CN105574304A - 磷酸铁锂动力电池组soc的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，通过将二次电池与磷酸铁锂动力电池单元进行串联，拟合出磷酸铁锂动力电池单元SOC与二次电池端电压U1的函数关系为：SOC＝UaK1/K2+(M1-M2)/K2，再实时检测二次电池与磷酸铁锂动力电池单元串联后的端电压，计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC。与现有技术相比，本发明拟合出磷酸铁锂动力电池单元SOC与二次电池电压的函数关系，再通过电池管理系统BMS实时监测二次电池的端电压，便可以迅速计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC。由此可见，本发明原理简单，更容易得到广泛应用和推广。

Description

磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法
【技术领域】
本发明涉及电动汽车电源设备技术领域，尤其涉及一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法。
【背景技术】
为了应对能源危机，减缓全球气候变暖，许多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。电动汽车因为采用电力驱动，可以降低二氧化碳的排放量甚至实现零排放，所以得到各国的重视而迅速发展。但是电池成本仍然较高，动力电池的性能和价格是电动汽车的主要“瓶颈”。磷酸铁锂电池因其寿命长、安全性能好，成本低等优点而成为电动汽车的理想动力源。
随着电动汽车的发展，电池管理系统(BMS)也得到广泛应用，为了充分发挥电池系统的动力性能，提高其使用的安全性，防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命、优化驾驶和提高电动汽车的使用性能，BMS系统就要对电池的荷电状态即SOC(StateOfCharge)进行准确估算。SOC是用来描述电池使用过程中可充入或放出容量的重要参数。电池的SOC和很多因素相关，如温度，前一时刻充放电状况，极化效应，电池寿命等，而且具有很强的非线性，因此，SOC实时在线估算一般很不准确。
目前电池SOC的估算方法有：开路电压法、安时积分法、内阻法、人工神经网络法、卡曼滤波法等。开路电压法由于要预计开路电压，因此需要长时间静置电池组，不适合电动汽车的实时在线检测；内阻法存在估算内阻的困难，在硬件上也难以实现；人工神经网络法和卡尔曼滤波法则由于系统设置复杂，而且在电池管理系统中应用成本很高，不具备优势；因此，相对于开路电压法，内阻法，神经网络法和卡尔曼滤波法，安时积分法由于简单有效而被常常采用。但是，电动汽车在不同时刻的放电电流波动很大，且在实际使用过程中，也不可能实现间隔极短的时间不停的测试电流的大小，因此，安时积分法计算得出的SOC通常也是不准确的。
有鉴于此，确有必要提供一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法以解决上述问题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是提供一种原理简单、便于推广应用的磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，以解决现有技术中磷酸铁锂动力电池组SOC估算不准确的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其包括如下步骤:
1)选用一个端电压与其SOC具有线性关系的二次电池；
2)将上述二次电池与多个磷酸铁锂动力电池单元进行串联，并设定其中任一磷酸铁锂动力电池单元SOC为0％，100％时，对应于二次电池SOC1值分别为X1，X2；
3)根据该二次电池充放电时二次电池端电压Ua与该二次电池SOC1的对应关系,拟合出二次电池SOC1与端电压Ua的函数关系为：SOC1＝K1Ua+M1，(K1≠0，K1,M1是常数)，SOC1∈(X1，X2)；
4)以SOC1为纵坐标，SOC为横坐标，建立坐标模型，则对应点分别为(0％，X1)、(100％，X2)，以此两点就可得出SOC1与SOC之间的函数关系，即SOC1＝K2SOC+M2(K2≠0，K2,M2是常数)；
5)实时检测二次电池与磷酸铁锂动力电池单元串联后的端电压Ua，再根据步骤3和4得出磷酸铁锂动力电池单元SOC＝UaK1/K2+(M1-M2)/K2，计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
作为本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法的一种改进，所述二次电池选用除磷酸铁锂动力电池之外的二次电池或超级电容。
作为本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法的一种改进，所述2％<X1<7％，86％<(X2-X1)<96％。
作为本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法的一种改进，所述二次电池与磷酸铁锂动力电池组串联后的端电压Ua可由电池管理系统BMS测量。
作为本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法的一种改进，所述二次电池SOC1值始终大于每个磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
作为本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法的一种改进，所述磷酸铁锂动力电池单元由若干单体磷酸铁锂动力电池并联组成。
与现有技术相比，本发明通过将一种电压与SOC值具有线性关系的二次电池与磷酸铁锂动力电池单元进行串联，拟合出磷酸铁锂动力电池单元SOC与二次电池电压的函数关系，再通过电池管理系统BMS实时监测二次电池的端电压，便可以迅速计算出磷酸铁锂动力电池单元SOC。由此可见，本发明原理简单，更容易得到广泛应用和推广。
【附图说明】
图1为本发明磷酸铁锂动力电池与二次电池串联后的电路示意图；
图2(a)为本发明磷酸铁锂动力电池充电时其端电压与其SOC函数关系图；
图2(b)为本发明所涉及的二次电池充电时其端电压与其SOC函数关系图；
图2(c)为本发明所涉及的二次电池以及磷酸铁锂动力电池串联后充电时，二次电池的端电压与磷酸铁锂动力电池SOC函数关系图；
图3(a)为本发明磷酸铁锂动力电池放电时其端电压与其SOC函数关系图；
图3(b)为本发明所涉及的二次电池放电时其端电压与其SOC函数关系图；
图3(c)为本发明所涉及的二次电池以及磷酸铁锂动力电池串联后放电时，二次电池的端电压与磷酸铁锂动力电池SOC函数关系图；
图4为本发明磷酸铁锂动力电池单元SOC与二次电池SOC1建模的函数关系图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
由于串联电路中的电流处处相等，根据电量计算公式Q＝IT(Q为电量，I为电流，T为时间)可知，单位时间内串联电路中各电池单元的充放电电量也相等。因此，只要准确计算出某一电池单元电量的变化，就可以知道整组电池电量的变化情况。本发明基于以上原理，选用一个电压与其SOC具有线性关系的二次电池与磷酸铁锂动力电池单元进行串联，通过准确计算出该磷酸铁锂动力电池单元的电量，从而得知磷酸铁锂动力电池组的电池电量。
请参考图2(a)、3(a)所示，磷酸铁锂动力电池在充放电的大部分时间内，虽然其SOC值在不断的增加或减少，但磷酸铁锂动力电池的端电压均保持一致。
请参考图2(b)、3(b)所示，除磷酸铁锂动力电池之外的二次电池在充放电时，其端电压随着该电池的SOC1值变化而变化，并呈现良好的线性关系，据此，根据反复的对该二次电池充放电时SOC1以及端电压Ua的检测取点，便可以拟合出该二次电池的SOC1与该二次电池端电压Ua的函数关系为：SOC1＝K1Ua+M1，(K1≠0，K1,M1是常数)，SOC1∈(X1，X2)；其中，X1，X2按照以下规则设定：即，将上述二次电池与多个磷酸铁锂动力电池单元进行串联，在充放电时，设定其中任一磷酸铁锂动力电池单元SOC为0％，100％时，对应于该二次电池SOC1值分别为X1，X2。
根据上面的设定可以得知：将磷酸铁锂动力电池单元与二次电池串联后，在充放电的过程中，当磷酸铁锂动力电池单元SOC为0％时，对应二次电池的SOC1值为X1；当磷酸铁锂动力电池单元SOC为100％时，对应二次电池的SOC1值为X2。磷酸铁锂动力电池单元SOC与二次电池的SOC1所表征的物理量的属性一致(均为剩余电量)，因此，可将二者在同一个坐标系中进行建模，请参考图4所示，具体建模如下：以SOC1为纵坐标，SOC为横坐标，建立坐标模型，则对应点分别为(0％，X1)、(100％，X2)，以此两点就可得出SOC1与SOC之间的函数关系，即SOC1＝K2SOC+M2(K2≠0，K2,M2是常数)。
通过该二次电池的SOC1与该二次电池端电压Ua的函数关系以及二次电池的SOC1与磷酸铁锂动力电池单元SOC之间的函数关系便可以得知磷酸铁锂动力电池单元SOC＝UaK1/K2+(M1-M2)/K2，再实时检测二次电池与磷酸铁锂动力电池单元串联后的端电压Ua，便可以计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
从以上磷酸铁锂动力电池单元SOC的估算方法的函数建模来看，与磷酸铁锂动力电池组串联的二次电池必须具有以下特性：1、电池端电压与SOC值对应所建立的曲线具有很好线性关系；2、二次电池端电压变化导致SOC变化明显；3、自损耗小于或等于磷酸铁锂动力电池单元的自损耗；4、二次电池容量必须比磷酸铁锂动力电池单元大，例如可以选取在130％-200％之间；5、可使用寿命长。
二次电池容量必须比磷酸铁锂动力电池单元大，例如可以选取在130％-200％之间，这样有助于磷酸铁锂动力电池单元在充放电的整个过程中，二次电池并非出现过充过放的状况，从而保证了二次电池在充放电过程中二次电池的SOC与其端电压具有良好的线性关系，同时也延长了二次电池的使用寿命。
请继续参考图1-4所示，一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其包括如下步骤:
1)选用一个端电压与其SOC具有线性关系的二次电池A；
2)将上述二次电池A与多个磷酸铁锂动力电池单元B进行串联，并设定其中任一磷酸铁锂动力电池单元SOC为0％，100％时，对应于二次电池SOC1值分别为X1，X2；
3)根据该二次电池充放电时二次电池端电压Ua与该二次电池SOC1的对应关系,拟合出二次电池SOC1与端电压Ua的函数关系为：SOC1＝K1Ua+M1，(K1≠0，K1,M1是常数)，SOC1∈(X1，X2)；
4)以SOC1为纵坐标，SOC为横坐标，建立坐标模型，则对应点分别为(0％，X1)、(100％，X2)，以此两点就可得出SOC1与SOC之间的函数关系，即SOC1＝K2SOC+M2(K2≠0，K2,M2是常数)；
5)实时检测二次电池与磷酸铁锂动力电池单元串联后的端电压Ua，再根据步骤3和4得出磷酸铁锂动力电池单元SOC＝UaK1/K2+(M1-M2)/K2，计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法中所选用的二次电池为除磷酸铁锂动力电池之外的二次电池或超级电容。为了保证二次电池在充放电过程中二次电池的SOC与其端电压具有良好的线性关系，所述2％<X1<7％，86％<(X2-X1)<96％，即在充放电过程中，磷酸铁锂动力电池单元的电量从0变化成100％时，二次电池都毋需满充满放。所述二次电池与磷酸铁锂动力电池组串联后的端电压Ua可由电池管理系统BMS测量。本发明磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法中的磷酸铁锂动力电池单元由若干单体磷酸铁锂动力电池并联组成。
本发明磷酸铁锂动力电池SOC的估算方法中在建立坐标系时所采用的电压的分值比如U1、U2、U3、U4、U5、U6……U14均为相应的数值，在实际中可以根据需要划分更多的不同分度值。
本发明磷酸铁锂动力电池SOC的估算方法，并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (6)

1.一种磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于，包括如下步骤:
1)选用一个端电压与其SOC具有线性关系的二次电池；
2)将上述二次电池与多个磷酸铁锂动力电池单元进行串联，并设定其中任一磷酸铁锂动力电池单元SOC为0％，100％时，对应于二次电池SOC1值分别为X1，X2；
3)根据该二次电池充放电时二次电池端电压Ua与该二次电池SOC1的对应关系,拟合出二次电池SOC1与端电压Ua的函数关系为：SOC1＝K1Ua+M1，(K1≠0，K1,M1是常数)，SOC1∈(X1，X2)；
4)以SOC1为纵坐标，SOC为横坐标，建立坐标模型，则对应点分别为(0％，X1)、(100％，X2)，以此两点就可得出SOC1与SOC之间的函数关系，即SOC1＝K2SOC+M2(K2≠0，K2,M2是常数)；
5)实时检测二次电池与磷酸铁锂动力电池单元串联后的端电压Ua，再根据步骤3和4得出磷酸铁锂动力电池单元SOC＝UaK1/K2+(M1-M2)/K2，计算出磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
2.如权利要求1所述的磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于：所述二次电池选用除磷酸铁锂动力电池之外的二次电池或超级电容。
3.如权利要求1所述的磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于：所述2％<X1<7％，86％<(X2-X1)<96％。
4.如权利要求2所述的磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于：所述二次电池与磷酸铁锂动力电池组串联后的端电压Ua可由电池管理系统BMS测量。
5.如权利要求1所述的磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于：所述二次电池SOC1值始终大于每个磷酸铁锂动力电池单元的SOC值。
6.如权利要求1至5所述的任一磷酸铁锂动力电池组SOC的估算方法，其特征在于：所述磷酸铁锂动力电池单元由若干单体磷酸铁锂动力电池并联组成。
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