CN105143898B - 估算电池soc的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过使用电池的满充电容量(FCC)估算二次电池的充电状态(SOC)的方法，包括步骤：(S1)测量电池的电压和电流；(S2)通过电池在特定时间内的电压变化率和累积电流量而计算所述FCC；(S3)使用所计算的FCC和所测量的电压和电流计算自放电率并且估算直到电池完全放电为止的预测时间；(S4)计算电池的每一充电循环的容量劣化率；以及(S5)使用所计算的直到电池完全放电为止的自放电率和容量劣化率估算所述电池的SOC。

Description

估算电池SOC的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种估算电池的充电状态(SOC：state of charge)的方法及系统，并且更具体地，涉及一种通过电池的满充电容量(FCC：full charge capacity)来估算二次电池的充电状态(SOC)的方法，该方法包括测量电池的电压和电流，使用电池在特定时间期间的电压变化及电流积分从而计算FCC，使用所计算的FCC和所测量的电压及电流来估算直到电池被完全放电为止剩余的时间以计算自放电率，计算电池的每一充电循环的容量劣化率，并且使用所计算的自放电率和所计算的容量劣化率来校正FCC以估算电池的SOC。
背景技术
近期，可充电和放电的二次电池已经被广泛地用作用于无线移动装置、辅助电源装置等中的能量源。二次电池作为被开发以解决由使用化石燃料的汽油或柴油车辆所引起的诸如空气污染的问题的电动车(EV)、混合动力车辆(HEV)、插电式混合动力车辆(plug-inHEV)等的能量源，已经受到了很多的关注。
鉴于二次电池应用于多种移动或可携带装置上，并且其可使用时间有限，因此确定二次电池SOC的正确信息是非常重要的。对于使用装置的用户来说，SOC是非常重要的信息，因为该SOC用作该二次电池能够使用多久的度量。通常安装有二次电池的例如笔记本电脑、移动电话的装置或车辆估算二次电池的SOC、由所估算的SOC确定诸如该二次电池的可使用时间或容量的信息，并且将所确定的信息提供给用户。
二次电池的SOC通常以该二次电池剩余容量相对于满充电容量(FCC)的百分比的形式表示。为估算二次电池的SOC可使用多种方法，并且一种典型的方法是使用电流积分来估算SOC。在电流积分方法中，积分二次电池的输入/输出电流，并且该电池的SOC是通过从最初容量中减去该积分而获得的。
虽然电流积分的方法在最初循环中得到相对准确的SOC，电流积分方法的准确性会随使用充电循环计数的增加而降低，这是由于发生SOC下降现象，其中在放电结束附近SOC快速地降低。因此，该二次电池使用越久，在放电结束附近SOC下降越快。如果在这种情况下直接使用电流积分方法，由于SOC下降现象，在放电结束附近是无法正确地估算SOC的。因此，尽管SOC比预期地更迅速地降低，减少了该二次电池的可使用时间，但用户可能并不知道减少的可使用时间，并且未能正确应对该二次电池的完全放电状态。这对用户来说很不方便。
因此，需要提供能够从根本上解决这个问题的对二次电池剩余容量(SOC)的估算方法和系统。
发明内容
技术问题
因此，已经提出本发明以解决尚未解决的上述和其他问题。
由于认真的研究和各种实验，本发明人已经开发出一种电池SOC估算方法和系统，其中如下文所描述，二次电池的剩余容量(SOC)通过额外计算该电池的容量劣化率而更新，从而精确地测量该电池的SOC。已经基于该开发完成本发明。
因此，本发明的目标是提供一种电池SOC估算方法和系统，其中即使SOC在该二次电池的放电结束附近已经快速下降，该二次电池的SOC也可以通过将SOC与容量劣化率相乘而得以校正，使得对该电池的SOC可以准确地估算，因此向用户提供准确的SOC信息。
技术方案
根据本发明，上述及其它目标可以通过提供一种使用电池的满充电容量(FCC)估算二次电池的充电状态(SOC)的方法而完成，该方法包括(S1)测量电池的电压和电流，(S2)使用在特定时间期间电池的电压变化和电流积分而计算FCC，(S3)使用计算的FCC和测量的电压及电流计算自放电率以估算直到该电池被完全放电为止剩余的时间，(S4)计算电池的每一充电循环的容量劣化率，以及(S5)使用直到所述电池被完全放电为止的计算的自放电率和计算的容量劣化率来校正FCC以估算电池的SOC。
根据本发明，在特定时间期间(例如，电池在充电后放电的时间段期间)，自放电率被校正，并且容量劣化率被更新，以估算电池的FCC，进而估算出电池的正确SOC。
在优选的实施例中，步骤S2到S5是通过电池管理系统(BMS)完成的。
更优选地，步骤S5包括根据以下表达式校正FCC：
FCC(新)＝(计算的FCC)*(单元自放电率)*(每循环容量劣化率)
其中，单元自放电率和每循环容量劣化率分别代表自放电率和容量劣化率。
自放电率可以根据以下表达式计算：
自放电率＝1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(并联的单元的数量/设计容量)
在此处，自放电率值Y1、Y2、Y3和Y4可以参考该特定电压和该特定温度而设定。例如，该特定电压和该特定温度可以在3.8V到4.5V和30℃到50℃的范围内被分别确定。图1示出其中该特定电压和该特定温度被分别设定为4.1V和40℃的示例。
容量劣化率(每循环容量劣化率)可以根据以下表达式计算：
容量劣化率＝1-(C1*cycle1+C2*cycle2+C3*cycle3+C4*cycle4)*(并联的单元的数量/设计容量)。
在此处，容量劣化率值C1、C2、C3和C4可以参考该特定时间段和特定温度而设定。例如，该特定时间段和该特定温度可以在50到150天和30℃到50℃的范围内被分别确定。图2示出其中该特定时间段和该特定温度可以分别设定为90天和40℃的示例。
更优选的，容量劣化率的计算包括：在当FCC已经被充电到85％或更高时，C1到C4状态区域被确定后，设定cycle1至cycle4。具体地，容量劣化率的计算可以包括在电池被充电到85％或更高后确定电池所在的C1到C4状态区域中的一个、确定与所确定的区域相对应的容量劣化率值，并且将所确定的容量劣化率值与所确定的区域内的充电循环的数量相乘。
FCC可以在电池被完全充电后更新(update)，并且可以在电池被完全充电后、当电池被最初使用时、或当电池已经达到最低校正点时立即被重置(reset)。
本发明还提供一种包括该电池SOC估算方法的二次电池SOC估算系统，和一种包括该SOC估算系统的二次电池。
该二次电池可以是包括单一电池单元的单元电池，或可以是由两个或更多个电池单元组装的组装电池。二次电池并不限于特定名称。二次电池的类型并不受特别限制。优选地，二次电池为锂二次电池。
包括锂二次电池的二次电池的构造、结构和制造对于本领域技术人员来说显而易见，因此此处省略了详细的描述。
二次电池可以用于例如移动电话或笔记本的小型装置的驱动源或动力源。二次电池还可以用于例如电动车(EV)、混合动力车辆(HEV)，插电式混合动力车辆(PHEV)等大型装置的驱动源或动力源。
上述装置对于本领域技术人员来说是公知常识，因此此处省略详细的描写。
附图说明
根据以下详细描述并结合附图，将更清晰地理解本发明的上述及其他目的、特征以及其他优点。
图1是示出根据本发明的实施例的电池单元的自放电特性的图；
图2是示出根据本发明的实施例的每个循环的电池单元的容量劣化的图；
图3示出根据本发明的一个实施例的重置FCC的时间的图；
图4是示出根据本发明的一个实施例的电池单元中的电荷(或能量)存储量的图；以及
图5是示出根据本发明的一个实施例的电池单元中的电荷(或能量)存储量的估算的图。
优选实施方式
现在，本发明的实施例将参考附图进行详细描述。但是，应当注意实施例的描述是为更好理解本发明而提供的，并非用于限制本发明的保护范围。
图1是示出根据本发明的实施例的电池单元的自放电特性的示意图，而图2是示出根据本发明的实施例的每个循环的电池单元的容量劣化的示意图。
参考图1和图2，在根据本发明的电池SOC估算方法和系统中，在电池(或多个电池)开始充电时计算该电池的满充电容量(FCC)。为了随着充电和放电进行校正FCC，计算自放电率和容量劣化率，并且基于所计算的自放电率和容量劣化来计算校正FCC。电池的剩余容量(SOC)是基于校正FCC来估算的。
电池单元的自放电率被划分为四个状态区域(下文中被称为“Y1到Y4状态区域”)的各自的自放电率值Y1到Y4，在Y1到Y4状态区域中，该基于电池单元的40℃的劣化温度(X轴)和4.1V的充电电压(Y轴)来划分电池的状态。基于以下表达式1计算其中反映Y1到Y4状态区域的自放电率值的自放电率。
表达式1：
自放电率＝1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(并联的单元的数量/设计容量)
在表达式1中，t代表放电时间(具体地t_y1、t_y2、t_y3和t_y4代表在Y1、Y2、Y3和Y4状态区域中的各自的放电时间)并且Y1、Y2、Y3和Y4代表在Y1、Y2、Y3和Y4状态区域中的各自的自放电率值。在放电进行的放电时间t期间，参考了40℃的劣化温度以及4.1V的充电电压确定电池所在的Y1到Y4状态区域中的一个。与所确定的区域相对应的自放电率值与相对于电池的最初设计容量的电池单元的总数量(即，总电压)相乘，从而计算电池的自放电率。
电池单元的容量劣化率被划分为四个状态区域(下文中被称为“C1到C4状态区域”)的各自的容量劣化率值C1到C4，在C1到C4状态区域中，基于90天的持续时间(Y轴)和40℃的温度(X轴)划分随着电池经过充电/放电循环的电池的状态。基于以下表达式2的计算其中反映在C1到C4状态区域的容量劣化率值中的容量劣化率。
表达式2
容量劣化率＝1-(C1*cycle1+C2*cycle2+C3*cycle3+C4*cycle4)*(并联的单元的数量/设计容量)。
在表达式2中，C1、C2、C3和C4代表在C1、C2、C3和C4状态区域中的各自的容量劣化率值，并且cycle1、cycle2、cycle3和cycle4代表在C1、C2、C3和C4状态区域中的各自的充电循环数量。在电池放电期间，参考40℃的劣化温度以及90天的使用时间段来确定电池所在的C1到C4状态区域中的一个。与确定的区域相对应的容量劣化率值与相对于电池的最初设计容量的电池单元的总数量(即，总电压)相乘，以计算电池的容量劣化率。分别为C1到C4状态区域计算的容量劣化值示出在以下的表1中。
表1
从表1中可以看出，当电池的使用时间段短并且温度高时，电池单元的每循环容量高。即，随着电池的使用时间段增加，电池单元的发热增加，因此电池的容量劣化率也增加。
图3是示出根据本发明的实施例的重新设定FCC的时间的示意图
如图3中所示，在根据本发明中的SOC估算方法和系统中，在电池被完全充足，使得电池的剩余SOC(RSOC)已经达到100％后，电池的FCC被更新，并且在电池被最初使用时或当电池已经达到最低校正点(Correction Point Low)时，FCC将被重置。如此可以正确地估算电池的剩余容量(SOC)。
具体地，电池的满充电容量(FCC)在电池被最初完全充电后被立刻更新。在充电结束后，在电池被最初使用时，电池的FCC被最初地重置。之后，在电池被重新充电后，当电池被完全充电使得电池的剩余SOC(RSOC)已经达到100％，或者当电池已经达到最低放电水平使得RSOC为6％时，电池的FCC被再次重置。因此，电池的SOC是即时计算的。
图4是示出根据本发明的一个实施例的电池单元中的电荷(或能量)存储量的示意图，以及图5是示出根据本发明的一个实施例中电池单元的电荷(或能量)存储量的估算的示意图。
与实际测量的电池容量比较，使用自放电率和容量劣化率校正的(新的)FCC值代表更准确的电池的SOC。这让用户能够获得更准确的SOC，以即时地正确确定电池的可用容量。
显然，本领域技术人员可以根据上述教导，在不脱离本发明范围的情况下做出各种修改或变化。
工业适用性
根据本发明所描述的电池SOC估算方法和系统中，即使二次电池SOC在二次电池的放电结束附近快速下降，也通过计算容量劣化率校正SOC。相应地，可以准确滴估算SOC，从而向用户提供准确的SOC信息
此外，二次电池的容量可以精确地确定，从而提高了电池的寿命。

Claims (10)

1.一种使用电池的满充电容量(FCC)估算二次电池的充电状态(SOC)的方法，所述估算电池的SOC的方法包括：
(S1)测量所述电池的电压和电流；
(S2)使用所述电池在特定时间期间的电压变化和电流积分来计算所述FCC；
(S3)使用所计算的FCC和所测量的电压和电流，来估算直到所述电池被完全放电为止剩余的时间，以计算自放电率；
(S4)计算所述电池的每一充电循环的容量劣化率；以及
(S5)使用直到所述电池被完全放电为止的所计算的自放电率和所计算的容量劣化率来校正所述FCC，以估算所述电池的SOC。
2.根据权利要求1所述的估算电池的SOC的方法，其中，经由电池管理系统(BMS)执行所述步骤S2到S5。
3.根据权利要求1或2所述的估算电池的SOC的方法，其中，所述步骤S5包括根据以下表达式校正所述FCC：
FCC(新)＝(所计算的FCC)*(单元自放电率)*(每循环容量劣化率)，
其中，单元自放电率和每循环容量劣化率分别代表所述自放电率和所述容量劣化率。
4.根据权利要求3所述的估算电池的SOC的方法，其中，所述自放电率根据以下表达式计算：
自放电率＝1-(Y1*t_y1+Y2*t_y2+Y3*t_y3+Y4*t_y4)*(并联的单元的数量/设计容量)，其中，Y1、Y2、Y3和Y4代表在基于特定电压和特定温度将电池状态划分出的四个状态区域中的各自的自放电率值，t_y1、t_y2、t_y3和t_y4代表在所述四个状态区域中的各自的放电时间，
其中，参考所述特定电压和所述特定温度设定Y1、Y2、Y3和Y4。
5.根据权利要求3所述的估算电池的SOC的方法，其中，所述容量劣化率是根据以下的表达式计算：
容量劣化率＝1-(C1*cycle1+C2*cycle2+C3*cycle3+C4*cycle4)*(并联的单元的数量/设计容量)，其中，C1、C2、C3和C4代表在基于特定时间段和特定温度将电池状态划分出的四个状态区域中的各自的容量劣化率值，并且cycle1、cycle2、cycle3和cycle4代表在所述四个状态区域中的各自的充电循环数量，
其中，参考所述特定时间段和所述特定温度设定C1、C2、C3和C4。
6.根据权利要求5所述的估算电池的SOC的方法，其中，所述容量劣化率的计算包括：在当所述FCC已经被充电到85％或更高时，确定所述C1至C4之后，设定所述cycle1至cycle4。
7.根据权利要求1所述的估算电池的SOC的方法，其中，所述FCC在所述电池被完全充电后被更新，并且所述FCC在所述电池被完全充电后、当所述电池被最初使用时、或当所述电池已经达到最低校正点时立刻被重置。
8.一种二次电池SOC估算系统，包括根据权利要求1所述的估算电池的SOC的方法。
9.一种二次电池，包括根据权利要求8所述的SOC估算系统。
10.一种装置，包括根据权利要求9所述的二次电池作为驱动源或能量源。
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