CN105223512A - 基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法，本发明的技术要点在于利用带有电流采集单元、温度采集单元及高压采集单元的动力电池，电池特性数据存储单元，在分析现有剩余电量方法的不足以及局限性的基础上，提出了一种适合于工程的剩余电量方法，此方法将安时积分法与电动势法通过加权因子相结合，根据电池特性，提出一套动态调节加权因子的策略，此方法有效的克服安时积分法容易发散的缺点，提高了剩余电量估算的精度，通过实车验证了此发明方法的有效性，实用性和可行性。

Description

基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法

技术领域

本发明涉及动力电池的剩余电量相关技术领域，具体地说是一种基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法。本发明适用于需要使用动力电池的纯电动车和混合动力电动车。本发明的关键字：SOC估算，安时积分法，电池管理系统，电池特性。

背景技术

随着社会的不断发展，环境问题已经受到越来越多的关注，而汽车尾气的排放已经成为影响环境的主要因素之一，另外考虑到石油的不可再生性以及汽车保有量的持续增加，因此寻找一种清洁的石油代替能源是解决以上问题的唯一途径，电动汽车应运而生。

电池管理系统（BatteryManagementSystem，BMS）技术是电动汽车技术的关键技术之一，在电池管理系统的功能中，准确估算电池的剩余电量（StateOfChargeSOC）是目前国内外电池管理系统要实现的一个重要功能之一，由于它受多种因素的影响，使得研究提高SOC精度的方法成为业内研究的一个热点和难点。

目前比较常用的SOC计算方法有基于电流积分的安时积分法、基于电池端电压测量的开路电压法和电动势法，基于大量样本数据和神经网络模型的神经网络法，以及基于电池状态空间模型和递推方程的Kalman滤波方法等。单纯的安时积分法实际是一种开环预测方法，其优点在于实现简单，其缺点为由于传感器采样精度以及采样周期的影响，会产生很大的累计估计误差，如果长时间采用此方法进行SOC计算，而并不加以修正，累计误差会达到50%以上，因此安时积分法需要与其他方法结合使用；而开路电压法需要事先对电池进行静置处理，因此此方法仅适用于电池包的实验测量，并不适合电动汽车实时的SOC计算要求；电动势法以及Kalman（卡尔曼滤波）滤波方法均依赖于精确的电池模型，模型的准确程度直接影响SOC的计算，但由于动力电池本身是一个非线性复杂时变系统，准确估计其模型几乎是不可实现的，因此单纯的电动势法以及Kalman滤波方法在工程上是不可行的；另外Kalman滤波的计算复杂性也是需要考虑的问题；基于以上分析，我们有必要提出一种适合工程的合理且准确的SOC计算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法。该方法将目前工程较为常用的安时积分法与电动势法相结合，相互取长补短，并结合电池试验数据得到的电池特性，提出根据不同状态下，电池表现出来的特性，利用加权因子的方法来权衡安时积分法和电动势方法的结合程度，对实时计算的SOC进行动态调整，从而达到准确计算SOC的方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来实现的：一种基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法，它包括带有电流采集单元、温度采集单元及高压采集单元的动力电池，电池特性数据存储单元，其特征在于：电流采集单元输出端分别与电动势计算单元、安时积分法SOC计算单元和修正因子计算单元输入端连接，高压采集单元输出端分别与电动势计算单元及安时积分法SOC计算单元连接，温度采集单元输出端与修正因子计算单元输入端连接，修正因子计算单元输出端与安时积分法SOC计算单元连接；所述动力电池参数辨识单元输出端通过电动势计算单元与电动势法SOC计算单元输入端连接；电池特性数据存储单元输出端分别与电动势法SOC计算单元输入端及通过权值计算单元与SOC计算单元输入端连接；安时积分法SOC计算单元及电动势法SOC计算单元的输出端与SOC计算单元输入端连接，SOC计算单元输出端直接与车载仪表中的SOC显示单元相连接。

为了使本发明更准确，则电池特性数据存储单元输出端分别与修正因子计算单元输入端及通过电池健康度计算单元再与修正因子计算单元输入端连接。

动力电池：动力电池为新能源汽车的主要动力来源，其相当于传统机动车的油箱。

电流采集单元：在机动车运行时，实时采集动力电池输出的电流信号；

温度采集单元：在机动车运行时，实时采集动力电池不同采样点的温度信号；

高压采集单元：在机动车运行时，实时采集动力电池的总的高压信号；

动力电池参数辨识单元：此单元根据动力电池的电气模型进行参数辨识。首先建立需要辨识的动力电池电气模型，此模型为开路电压，电动势以及动力电池电流之间的函数关系；SOC，电动势以及动力电池温度的函数关系如下公式所示：

(1)

(2)

通过对以上动力电池电气模型进行推导得到：

(3)

其中参数即为需要动力电池参数辨识单元辨识的参数；

电动势计算单元：此计算单元根据动力电池参数辨识单元得到的动力电池模型以及高压采集单元得到的电池总高压和电流采集单元得到的电流信号进行动力电池电动势计算。具体计算如公式（3）。

电池特性数据存储单元：此单元存储动力电池的特性参数，此部分参数由动力电池商家提供；

电动势法SOC计算单元：由于电动势与SOC存在一定关系，而此关系一般由动力电池商家提供，因此依据电池特性数据存储单元提供的电池特性参数以及电动势计算单元实时计算的电动势，得到当前的SOC值；

电池健康度计算单元：电池的健康状态与电池的使用时间有关，此数据可以从供应商处获得，此单元根据电池的使用时间以及供应商提供的数据得到当前电池的健康状态；

修正因子计算单元：此单元根据动力电池的温度，电流，动力电池供应商提供的电池特性数据，以及电池的健康状态得到安时积分三个修正因子分别代表温度修正系数，放电倍率修正系数以及电池健康度系数；

安时积分法SOC计算单元：此单元根据动力电池的电流采集单元采集的实时电流以及收集了动力电池温度，电流，以及健康状态的修正因子计算单元计算得到：

（4）

权值计算单元：权值计算单元根据新能源汽车所处的工况，并结合电池特性数据进行权值计算。

SOC计算单元：此单元将安时积分法与电动势方法相结合，取长补短，利用安时法在短时间内精度较高的优点，利用电池的电气模型对其累积误差进行修正，克服其发散的缺点，从而得到适用于工程的较为精确地SOC计算方法，如下公式描述：

(5)

式中为利用电动势法估算的时刻的值，为利用安时积分法估算的时刻的值。为加权因子，其取值范围为。

SOC显示单元：此单元将最终计算的SOC值显示出来，以让驾驶员时刻了解新能源汽车的剩余电量情况。

本发明具有以下特点：1、本发明将目前工程较为常用的安时积分法与电动势法相结合，利用加权因子的方法来权衡安时积分法和电动势方法的结合程度，对实时计算的SOC进行动态调整，从而达到准确计算SOC的方法。

2、将两种方法相结合，取长补短，利用安时法在短时间内精度较高的优点，利用电池的电气模型对其累积误差进行修正，克服其发散的缺点，从而得到适用于工程的较为精确地SOC计算方法。

3、本发明提出一套依据电池特性以及新能源汽车所处工况来确定加权因子的方法，加权因子会随着新能源汽车所处的不同工况，进行实时调整，从而有效发挥两种SOC算法的长处，保证SOC计算方法的准确性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构原理方框图；

图2为本发明所用电池的电气模型结构简图；

图3为本发明三元电池特性试验不同循环次数下的内阻曲线图；

图4为本发明三元电池特性试验的不同循环次数充放电曲线图。

下面将结合附图通过实例，对本发明作进一步详细说明，但下述实例仅仅是本发明的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

实例1

由图1所示，图1中包括带有采集动力电池实时电流的电流采集单元、采集动力电池不同采样点的温度采集单元及动力电池总高压的高压采集单元的动力电池，存储着由电池供应商通过实验得到电池特性的电池特性数据存储单元，所述的电流采集单元输出端分别与计算动力电池电动势的电动势计算单元、利用安时法计算动力电池剩余电量的安时积分法SOC计算单元和计算修正安时积分的修正因子的修正因子计算单元输入端连接，高压采集单元输出端分别与电动势计算单元及安时积分法SOC计算单元连接，温度采集单元输出端与修正因子计算单元输入端连接，修正因子计算单元输出端与安时积分法SOC计算单元连接；所述辨识动力电池电气模型参数的动力电池参数辨识单元输出端通过电动势计算单元与利用电动势法计算剩余电量的电动势法SOC计算单元输入端连接；电池特性数据存储单元输出端分别与电动势法SOC计算单元输入端及通过计算两种方法结合权值的权值计算单元与计算最终剩余电量的SOC计算单元输入端连接；安时积分法SOC计算单元及电动势法SOC计算单元的输出端与SOC计算单元输入端连接，SOC计算单元输出端直接与车载仪表中的SOC显示单元相连接。

本发明中涉及的两种SOC计算方法分别为：电动势法和安时积分法。以下分别以实例方式进行详细描述：

电动势法：首先建立如图2所示的电气模型，其中具体需要辨识的参数为图2中的。因此动力电池的电气模型可以表示成含有的函数关系为：

(6)

(7)

(8)

通过对以上动力电池电气模型进行推导得到：

+ (9)

令：，，，得到如下表达式：

(10)

从公式（5）可以看出，只要辨识出，即可以知道。

本发明采用最小二乘方法对进行辨识，进而得到如下：

(11)

从公式（10）可知，在已知a,b,c，动力电池电流i(t)，以及动力电池总压V(t)的情况下，可以通过计算得到每一时刻的电动势E(t)。而电动势E(t)与电池剩余电量SOC之间的关系可以通过电池特性数据存储单元得到，至此我们将得到电动势法SOC计算单元的计算结果；

安时积分法：分别放电电流修正因子，温度修正因子以及动力电池健康修正因子分别为、、，得到安时积分具体算法如下：

(12)

其中，、、分别为考虑充放电倍率、温度、老化因素的补偿系数；

加权SOC计算方法的权值应根据电池在不同时期表现出来的不同特性来确定，这样能有效的利用权值来在线矫正SOC的计算精度。本发明以三元材料电池实例，阐述三元电池特性，并将其作为调节权值的依据。

三元电池特性利用图3图4分两部分阐述，其中三元特性曲线图即为电池特性数据存储单元存储的数据：

第一部分如图3所示，为电池循环次数与电池内阻关系，附图3中，纵坐标表示电池内阻，横坐标表示电池充放电循环次数。从图中可以看出SOC=0时的欧姆内阻大于SOC=100%时的内阻。在整个循环过程中内阻有很小幅度的波动，但整理呈上升趋势。说明随着循环次数的增加，在SOC=0和100%时，电池欧姆内阻逐渐增大。

第二部分如图4所示，25℃下，不同循环次数下的充放电曲线，其中横坐标表示电池的SOC，纵坐标表示单体电压。附图3为在循环实验中第60次与第200次的充放电图，其中③表示200次循环后的充电曲线；④表示60次循环后的充电曲线；⑤表示60次循环后的放电曲线；⑥表示200次循环后的放电曲线；从图中可以看出，随着循环次数的增加，充电极化大于放电极化，且在电池放电时，SOC为30%--50%之间，循环60次与循环200次在同一SOC下的电压基本不变，说明随着电池老化，SOC=30%-50%之间的电池内阻变化微小。SOC在100%以及0%时，电压也不会随着循环次数的增加而变化。

因此以三元电池为实例，依据本发明提出的一套加权SOC算法得到权值如下：

A、在初始上电时，将权值设定为，即单纯电动势法；因为汽车刚启动时，电池开路电压与电动势接近，实际就是采用开路电压法为SOC赋予初值；此时SOC计算单元计算最终SOC的表达式（5）变为：

(13)

B、在充满电时，将权值设定为，即单纯的电动势法；因为在充满电时，电池的电压不会受到循环次数的影响，因此较为准确的反应电池包的真实SOC，作为SOC的一次准确矫正；此时SOC计算单元计算最终SOC的表达式为公式（13）。

C、当计算出来的SOC在20%-60%之间时，将权值调整为接近0的小数，让电动势法所占的权重更大，因为此时的电池电压也不受循环次数的影响，电动势法能很好的矫正SOC，但是由于此时电池电压正处于平稳期，因此没有将其向前两条策略那样直接设定为0；此时SOC计算单元计算最终SOC的表达式（5）变为：

(14)

D、在其他阶段，权值的设定要偏向于1，因为我们引入电动势法主要目的在于克服安时积分法容易发散的缺点，以及受循环次数影响极大的问题；此时SOC计算单元计算最终SOC的表达式（5）变为：

(15)

当然，本发明还可能有其他多种实施实例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法，它包括带有电流采集单元、温度采集单元及高压采集单元的动力电池，电池特性数据存储单元，其特征在于：电流采集单元输出端分别与电动势计算单元、安时积分法SOC计算单元和修正因子计算单元输入端连接，高压采集单元输出端分别与电动势计算单元及安时积分法SOC计算单元连接，温度采集单元输出端与修正因子计算单元输入端连接，修正因子计算单元输出端与安时积分法SOC计算单元连接；所述动力电池参数辨识单元输出端通过电动势计算单元与电动势法SOC计算单元输入端连接；电池特性数据存储单元输出端分别与电动势法SOC计算单元输入端及通过权值计算单元与SOC计算单元输入端连接；安时积分法SOC计算单元及电动势法SOC计算单元的输出端与SOC计算单元输入端连接，SOC计算单元输出端直接与车载仪表中的SOC显示单元相连接。

2.根据权利要求1中所述的基于电池特性的动态矫正剩余电量的方法，其特征在于：电池特性数据存储单元输出端分别与修正因子计算单元输入端及通过电池健康度计算单元再与修正因子计算单元输入端连接。