b1和V_b2，得端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值；

3)根据步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值得到Vc及V_d的值，然后将Vc及Vd的值代入到式(3)中，得t时刻电池的开路电压V_OC(t)；

4)根据步骤3)当t时刻电池的开路电压V_OC(t)得t时刻电池的剩余电量。

步骤3)中步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值得到Vc及Vd的值的具体操作为：

当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值大于等于预设阀值时，则电池的状态发生突变，此时

Vc＝Vc+Dvb*(1+Ps)(4)

Vd＝Vd-Dvb*Ps(5)

其中，Dvb＝V_b2-V_b1；

当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值小于预设阀值时，则Vd＝Vd*T，T为t-1时刻电池的开路电压进行插值计算得到的结果，Vc的值为上次电池的状态发生突变时的值。

所述预设阀值为0.01V。

设Ps＝R₁/R₀，则式(1)转换为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)*R_0(1+Ps)-{\mathrm{PsR}}_{0}I\left(t\right)e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}}---\left(2\right)$

令Vc＝I(t)*R₀(1+Ps)，则式(2)转换为：

V_OC(t)＝V_B(t)+Vd+Vc(3)。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法在计算电池的剩余电量时，将t-1时刻所得的开路电压V_OC(t-1)进行插值运算得到的结果作为Ps，然后根据电池在t₁时刻和t₂时刻对应的端口电压V_b1和V_b2的差值获取计算过程中的相关系数Vc及Vd，从而实现电池剩余电量的实时更新，同时实时修正电池的剩余电量，进而准确计算出电池的剩余电量，相比于传统的电池电阻跟踪算法，本发明不涉及实时更新的EEPROM，准确度高，并且节约能源，提高电池的寿命和利用效率。

附图说明

图1为本发明中电池等效的Thevenin电路原理图；

图2为本发明中电池放电时的端口电压曲线与算法得出的OCV理论与实际值的对比图；

图3为本发明得到的电池剩余电流与实际电量的误差百分比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法包括以下步骤：

1)利用Thevenin模型等效电池的实际电路，则t时刻电池的开路电压V_OC(t)的表达式为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)R_1(1-e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}})+I\left(t\right)R_0---\left(1\right)$

其中，V_B(t)为t时刻电池的端口电压，I(t)为t时刻电池的输出电流，R₁和R₀分别电池的极化电阻和欧姆电阻，Ps＝R₁/R₀，则式(1)可简化为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)*R_0(1+Ps)-{\mathrm{PsR}}_{0}I\left(t\right)e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}}---\left(2\right)$

其中，Ps为t-1时刻所得的开路电压V_OC(t-1)进行插值运算得到的结果，Vc＝I(t)*R₀(1+Ps)，则式(2)可化简为：

V_OC(t-1)＝V_B(t)+Vd+Vc(3)

2)利用检测电路测量电池正常工作时的电池端口电压的波形；

3)获取电池在t₁时刻和t₂时刻对应的端口电压V_b1和V_b2，得端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值；

4)当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值大于等于预设阀值时，则电池的状态发生突变，此时

Vc＝Vc+Dvb*(1+Ps)(4)

Vd＝Vd-Dvb*Ps(5)

其中，Dvb＝V_b2-V_b1；

当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值小于1mv时，则Vd＝Vd*T，T为t-1时刻电池的开路电压进行插值计算得到的结果，Vc的值为上次电池的状态发生突变时的值。

4)根据步骤3)当t时刻电池的开路电压V_OC(t)得t时刻电池的剩余电量。

其中，所述预设阀值为0.01V。

本发明的原理为：由于考虑到电池内部化学反应中的极化现象，可以更好的体现电池的动静态特性，我们使用了Thevenin模型，其具体结构如图1，当电池有电流通过时，电路中既有突变性又有渐变性，分别受到欧姆电阻和极化电阻的影响，所以Thevenin模型考虑到了内阻受温度、电流以及放电现象的影响，能够较精确的模拟电池的放电行为。

实施例

通过源表对电池进行放电测试，分别用0.5A，1.0A，0.8A电流放电半小时并静置，通过本发明得出电池的剩余电量，并用电流积分的方法得出实际电量曲线，如图(3)得出电池电量的误差在整组测试数据内，结果显示计算所得的SOC与理论的SOC误差在±3以内的点占到了总时间的92.2％，ΔSOC(t)的均方根值RMS(ΔSOC)＝1.9％。

Claims (4)

1.一种基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用Thevenin模型等效电池的实际电路，则t时刻电池的开路电压V_OC(t)的表达式为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)R_1\left(1-e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}}\right)+I\left(t\right)R_0---\left(1\right)$

其中，V_B(t)为t时刻电池的端口电压，R₁和R₀分别电池的极化电阻和欧姆电阻，I(t)为t时刻电池的输出电流，设Ps＝R₁/R₀，Vc＝I(t)*R₀(1+Ps)， $Vd=-{\mathrm{PsR}}_{0}I\left(t\right)e^{-\frac{t}{R_1{C}_1}},$ 则式(1)转换为：

V_OC(t-1)＝V_B(t)+Vd+Vc(3)

其中，Ps为t-1时刻所得的开路电压V_OC(t-1)进行插值运算得到的结果；

2)获取电池在t₁时刻和t₂时刻对应的端口电压V_b1和V_b2，得端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值；

3)根据步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值得到Vc及V_d的值，然后将Vc及Vd的值代入到式(3)中，得t时刻电池的开路电压V_OC(t)；

4)根据步骤3)当t时刻电池的开路电压V_OC(t)得t时刻电池的剩余电量。

2.根据权利要求1所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，其特征在于，步骤3)中步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值得到Vc及Vd的值的具体操作为：

当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值大于等于预设阀值时，则电池的状态发生突变，此时

Vc＝Vc+Dvb*(1+Ps)(4)

Vd＝Vd-Dvb*Ps(5)

其中，Dvb＝V_b2-V_b1；

当步骤2)得到的端口电压V_b1和V_b2差值的绝对值小于预设阀值时，则Vd＝Vd*T，T为t-1时刻电池的开路电压进行插值计算得到的结果，V_C的值为上次电池的状态发生突变时的值。

3.根据权利要求2所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，其特征在于，所述预设阀值为0.01V。

4.根据权利要求1所述的基于端口电压无需电流检测的高精度电池电量估算方法，其特征在于，设Ps＝R₁/R₀，则式(1)转换为：

$V_{OC}\left(t\right)=V_B\left(t\right)+I\left(t\right)*R_0(1+Ps)-{\mathrm{PsR}}_{0}I\left(t\right)e^{-\frac{t}{R_1{c}_1}}---\left(2\right)$

令Vc=I(t)*R₀(1+Ps)，则式(2)转换为：

V_OC(t)＝V_B(t)+Vd+Vc(3)。