CN105676135B - 一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，该方法的步骤包括：1、电池管理系统开机时计算电池初始剩余容量值SOC0和有效额定容量Qt；2、在电池充放电过程中，采用修正后的安时积分法计算电池的剩余容量值；3、采用基于电池模型的内阻法剩余容量值进行修正；4、输出在线估计结果。该方法利用简单实用的SOC估算模型，将影响蓄电池剩余容量的各种因素综合到电池模型中，提高蓄电池剩余容量的估算精度，具有重要的现实意义。

Description

一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法
技术领域
本发明涉及电池应用技术领域，特备涉及一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法。
背景技术
目前，特种工程车辆的供配电系统的供电模式已从传统的内燃发电机组单电源供电模式向以蓄电池组为主要电源的多电源联合供电模式转变。铅酸蓄电池组在此模式下主要是为特种工程车中各负载设备提供直流电源，各负载需求电流达数百安,持续时间约数十分钟，铅酸蓄电池组的电量状态和连续供电能力关乎系统可靠性和保障性。因此，铅酸蓄电池剩余容量(简称SOC)的估算的准确度显得尤为重要。铅酸蓄电池的容量与蓄电池电特性的许多参数(如充放电电流、开路电压、电解液温度、内阻、循环寿命等)有关，并与这些参数呈现严重的非线性，准确的预测蓄电池的剩余容量是非常困难的。
目前国内外采用的方法主要有放电试验法、安时积分法，其中放电法仅适用于电池在试验室进行试验时应用，不能实车动态评估电池的剩余容量，安时积分法是采集电池的电流对时间进行积分，管理系统采样蓄电池充放电流得到的是离散的电流值，该电流积分是对离散的数据累计求和，虽然具有很好的滤波效果但无法快速跟踪时变电流，同时该采样值由于采样精度、采样周期的原因会不能完全达到积分作用而会产生累计误差。还有利用人工智能、模糊控制、神经网络等方法辨识电池的准确模型，这类方法目前国内外绝大多数成果停留在计算机仿真结果阶段，离具体实际应用还有距离所以建立具有一定范围内的准确度和可靠性的SOC算法具有很大的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，该方法利用简单实用的SOC估算模型，将影响蓄电池剩余容量的各种因素综合到电池模型中，提高蓄电池剩余容量的估算精度，具有重要的现实意义。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种发射过程适配器分离运动轨迹计算方法，包括如下步骤：
一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，包括如下步骤：
(1)、电池管理系统开机工作时根据电池静置时间计算电池初始剩余容量值SOC0，并根据设定的温度影响系数KT、时间影响系数KC和标称容量Q，计算有效额定容量Qt：Qt＝KT×KC×Q；
(2)、在电池充放电过程中，时刻t时的电池剩余容量值SOC(t)的计算公式如下：
其中，I(t)为电池管理系统测量得到的电池充放电电流；η为设定的电池充放电效率；
(3)、采用基于电池模型的内阻法对步骤(2)计算得到的剩余容量值SOC(t)进行修正，具体修正过程如下：
(3a)、在电池模型中，将电池等效为恒压源和内阻串联的组合，根据所述电池模型计算电池充放电过程中的等效开路电压Uocv；
(3b)、在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查表得到所述电池等效开路电压Uocv对应的电池容量估计值SOCjy(t)；
(3c)、在设定时间间隔ΔT内，计算电池容量估计值SOCjy(t)的平均值SOCmean，以及校验误差ΔSOC(t)＝|SOCjy(t)-SOC(t)|的平均值ΔSOCmean；
(3d)、如果TH1≤SOCmean≤TH2且TH3≤ΔSOCmean≤TH4，则对剩余容量值SOC(t)进行如下修正：SOC(t)＝SOCjy(t)；其中，TH1为设定的第一容量门限，TH2为设定的第二容量门限，TH3为设定的第三容量门限，TH4为设定的第四容量门限。
(4)、将剩余容量值SOC(t)和有效额定容量Qt作为电池剩余容量在线估算结果输出。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，在步骤(1)中，根据电池静置时间计算电池初始剩余容量值SOC0，具体计算方法如下：
如果电池静置时间T≤Tth，则读取电池管理系统在前一次关机时刻存储的电池剩余容量值，并将所述电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0；
如果电池静置时间T>Tth，则在电池再次加电且未对负载供电时，通过电池管理系统测试铅酸电池的开路电压Uc，利用该开路电压Uc在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查询所述开路电压Uc对应的电池剩余容量值，并将所述电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0；
其中，Tth为设定的电池静置时间门限值。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，电池静置时间门限值Tth≤12小时。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，开路电压-电池剩余容量数据表通过如下的试验方法确定：
在电池充电过程和放电过程中，记录电池开路电压和电池剩余容量的数据结果，并对充电过程和放电过程的记录的数据结果进行平均计算，然后再对所述平均计算结果进行线性拟合，得到开路电压和电池剩余容量的线性曲线；最后根据所述线性曲线建立开路电压-电池剩余容量数据表。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，在步骤(3a)中，根据所述电池模型计算电池充放电过程中的等效开路电压Uocv，具体计算公式如下：
Uocv＝UL(t)-R×Para×I(t)；
其中：UL(t)和I(t)分别为电池管理系统在时刻t测量得到的电池端电压和电池充放电电流；Para为符号系数；如果时刻t进行充电，则内阻R＝Rc且Para＝1，Rc为设定的充电电阻；如果时刻t进行放电，则R＝Rd且Para＝-1，Rd为设定的放电电阻。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，测试充电电阻Rc和放电电阻Rd的具体过程如下：
在电池处于平衡状态时将一个放电脉冲迅速加载到电池上，记录所述放电脉冲起始时刻和截止时刻的电池端电压Ut0和Ut1，并记录放电过程中的放电电流Idischarg，则放电电阻
在电池处于平衡状态时将一个充电脉冲迅速加载到电池上，记录所述充电电脉冲起始时刻和截止时刻的电池端电压Ut2和Ut3，并记录充电过程中的充电电流Icharg，则充电电阻
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，在步骤(3c)中，设定时间间隔ΔT＝10S。
上述的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，在步骤(3d)中，设定TH1＝20％、TH2＝80％、TH3＝10％、TH4＝30％。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明根据设定的温度影响系数、时间影响系数和标称容量，计算有效额定容量，即充分考虑了温度、使用时间对电池有效额定容量的影响，估算得到的有效额定容量精度更高；
(2)、本发明在电池剩余容量值估算过程中，对现有的安时积分法进行了修正，在积分计算过程中考虑了温度和充放电效率对电池剩余容量值的影响，可用于确定电池在大电流放电、充电和浮充工况下增加或减少的电池容量，得到的估算精度更高；
(3)、本发明采用基于蓄电池模型的内阻法对电池剩余容量估算结果进行修正，可使得估算误差小于8％。
附图说明
图1为本发明的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法的流程图；
图2为本发明测试得到的电池开路电压-SOC特性曲线；
图3为本发明放电试验和充电试验得到的电池开路电压变化曲线；
图4为本发明采用的蓄电池模型电路示意图；
图5为本发明进行内阻特性试验的充放电脉冲图；
图6为实施例中得到的工况试验下的SOC误差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示的流程图，本发明的特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，包括如下步骤：
(1)、计算电池初始剩余容量和有效额定容量
电池管理系统开机工作时，需要对电池初始剩余容量SOC0和有效额定容量Qt进行计算，具体计算方法如下：
(1a)、根据电池静置时间计算电池初始剩余容量值SOC0：
如果电池静置时间T≤Tth，则读取电池管理系统在前一次关机时刻存储的电池剩余容量值，并将该电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0；如果电池静置时间T>Tth，则在电池再次加电且未对负载供电时，通过电池管理系统测试铅酸电池的开路电压Uc，利用该开路电压Uc在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查询所述开路电压Uc对应的电池剩余容量值，并将所述电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0。其中，Tth为设定的电池静置时间门限值。
在以上计算过程中，开路电压-电池剩余容量数据表需要经过事先的多次充放电试验测试得到。如图2所示，在充放电过程中记录电池开路电压和电池剩余容量的数据结果，并对充电试验和放电试验的记录结果进行平均计算，然后再对平均计算结果进行线性拟合，得到开路电压和电池剩余容量的线性曲线。根据该线性曲线建立开路电压-电池剩余容量数据表。在后续的电池使用过程中，可以通过查表确定电池剩余容量。
在以上计算过程中，为了确定该时间门限值Tth，分别进行了电池12-24小时的电池充放电试验，具体测试结果如图3所示。该图说明充放电对开路电压与SOC的对应关系影响不大，而且充放电时间12～24小时内，开路电压和SOC对应关系曲线相差不大。在工程实现时，可以将关机时间门限设定为12～24小时，优选12小时，即电池静置时间在12个小时之后，可以认为电池容量与电压对应关系未发生变化。
(1b)、根据设定的温度影响系数KT、时间影响系数KC和标称容量Q计算有效额定容量Qt：Qt＝KT×KC×Q；其中温度影响系数KT、时间影响系数KC均为经过多次试验得到的经验值。
(2)、估算剩余容量值
在电池充放电过程中，本发明采用修正后的安时积分法，计算在时刻t时电池的剩余容量值SOC(t)，具体计算公式如下：
其中，I(t)为电池管理系统测量得到的电池充放电电流；η为设定的电池充放电效率。相对于现有的安时积分法，本发明提出的上述修正后的安时积分法考虑了电池的充放电效率和温度影响，估算精度更高。
(3)、剩余容量值修正
本发明采用基于电池模型的内阻法对步骤(2)计算得到的剩余容量值SOC(t)进行修正。
其中，现有的各种蓄电池模型在实际应用中存在其各自的优点和缺陷，由于最终的算法需要嵌入到能量管理系统中，需要考虑模型的简化和估算的准确度上取一个平衡点。所以本发明采用了如图4所示的简化的蓄电池模型，该电池模型将电池等效为一个恒压源和电阻的组合。图4中Uoc为电池的开路电压，Rd和Rc分别为电池的放电内阻和充电内阻，IL为电池充电/放电电流，UL为电池端电压。上述的电池模型可采用线性方程进行表示为：
UL＝Uocv+R×Para×IL；
其中：在充电时，R＝Rc且Para＝1；在放电时，R＝Rd且Para＝-1。
在实际工程实现时，利用电池管理系统测量电池充电/放电电流IL和电池端电压UL，并通过充放电试验确定电池的充电内阻和放电内阻。如图5所示，在电池处于平衡状态时将一个放电或充电脉冲迅速加载到电池上，及时准确地记录电池的电压响应，就可以计算出电池的内阻。其中，电池充电内阻Rc和放电内阻Rd的计算公式如下所示：
其中，t0和t1分别为放电开始时间和截止时间，对应的电池端电压分别为Ut0和Ut1，Idischarg为放电电流；t2和t3分别为充电开始时间和截止时间，对应的电池端电压分别为Ut2和Ut3，Icharg为充电电流。
基于以上所述的电池模型，本发明结合内阻、极化效应对电池剩余容量的影响，对电池剩余容量进行修正，具体修正方法如下：
(3a)、通过电池管理系统测量电池在时刻t时的负载电压UL(t)和电池充放电电流I(t)，以及设定的电池内阻R，计算电池的等效开路电压Uocv，具体计算公式如下：
Uocv＝UL(t)-R×Para×I(t)；
其中，Para为符号系数；如果时刻t进行充电，则R＝Rc且Para＝1；如果时刻t进行放电，则R＝Rd且Para＝-1；
(3b)、在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查表得到所述电池等效开路电压Uocv对应的电池容量估计值SOCjy(t)；
(3c)、在设定时间间隔ΔT内，计算电池容量估计值SOCjy(t)的平均值SOCmean，以及校验误差ΔSOC(t)＝|SOCjy(t)-SOC(t)|的平均值ΔSOCmean；在工程实现时选择ΔT＝10秒。
(3d)、如果TH1≤SOCmean≤TH2且TH3≤ΔSOCmean≤TH4，则对剩余容量值SOC(t)进行如下修正：SOC(t)＝SOCjy(t)；其中，TH1为设定的第一容量门限，TH2为设定的第二容量门限，TH3为设定的第三容量门限，TH4为设定的第四容量门限。在工程实现时，根据工程经验设置TH1＝20％，TH2＝80％，TH3＝10％，TH4＝30％。
(4)、将剩余容量值SOC(t)和有效额定容量Qt作为电池剩余容量在线估算结果输出。
实施例：
在本实施例中，在工况验证试验中，利用本发明的方法对电池剩余容量进行在线估算，估算结果如图6所示。从图中可以看出本发明方法得到的估算误差最大值为5.8％，平均值为3.2％。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、电池管理系统开机工作时根据电池静置时间计算电池初始剩余容量值SOC0，并根据设定的温度影响系数KT、时间影响系数KC和标称容量Q，计算有效额定容量Qt：Qt＝KT×KC×Q；
(2)、在电池充放电过程中，时刻t时的电池剩余容量值SOC(t)的计算公式如下：
其中，I(t)为电池管理系统测量得到的电池充放电电流；η为设定的电池充放电效率；
(3)、采用基于电池模型的内阻法对步骤(2)计算得到的剩余容量值SOC(t)进行修正，具体修正过程如下：
(3a)、在电池模型中，将电池等效为恒压源和内阻串联的组合，根据所述电池模型计算电池充放电过程中的等效开路电压Uocv；
(3b)、在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查表得到所述电池等效开路电压Uocv对应的电池容量估计值SOCjy(t)；
(3c)、在设定时间间隔ΔT内，计算电池容量估计值SOCjy(t)的平均值SOCmean，以及校验误差ΔSOC(t)＝|SOCjy(t)-SOC(t)|的平均值ΔSOCmean；
(3d)、如果TH1≤SOCmean≤TH2且TH3≤ΔSOCmean≤TH4，则对剩余容量值SOC(t)进行如下修正：SOC(t)＝SOCjy(t)；其中，TH1为设定的第一容量门限，TH2为设定的第二容量门限，TH3为设定的第三容量门限，TH4为设定的第四容量门限；
(4)、将剩余容量值SOC(t)和有效额定容量Qt作为电池剩余容量在线估算结果输出。
2.根据权利要求1所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：在步骤(1)中，根据电池静置时间计算电池初始剩余容量值SOC0，具体计算方法如下：
如果电池静置时间T≤Tth，则读取电池管理系统在前一次关机时刻存储的电池剩余容量值，并将所述电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0；
如果电池静置时间T>Tth，则在电池再次加电且未对负载供电时，通过电池管理系统测试铅酸电池的开路电压Uc，利用该开路电压Uc在设定的开路电压-电池剩余容量数据表中，查询所述开路电压Uc对应的电池剩余容量值，并将所述电池剩余容量值作为电池初始剩余容量值SOC0；
其中，Tth为设定的电池静置时间门限值。
3.根据权利要求2所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：电池静置时间门限值Tth≤12小时。
4.根据权利要求1或2所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：开路电压-电池剩余容量数据表通过如下的试验方法确定：
在电池充电过程和放电过程中，记录电池开路电压和电池剩余容量的数据结果，并对充电过程和放电过程的记录的数据结果进行平均计算，然后再对所述平均计算结果进行线性拟合，得到开路电压和电池剩余容量的线性曲线；最后根据所述线性曲线建立开路电压-电池剩余容量数据表。
5.根据权利要求1所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：在步骤(3a)中，根据所述电池模型计算电池充放电过程中的等效开路电压Uocv，具体计算公式如下：
Uocv＝UL(t)-R×Para×I(t)；
其中：UL(t)和I(t)分别为电池管理系统在时刻t测量得到的电池端电压和电池充放电电流；Para为符号系数；如果时刻t进行充电，则内阻R＝Rc且Para＝1，Rc为设定的充电电阻；如果时刻t进行放电，则R＝Rd且Para＝-1，Rd为设定的放电电阻。
6.根据权利要求5所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：测试充电电阻Rc和放电电阻Rd的具体过程如下：
在电池处于平衡状态时将一个放电脉冲迅速加载到电池上，记录所述放电脉冲起始时刻和截止时刻的电池端电压Ut0和Ut1，并记录放电过程中的放电电流Idischarg，则放电电阻
在电池处于平衡状态时将一个充电脉冲迅速加载到电池上，记录所述充电电脉冲起始时刻和截止时刻的电池端电压Ut2和Ut3，并记录充电过程中的充电电流Icharg，则充电电阻
7.根据权利要求1所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：在步骤(3c)中，设定时间间隔ΔT＝10S。
8.根据权利要求1所述的一种特种工程车用动力铅酸电池剩余容量在线估算方法，其特征在于：在步骤(3d)中，设定TH1＝20％、TH2＝80％、TH3＝10％、TH4＝30％。
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