CN105807232A - 一种铅酸蓄电池剩余电量和电池健康状况估计方法 - Google Patents

一种铅酸蓄电池剩余电量和电池健康状况估计方法 Download PDF

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    • G01R31/387—Determining ampere-hour charge capacity or SoC
    • G01R31/388—Determining ampere-hour charge capacity or SoC involving voltage measurements

Abstract

本发明涉及一种铅酸蓄电池剩余电量和电池健康状况估计方法，通过实验的方法获得铅酸蓄电池的放电量和放电电流与放电电压的对应关系，将其拟合成函数，通过放电次数的剩余量来表征铅酸蓄电池的健康状况，通过温度对铅酸蓄电池总电量的影响，来将其进行修正。

Description

一种铅酸蓄电池剩余电量和电池健康状况估计方法
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池剩余电量检测及健康状况评估方法，具体地说通过测量不同时刻电源的电压值和电流值来得到电池剩余电量以及电池的健康状况。
背景技术
随着汽车的出现，人类社会文明与经济也同时有了长足的发展与进步，但与此同时能源短缺与环境污染等问题也日益严重。电动汽车在某种程度上缓解了汽车对化石燃料的依赖，铅酸蓄电池诞生的一百多年里，已经在汽车上得到了广泛的应用。
铅酸蓄电池为能量源的电动汽车在旅游观光车和小型汽车中得到了广泛的应用，但是电池剩余电量的估计方法仍然不够准确和简单，单一地通过外部电压方法测量电池电量的方法受到电流的变化测量结果会有较大的波动，单一地通过电流测量剩余电流的方法随着使用时间的延长，测量误差会越来越大。
发明内容
本发明的目的是提供一种铅酸蓄电池剩余电量检测和电池健康状况评估方法，实现铅酸蓄电池剩余电量的准确估计，以及电池的健康状况的评估。
为实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
铅酸蓄电池剩余电量的评估方法，所述方法和步骤如下：
对铅酸蓄电池进行恒流放电；
步骤a1、准备健康状态良好的电池组，将电池充满电；
步骤a2、设定好若干组放电倍率，I1、I2、……In；
步骤a3、按照步骤b设定好的放电倍率I1开始放电，从放电起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电；
步骤a4、将电池充满电后根据步骤b设定的放电倍率，选取未进行实验的放电倍率，从起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电；
步骤a5、重复步骤d直至完成所有的放电倍率；
对恒流放电的实验数据进行运算，获得其静态放电的电流电压与SOC的关系；
步骤b1、通过积分的方法分别获得铅酸蓄电池不同放电倍率情况下的的电量消耗值
步骤b2、将实验数据和对应步骤f的电量消耗值组成数列(IjvnQn)；
步骤b3、取电池容量的5％对应的放电量Q5％,分别找到不同放电倍率下的电流与电压对应值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(invnQ5％)；
步骤b4、取终止电压Vend对应的放电电流和放电电量的值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(inVendQn)；
步骤b5、将步骤b2、步骤b3和步骤b4中获得的数列重新组合成一个总的数列(invnQn)；
步骤b6、将步骤b5中的数列通过拟合的方法进行拟合，将放电电量看做是函数值，将放电电流和和放电电压看做是两个变量，得到拟合函数结果Q＝f(i,v)；
对铅酸蓄电池进行升电流放电；
步骤c1、设定好好放电倍率差Id1、Id2、……Idn；
步骤c2、进行升电电流放电数据采集，设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电；
步骤c3、待电压变化平稳后进行升电放电，将电流升至Id0＋Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率；
步骤c4、将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)；
步骤c5、重复步骤c3，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0＋Id2……Id0＋Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、……Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)；
步骤c6、将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v,＝f(id)；
步骤c7、将id＝0代入上述公式中，获得v’end；
步骤c8、取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv＝f升(v’)；
步骤c9、将v’end代入公式Δv＝f升(v’)，得到Δvend；
步骤c10、计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v’)；
步骤c11、计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0+Δvforecast；
进行降电流放电数据采集；
步骤d1、设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电；
步骤d2、待电压变化平稳后进行升电放电，将电流降至Id0-Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率；
步骤d3、将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)；
步骤d4、重复步骤d2，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0-Id2、……、Id0-Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、……Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)；
步骤d5、将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v’＝f(id)；
步骤d6、将id＝0代入步骤d5的公式中，获得v’end；
步骤d7、取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv升电＝f(v’)；
步骤d8、将步骤b6中的v’end代入公式Δv＝f(v’)，得到Δvend；
步骤d9、计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v’)；
步骤d10、计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0＋Δvforecast；
获得标准温度条件下的铅酸蓄电池SOC估计值；
步骤e1、采集电池的外部电流值i、电压值v和对应时间t，通过上述步骤c、步骤d获得对应的静态电压值vstate＝v0＋Δvforecast，
步骤e2、将步骤e1获得对应的静态电压值vstate带入到步骤b中的拟合函数，得到放出电量值Qout＝f(i,vstate)；
步骤e3、电池作为电源满足汽车行驶放出的最大电源为Qend，剩余电量SOC的估计值为：
电池的健康状况评估步骤：
随着放电次数的增加，电池的放电能力会逐渐降低。
步骤f1、将最终放电电量qend和标准循环放电次数n进行拟合得到放电电量qend和标准放电次数n的曲线关系，函数表达式为：n＝g(qend)；
步骤f2、对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤f3、将步骤f2的计算结果按比例缩放得到可实际释放的电量
步骤f4、将步骤f2的结果带入到步骤f1中的函数，得到对应的循环放电次数n；
步骤f5、标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤f4中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况
温度对电池剩余电量的估计的影响：
步骤g1、温度和最终的放电电量之间存在着对应关系，将温度和最终放电电量进行拟合，得到函数关系:Q可用＝f(T)。
步骤g2、对当前温度下的剩余电量进行估算：
考虑温度条件下的电池的健康状况评估：
步骤h1、对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤h2、将步骤h1的计算结果按比例缩放得到标准温度条件下的可实际释放的电量
步骤h3、将步骤h2计算的结果带入到函数n＝g(qend)，得到对应的循环放电次数n；
步骤h4、标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤h3中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况
具体实施方式
对铅酸蓄电池进行恒流放电；
步骤a1、准备健康状态良好的电池组，将电池充满电；
步骤a2、设定好若干组放电倍率，I1、I2、……In；
步骤a3、按照步骤b设定好的放电倍率I1开始放电，从放电起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电；
步骤a4、将电池充满电后根据步骤b设定的放电倍率，选取未进行实验的放电倍率，从起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电；
步骤a5、重复步骤d直至完成所有的放电倍率；
对恒流放电的实验数据进行运算，获得其静态放电的电流电压与SOC的关系；
步骤b1、通过积分的方法分别获得铅酸蓄电池不同放电倍率情况下的的电量消耗值
步骤b2、将实验数据和对应步骤f的电量消耗值组成数列(IjvnQn)；
步骤b3、取电池容量的5％对应的放电量Q5％,分别找到不同放电倍率下的电流与电压对应值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(invnQ5％)；
步骤b4、取终止电压Vend对应的放电电流和放电电量的值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(inVendQn)；
步骤b5、将步骤b2、步骤b3和步骤b4中获得的数列重新组合成一个总的数列(invnQn)；
步骤b6、将步骤b5中的数列通过拟合的方法进行拟合，将放电电量看做是函数值，将放电电流和和放电电压看做是两个变量，得到拟合函数结果Q＝f(i,v)；
对铅酸蓄电池进行升电流放电；
步骤c1、设定好好放电倍率差Id1、Id2、……Idn；
步骤c2、进行升电电流放电数据采集，设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电；
步骤c3、待电压变化平稳后进行升电放电，将电流升至Id0…Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率；
步骤c4、将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)；
步骤c5、重复步骤c3，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0＋Id2……Id0＋Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、……Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)；
步骤c6、将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v’＝f(id)；
步骤c7、将id＝0代入上述公式中，获得v’end；
步骤c8、取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv＝f升(v’)；
步骤c9、将v’end代入公式Δv＝f升(v’)，得到Δvend；
步骤c10、计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v’)；
步骤c11、计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0＋Δvforecast；
进行降电流放电数据采集；
步骤d1、设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电；
步骤d2、待电压变化平稳后进行升电放电，将电流降至Id0-Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率；
步骤d3、将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)；
步骤d4、重复步骤d2，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0-Id2、……、Id0-Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、……Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)；
步骤d5、将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v’＝f(id)；
步骤d6、将id＝0代入步骤d5的公式中，获得v’end；
步骤d7、取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv升电＝f(v’)；
步骤d8、将步骤b6中的v’end代入公式Δv＝f(v’)，得到Δvend；
步骤d9、计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v,)；
步骤d10、计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0+Δvforecast；
获得标准温度条件下的铅酸蓄电池SOC估计值；
步骤e1、采集电池的外部电流值i、电压值v和对应时间t，通过上述步骤c、步骤d获得对应的静态电压值vstate＝v0+Δvforecast，
步骤e2、将步骤e1获得对应的静态电压值vstate带入到步骤b中的拟合函数，得到放出电量值Qout＝f(i,vstate)；
步骤e3、电池作为电源满足汽车行驶放出的最大电源为Qend，剩余电量SOC的估计值为：
电池的健康状况评估步骤：
随着放电次数的增加，电池的放电能力会逐渐降低。
步骤f1、、最终放电电量qend和标准循环放电次数n进行拟合得到放电电量qend和标准放电次数n的曲线关系，函数表达式为：n＝g(qend)；
步骤f2、对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤f3、将步骤f2的计算结果按比例缩放得到可实际释放的电量
步骤f4、将步骤f2的结果带入到步骤f1中的函数，得到对应的循环放电次数n；
步骤f5、标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤f4中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况
温度对电池剩余电量的估计的影响：
步骤g1、温度和最终的放电电量之间存在着对应关系，将温度和最终放电电量进行拟合，得到函数关系:Q可用＝f(T)。
步骤g2、对当前温度下的剩余电量进行估算：
电池的健康状况评估：
步骤h1、对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤h2、将步骤h1的计算结果按比例缩放得到标准温度条件下的可实际释放的电量
步骤h3、将步骤h2计算的结果带入到函数n＝g(qend)，得到对应的循环放电次数n；
步骤h4、标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤h3中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况

Claims (8)

1.对铅酸蓄电池进行恒流放电，
步骤a1，准备健康状态良好的电池组，将电池充满电，
步骤a2，设定好若干组放电倍率，I1、I2、......In，
步骤a3，按照步骤b设定好的放电倍率I1开始放电，从放电起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电，
步骤a4，将电池充满电后根据步骤b设定的放电倍率，选取未进行实验的放电倍率，从起始时刻开始采集电源的外部电压vn和对应时刻tn，到达放电终止电压后停止放电，
步骤a5，重复步骤d直至完成所有的放电倍率。
2.对恒流放电的实验数据进行运算，获得其静态放电的电流电压与SOC的关系，
步骤b1，通过积分的方法分别获得铅酸蓄电池不同放电倍率情况下的的电量消耗值
步骤b2，将实验数据和对应步骤f的电量消耗值组成数列(IjvnQn)，
步骤b3，取电池容量的5％对应的放电量Q5％,分别找到不同放电倍率下的电流与电压对应值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(invnQ5％)，
步骤b4，取终止电压Vend对应的放电电流和放电电量的值，将其拟合成曲线，在曲线上离散取点，组成数列(inVendQn)，
步骤b5，将步骤b2、步骤b3和步骤b4中获得的数列重新组合成一个总的数列(invnQn)，
步骤b6，将步骤b5中的数列通过拟合的方法进行拟合，将放电电量看做是函数值，将放电电流和和放电电压看做是两个变量，得到拟合函数结果Q＝f(i,v)。
3.对铅酸蓄电池进行升电流放电，
步骤c1，设定好好放电倍率差Id1、Id2、......Idn，
步骤c2，进行升电电流放电数据采集，设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电，
步骤c3，待电压变化平稳后进行升电放电，将电流升至Id0+Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率，
步骤c4，将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)，
步骤c5，重复步骤c3，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0+Id2……Id0+Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、......Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)，
步骤c6，将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v’＝f(id)，
步骤c7，将id＝0代入上述公式中，获得v’end，
步骤c8，取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv＝f升(v’)，
步骤c9，将v’end代入公式Δv＝f升(v’)，得到Δvend，
步骤c10，计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v’)，
步骤c11，计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0+Δvforecast。
4.进行降电流放电数据采集，
步骤d1，设定某一初始放电倍率为Id0，先按照Id0恒流放电，
步骤d2，待电压变化平稳后进行升电放电，将电流降至Id0-Id1，此时开始采集电压和时间的数据，将其对应成数组(vn、tn)，取起始时刻的几个数据组获得起始时刻的电压变化速率公式如下：为方便表示，用v’1表示电压变化率，
步骤d3，将电压变化速率v’1和电流的升高值Id1组合成向量(v’1，Id1)，
步骤d4，重复步骤d2，按照上述步骤形式依次完成Id0变化到Id0-Id2、……、Id0-Idn的电压数据和时间数据采集，计算获得其对应电压变化变化率v’2v’3……v’n，将电压变化率v’2v’3……v’n与对应的放电倍率差Id2、Id3、......Idn组合成向量(v’2，Id2)(v’3，Id3)……(v’n，Idn)，
步骤d5，将电压变化率和电流的升高值进行拟合得到其对应关系函数：v’＝f(id)，
步骤d6，将id＝0代入步骤d5的公式中，获得v’end，
步骤d7，取电流差值最大的一组实验数据，将其进行转换成数组(vi-v0，v’i)，简单表示成(Δvi,v’i)，Δv与v’i进行拟合，得到对应关系Δv升电＝f(v’)，
步骤d8，将步骤b6中的v’end代入公式Δv＝f(v’)，得到Δvend，
步骤d9，计算对应未来稳定时刻的电压变化值为Δvforecast＝Δvend-f(v’)，
步骤d10，计算对应静态稳定电压值为：vstate＝v0+Δvforecast。
5.获得标准温度条件下的铅酸蓄电池SOC估计值，
步骤e1，采集电池的外部电流值i、电压值v和对应时间t，通过上述步骤c、步骤d获得对应的静态电压值vstate＝v0+Δvforecast，
步骤e2，将步骤e1获得对应的静态电压值vstate带入到步骤b中的拟合函数，得到放出电量值Qout＝f(i,vstate)，
步骤e3，电池作为电源满足汽车行驶放出的最大电源为Qend，剩余电量SOC的估计值为：
6.电池的健康状况评估步骤，
步骤f1，将最终放电电量qend和标准循环放电次数n进行拟合得到放电电量qend和标准放电次数n的曲线关系，函数表达式为：n＝g(qend)，
步骤f2，对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤f3，将步骤f2的计算结果按比例缩放得到可实际释放的电量
步骤f4，将步骤f2的结果带入到步骤f1中的函数，得到对应的循环放电次数n，
步骤f5，标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤f4中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况
7.温度对电池剩余电量的估计的影响，
步骤g1，温度和最终的放电电量之间存在着对应关系，将温度和最终放电电量进行拟合，得到函数关系:Q可用＝f(T)，
步骤g2，对当前温度下的剩余电量进行估算：
8.考虑温度条件下的电池的健康状况评估，
步骤h1，对电池的放电电流、电压和时间进行采样，得到采样期间的理论放电电量实际放电电量
步骤h2，将步骤h1的计算结果按比例缩放得到标准温度条件下的可实际释放的电量
步骤h3，将步骤h2计算的结果带入到函数n＝g(qend)，得到对应的循环放电次数n，
步骤h4，标准循环工况下的最大循环次数nend，与步骤h3中的放电次数n做差,得到可用标准循环次数n可用＝nend-n，可以得到电池的剩余寿命占总寿命的百分比，用剩余寿命百分比来评估电池的健康状况
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