CN105574224A - 一种电池系统荷电状态估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池系统荷电状态估算方法，既考虑了电池系统实际工作时受到的包括电池单体核电状态的差异、不同工况、不同温度和电池寿命等各种因素的影响，又对电池系统在启动时(电池管理系统上电时)和充放电完成时的荷电状态进行了校正，并且包含了必要的校正策略，不仅提高了电池系统荷电状态估算的准确度，增强了电池系统的安全性和经济性，而且具有很强的针对性、可操作性和实用性。

Description

一种电池系统荷电状态估算方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术，尤其涉及一种电池系统荷电状态估算方法。

背景技术

为了解决日益严峻的环境与能源压力，新能源技术特别是电池技术作为缓解能源危机、改善环境污染的重要手段，越来越多的引起人们的关注。电池系统是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微网以及电动汽车发展的必不可少的组成部分，世界各国更是投入巨资对其进行开发及应用。

电池系统(如电动汽车动力电池系统和储能电池系统等)均由经串联和(或)并联组装在一起的多只电池单体或电池模组及其他电路元器件等组成，并由电池管理系统(BMS)进行管理控制。而在BMS诸多功能中，电池荷电状态(SOC)的估测计算是最为基本的重要任务。SOC代表了电池系统当前可用电量占总额定容量的百分比，是电池系统充放电管理、均衡控制的基础，其值是否准确，会影响到电池系统的有效使用和工作安全等。SOC值的准确估算还可以在一定程度上延长电池系统的使用寿命，降低使用成本。

目前国内外各大科研院所、高校和企业对SOC的估算主要为安时积分法，但随着电池系统的长期使用，SOC值的误差越来越大，究其原因有：(1)电池系统工作中，达到满充满放的机会很少，BMS未能及时对SOC的误差进行校准及修正，安时积分法计算的累积误差越来越大；(2)这种方法没有考虑到电池系统内部的单体电池的不均衡影响；(3)这种方法没有考虑到电池系统实际使用时间和具体工况对额定容量的影响。

如何制定一套更准确的估算电池系统的SOC算法，已成为业界需要解决的首要问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可以更准确的估算电池系统荷电状态(SOC)的方法，提高电池系统的安全性和经济性。

技术方案如下：

第一步，电池系统初始SOC₀校准：

BMS低压上电，并检测本次上电和上次下电的时间间隔t_x，上次下电时电池系统的荷电状态SOC₁，电池系统内各个单体电池的电压OCV，各单体电池温度T，

S1，通过公式SOC_cell＝f(OCV，T)计算各个单体电池的SOC_cell，并选取最小值SOC_min和最大值SOC_max，然后通过公式计算得到SOC₂，其中，OCV为单体电池电压，T为单体电池温度；

当t_x≥t_c时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当t_x<t_c时，SOC不修正；

其中，t_c为一预设时间常数；

S2，计算|SOC₁-SOC₂|，

当|SOC₁-SOC₂|＞C时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当|SOC₁-SOC₂|≤C时，SOC不修正；

其中，C为一预设常数；

第二步，电池系统不均衡故障检测：

由第二步中计算的各个单体电池SOC_cell，选择最大值SOC_max和最小值SOC_min，并计算其差值SOC_max-SOC_min，

当(SOC_max-SOC_min)≥F时，上报不均衡故障，等待故障处理策略的回应；

当(SOC_max-SOC_min)＜F时，执行SOC算法策略；

其中，F为一预设常数；

第三步，电池系统额定容量Q_e标定：

电池系统额定容量Qe由公式：Q_e＝Q₀×K_工况×K_SOH×K_T计算。

其中Q₀是电池系统在出厂时的额定容量，也叫标称容量，K_工况是电池系统在不同工况下实际的最大可用容量的修正系数，优选的该系数可以根据不同车型的实际工况进行模拟，例如纯电动车的NEDC工况，根据各种行车类型对应的工况、所用的电池体系和电池生产厂家，实验总结出各种K_工况；K_SOH是寿命系数，即电池额定容量随着时间的衰减的修正系数，是一个与使用寿命相关的量，由于不同电池类型、不同电池生产厂家的电池的寿命衰减情况不同，所以对不同电池体系、不同生产厂家的电池的寿命系数K_SOH要分别确定，确定的方法首选的是采用寿命测试；K_T为温度系数，即电池在不同温度下的最大放电电量的修正系数，参数的确定方法是对不同电池体系、不同电池生产厂家的电池进行试验测试。

第四步，电池系统SOC的计算：

S41，计算电池系统在此时实际可以放出的电量Q₂：Q₂＝Q_e×SOC_min；

S42，计算此时如果将电池系统充满电，实际需要的电量Q₃：Q₃＝Q_e×(1-SOC_max)；

S43，计算电池系统实际的最大可用容量Q₁：Q₁＝Q₂+Q₃＝(1-SOC_max+SOC_min)×Q_e；

S44，计算电池系统进行充放电后的SOC_t： ${\mathrm{SOC}}_t={\mathrm{SOC}}_0-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_1}=$ $\frac{{\mathrm{SOC}}_{\min }}{{1-\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min }}-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_e(1-{\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min })}.$

第五步，电池系统末端修正：

判断电池系统内各个单体电池的电压最大值V_max是否达到V_c1，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≥V_c1状态的持续时间t_z是否达到t_e，若是，则将电池系统SOC修正为100％，其中，V_c1为一预设电压常数，t_e为一预设时间常数；

判断电池系统内各个单体电池的电压最小值V_min是否达到V_c2，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≤V_c2状态的持续时间t_y是否达到t_d，若是，则将电池系统SOC修正为0％，其中，V_c2为一预设电压常数，t_d为一预设时间常数。

所述电池系统电池可以为磷酸铁锂锂离子电池，优选的V_c1为3.65V～3.8V，优选的V_c2为2.0V～2.5V。

所述电池系统电池也可以为三元电池，优选的V_c1为4.2V～4.5V，优选的V_c2为2.0V～2.75V。

优选的，所述预设时间常数t_c为30min～2h。

优选的，所述预设时间常数t_d为10s～30s。

优选的，所述预设时间常数t_e为10s～30s。

本发明提供的电池系统荷电状态(SOC)估算方法考虑了电池系统实际工作时受到的包括电池单体核电状态的差异、不同工况、不同温度和电池寿命等各种因素的影响，又对电池系统在启动时(电池管理系统上电时)和充放电完成时的荷电状态进行了校正，并且包含了必要的校正策略，不仅提高了电池系统荷电状态估算的准确度，增强了电池系统的安全性和经济性，并且具有很强的针对性、可操作性和实用性。

附图说明

图1为本发明方法的基本流程图。

图2为本发明方法的控制流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1，图2所示本发明的SOC估算方法流程图。

本实施例以磷酸铁锂锂离子电池系统为例，

第一步，电池系统初始SOC₀校准：

BMS低压上电，并检测本次上电和上次下电的时间间隔t_x，上次下电时电池系统的荷电状态SOC₁，电池系统内各个单体电池的电压OCV，各单体电池温度T，

S1，通过公式SOC_cell＝f(OCV，T)计算各个单体电池的SOC_cell，并选取最小值SOC_min和最大值SOC_max，然后通过公式计算得到SOC₂，其中，OCV为单体电池电压，T为单体电池温度；

当t_x≥30min时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当t_x<30min时，SOC不修正；

其中，t_c为一预设时间常数；

S2，计算|SOC₁-SOC₂|，

当|SOC₁-SOC₂|＞C时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当|SOC₁-SOC₂|≤C时，SOC不修正；

其中，C为一预设常数；

第二步，电池系统不均衡故障检测：

由第二步中计算的各个单体电池SOC_cell，选择最大值SOC_max和最小值SOC_min，并计算其差值SOC_max-SOC_min，

当(SOC_max-SOC_min)≥F时，上报不均衡故障，等待故障处理策略的回应；

当(SOC_max-SOC_min)＜F时，执行SOC算法策略；

其中，F为一预设常数；

第三步，电池系统额定容量Q_e标定：

电池系统额定容量Qe由公式：Q_e＝Q₀×K_工况×K_SOH×K_T计算。

其中Q₀是电池系统在出厂时的额定容量，也叫标称容量，K_工况是电池系统在不同工况下实际的最大可用容量的修正系数，优选的该系数可以根据不同车型的实际工况进行模拟，例如纯电动车的NEDC工况，根据各种行车类型对应的工况、所用的电池体系和电池生产厂家，实验总结出各种K工况；K_SOH是寿命系数，即电池额定容量随着时间的衰减的修正系数，是一个与使用寿命相关的量，由于不同电池类型、不同电池生产厂家的电池的寿命衰减情况不同，所以对不同电池体系、不同生产厂家的电池的寿命系数K_SOH要分别确定，确定的方法首选的是采用寿命测试；K_T为温度系数，即电池在不同温度下的最大放电电量的修正系数，参数的确定方法是对不同电池体系、不同电池生产厂家的电池进行试验测试。

第四步，电池系统SOC的计算：

S41，计算电池系统在此时实际可以放出的电量Q₂：Q₂＝Q_e×SOC_min；

S42，计算此时如果将电池系统充满电，实际需要的电量Q₃：Q₃＝Q_e×(1-SOC_max)；

S43，计算电池系统实际的最大可用容量Q₁：Q₁＝Q₂+Q₃＝(1-SOC_max+SOC_min)×Q_e；

S44，计算电池系统进行充放电后的SOC_t： ${\mathrm{SOC}}_t={\mathrm{SOC}}_0-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_1}=$

$\frac{{\mathrm{SOC}}_{\min }}{{1-\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min }}-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_e(1-{\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min })}.$

第五步，电池系统末端修正：

判断电池系统内各个单体电池的电压最大值V_max是否达到3.65V，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≥3.65V状态的持续时间t_z是否达到10s，若是，则将电池系统SOC修正为100％；

判断电池系统内各个单体电池的电压最小值V_min是否达到2.5V，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≤2.5V状态的持续时间t_y是否达到10s，若是，则将电池系统SOC修正为0％。

本发明提供的电池系统荷电状态(SOC)估算方法考虑了电池系统实际工作时受到的包括电池单体核电状态的差异、不同工况、不同温度和电池寿命等各种因素的影响，又对电池系统在启动时(电池管理系统上电时)和充放电完成时的荷电状态进行了校正，并且包含了必要的校正策略，不仅提高了电池系统荷电状态估算的准确度，增强了电池系统的安全性和经济性，并且具有很强的针对性、可操作性和实用性。

Claims (10)

1.一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，电池系统初始SOC₀校准：

BMS低压上电，并检测本次上电和上次下电的时间间隔t_x，上次下电时电池系统的荷电状态SOC₁，电池系统内各个单体电池的电压OCV，各单体电池温度T，

S11，通过公式SOC_cell＝f(OCV，T)计算各个单体电池的SOC_cell，并选取最小值SOC_min和最大值SOC_max，然后通过公式计算得到SOC₂，其中，OCV为单体电池电压，T为单体电池温度；

当t_x≥t_c时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当t_x<t_c时，SOC不修正；

其中，t_c为一预设时间常数；

S12，计算|SOC₁-SOC₂|，

当|SOC₁-SOC₂|＞C时，取SOC₂作为电池系统的初始SOC₀；

当|SOC₁-SOC₂|≤C时，SOC不修正；

其中，C为一预设常数；

第二步，电池系统不均衡故障检测：

由第二步中计算的各个单体电池SOC_cell，选择最大值SOC_max和最小值SOC_min，并计算其差值SOC_max-SOC_min，

当(SOC_max-SOC_min)≥F时，上报不均衡故障，等待故障处理策略的回应；

当(SOC_max-SOC_min)＜F时，执行SOC算法策略；

其中，F为一预设常数；

第三步，电池系统额定容量Q_e标定：

电池系统额定容量Q_e由公式：Q_e＝Q₀×K_工况×K_SOH×K_T计算；

其中Q₀是电池系统在出厂时的额定容量(标称容量)，K_工况是电池系统在不同工况下实际的最大可用容量的修正系数；K_SOH是寿命修正系数；K_T为温度修正系数；

第四步，电池系统SOC的计算：

S41，计算电池系统在此时实际可以放出的电量Q₂：Q₂＝Q_e×SOC_min；

S42，计算此时如果将电池系统充满电，实际需要的电量Q₃：Q₃＝Q_e×(1-SOC_max)；

S43，计算电池系统实际的最大可用容量Q₁：Q₁＝Q₂+Q₃＝(1-SOC_max+SOC_min)×Q_e；

S44，计算电池系统进行充放电后的SOC_t： ${\mathrm{SOC}}_t={\mathrm{SOC}}_0-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_1}=$ $\frac{{\mathrm{SOC}}_{\min }}{1-{\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min }}-\frac{{\&Integral;}_0^t\mathrm{idt}}{Q_e(1-{\mathrm{SOC}}_{\max }+{\mathrm{SOC}}_{\min })}.$

第五步，电池系统末端修正：

判断电池系统内各个单体电池的电压最大值V_max是否达到V_c1，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≥V_c1状态的持续时间t_z是否达到t_e，若是，则将电池系统SOC修正为100％，其中，V_c1为一预设电压常数，t_e为一预设时间常数；

判断电池系统内各个单体电池的电压最小值V_min是否达到V_c2，若达到，则判断该单体电池电压连续处于≤V_c2状态的持续时间t_y是否达到t_d，若是，则将电池系统SOC修正为0％，其中，V_c2为一预设电压常数，t_d为一预设时间常数。

2.根据权利要求1所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述电池系统电池为磷酸铁锂锂离子电池。

3.根据权利要求2所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述V_c1为3.65V～3.8V。

4.根据权利要求2所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述V_c2为2.0V～2.5V。

5.根据权利要求1所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述电池系统电池为三元锂电池。

6.根据权利要求5所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述V_c1为4.2V～4.5V。

7.根据权利要求5所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述V_c2为2.0V～2.75V。

8.根据权利要求1所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述预设时间常数t_c为30min～2h。

9.根据权利要求1所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述预设时间常数t_d和t_e均为10s～30s。

10.根据权利要求1～9所述的一种电池系统荷电状态估算方法，其特征在于：所述K_工况根据NEDC工况和电池系统所用电池体系进行实验得到。