CN105891723B - 一种基于有效可充放电容量的电池soc计算方法 - Google Patents

一种基于有效可充放电容量的电池soc计算方法 Download PDF

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    • G01R31/387—Determining ampere-hour charge capacity or SoC

Abstract

本发明公开了一种基于有效可充放电容量的电池SOC计算方法，属于电池管理技术领域。本发明技术要点：包括准备步骤及电池充电管理步骤：准备步骤包括：测量电池在设定充电条件下的最大可充电量，建立充电条件与最大可充电量之间的对应关系；判断电池是否与充电桩通信，若是则确定电池处于充电过程并执行电池充电管理步骤等。

Description

一种基于有效可充放电容量的电池SOC计算方法
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，特别涉及电池SOC(state of charge，荷电状态)计算方法。
背景技术
现有的电池SOC计算方法主要有放电实验法、安时积分法、开路电压发、模型法、神经网络法及卡尔曼滤波法等。其中，安时积分法最具有实际应用价值，但由于电流采样精度引起的误差累积，以及电池随着使用时间的增长容量发生衰退，导致其计算精度不够。
更重要的是，电池在不同条件(包括充放电电流、电池工作温度)下的实际容量不同，在实际工况下充电/放电时，存在不可用的充电/放电容量，现有技术在进行电池SOC计算时未考虑或不能准确地考量不可用充电/放电容量引起的SOC计算误差，导致计算准确度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于有效可充电容量或放电容量计算电池SOC的方法，以提高SOC计算精度。
本发明提供的一种基于有效可充电容量的电池SOC计算方法，包括准备步骤及电池充电管理步骤：
准备步骤包括：测量电池在设定充电条件下的最大可充电量，建立充电条件与最大可充电量之间的对应关系，确定在不同充电条件下可进行电量校准的电压范围并建立在该电压范围内电压与电量水平的对应关系；
判断电池是否与充电桩通信，若是则确定电池处于充电过程并执行电池充电管理步骤，电池充电管理步骤进一步包括：
步骤C1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量；
步骤C2：查询当前充电条件下的最大可充电量，根据最大可充电电量及当前电量确定有效可以充入的电量ΔQ1；
步骤C3：根据公式K1＝(100-SOC(k-1))/(K0×ΔQ1)确定充电系数K1，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K1×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为充电电流，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量；
重复步骤C2到步骤C3，直到充电结束；
步骤C4：充电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次充电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准。
进一步，所述充电条件包括充电电流及充电时的电池实际工作温度。
进一步，步骤C4中，所述电量校准条件为本次充电结束时电池的电压到达可进行电量校准的电压范围；电量校准步骤为：根据根据充电结束时的电池电压、充电电流及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量。特别地，若充电结束时电池的电压到达电压上限值，则将所述最大可充入电量作为当前的电量。
进一步，所述步骤C4中，所述电流通过分流器或霍尔元件采集。
进一步，所述步骤C4中，电池电量系数K0的校准条件为同时满足：1)若本次充电与上次充电之间无放电操作，且两次充电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次充电开始时电池电量小于第一设定值。否则，要求本次充电开始时电池电量小于第一设定值；2)本次充电结束时电池的电量大于第二设定值或者电池电压高于第三设定值；所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算充电过程中电池的实际累计充电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
本发明还提供了一种基于有效可放电容量的电池SOC计算方法，包括准备步骤及电池放电管理步骤：
准备步骤包括：测量电池在设定放电条件下的不可用电量，建立放电条件与不可用电量之间的对应关系，确定不同放电条件下可进行电量校准的放电电压范围并建立在该电压范围内电压与电量水平的对应关系；
判断电池是否与充电桩通信，若否则确定电池处于放电过程并执行电池放电管理步骤，电池放电管理步骤进一步包括：
步骤D1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量；
步骤D2：查询当前放电条件下的不可用电量，根据不可用电量及当前电量确定有效可以放电的电量ΔQ2；
步骤D3：根据公式K2＝SOC(k-1)/(K0×ΔQ2)确定放电系数K2，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K2×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为放电电流，I为负数，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量；
重复步骤D2到步骤D3，直到放电结束；
步骤D4：放电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次放电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准。
进一步，所述放电条件包括放电电流及放电时的电池实际工作温度。
进一步，步骤D4中，所述电量校准条件为本次放电结束时电池的电压到达可进行电量校准的电压范围；电量校准步骤为：计算在某一时间段内放电电流平均值，根据放电结束阶段的电池电压、放电电流平均值及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量。
进一步，所述某一时间段的确定步骤为，使用二阶RC等效电路描述电池的动态响应并测算RC回路的时间常数；取等效电路中阻值较大的RC回路的时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段；或当等效电路中各RC回路阻值相近时取各RC回路中较大时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段，所述相近是指两个RC回路阻值的比值在0.8～1.2之间。
进一步，所述步骤D4中，
电流通过分流器或霍尔元件采集，所述电池电量系数K0的校准条件为同时满足：1)若本次放电与上次放电之间无充电操作，且两次放电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次放电开始时电池电量大于第四设定值。否则，要求本次放电开始时电池电量大于第四设定值；2)本次放电结束时电池的电量小于第五设定值或者电池电压低于第六设定值；
所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算放电过程中电池的实际累计放电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的电池SOC计算方法是基于电池实际可充/可放电容量进行计算的，准确度更高，且计算量小、可在单片机上进行快速实时计算，实用性强。
2、本发明方法包含了对实际工况下电池实际可用容量变化的修正，以及对电池老化引起的容量衰退和安时积分法引起的累积误差的修正，准确度高，同时在复杂变化的温度和电流条件下依然保持高精度和高准确度。本发明计算得到的SOC精度小于等于1％，计算得到的SOC与SOC真实值的偏差不超过±2％。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明中电池充电管理步骤流程图。
图2为本发明中电池放电管理步骤流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明提供了电池放电过程中的SOC计算方法及放电过程的SOC计算方法。
首先需要进行准备步骤，本领域技术人员知晓，不同材质的电池在不同的设定条件下具有相应的最大充电电量及不可用电量。最大充电电量是指电池充点到一定量后便再也充不进去了，不可用放电电量是指电池放电到一定量后及时还有剩余电量，依然放不了电量。
由于这两个参数与充、放电电流及电池的实际工作温度有关，因此需要模拟不同设定条件(主要是电流及电池实际工作温度)并测量该电池在各种设定条件下的最大充电电路及不可用电量，得到一张表，该表反应了不同设定条件与电池最大可充电电量及不可用电量之间的对应关系。
对于电池来说，其具有电压上限值及电压下限值，一般来说电池的电压上限值与电压下限值分别构成了电池电量校准的充电电压范围或电量校准的放电电压范围，但是在不同的充/放电实际温度及充/放电电流下，电池的实际所能达到的电压上限值会在电压额定上限值以下变化，电池的实际所能达到的下限值会在电压额定下限值以上变化，因此还需要测试并建立不同充/放电条件与电池充/放电电压范围的对应关系，并在该电压范围内电池电压与电量水平的对应关系。
待准备步骤执行完毕后，根据电池是否与充电桩等充电接口连接来判断电池处于充电状态还是放电状态，当电池与充电桩连接时则认为电池处于充电状态，否则认为电池处于放电状态。
当判断出电池处于充电状态时，则执行充电管理步骤，当判断出电池处于放电状态时，则执行放电管理步骤。
参见图1，以使用磷酸铁锂和石墨分别作为正极和负极材料的锂离子电池的充电过程为例，充电管理步骤包括：
步骤C1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量Q0(k-1)。
步骤C2：查询当前充电条件下的最大可充电量，根据最大可充电电量及当前电量确定有效可以充入的电量ΔQ1＝最大可充电电量-Q0(k-1)。
步骤C3：根据公式K1＝(100-SOC(k-1))/(K0×ΔQ1)确定充电系数K1，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K1×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为充电电流，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量。
重复步骤C2到步骤C3，直到充电结束；将充电结束后的电池SOC及电池电量存储到电池管理系统的存储器中以备下次充电管理时使用。
步骤C4：充电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次充电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准。
在另一个实施例步骤C4中，所述电量校准条件为本次充电结束时电池的电压到达前述的电量校准的充电电压范围；
电量校准的方法是根据充电结束时的电池电压、充电电流及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量。特别地，若充电结束时电池的电压到达电压上限值，则将所述最大可充入电量作为当前的电量。
所述步骤C4中，所述电流通过分流器或霍尔元件采集，所述电池电量系数K0的校准条件为为同时满足：1)若本次充电与上次充电之间无放电操作，且两次充电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次充电开始时电池电量小于第一设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯充电起始SOC小于3％。否则，要求本次充电开始时电池电量小于第一设定值；2)本次充电结束时电池的电量大于第二设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯在0.3C充电至SOC大于95％，或者电池电压高于第三设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯在0.3C充电至电压不低于3.5V。
前述搁置时间是指电池既不放电也不充电而是处于静置状态是的时间间隔。
所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算充电过程中电池的实际累计充电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
实际累计充电电量可通过充电电压及充电电流计算得到，电池电量变化量通过检测得到。
参见图2，以使用三元材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)和石墨分别作为正极和负极材料的锂离子电池的放电过程为例，放电管理步骤包括：
步骤D1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量Q0(k-1)；
步骤D2：查询当前放电条件下的不可用电量，根据不可用电量及当前电量Q0(k-1)确定有效可以放电的电量ΔQ2＝不可用电量-Q0(k-1)；
步骤D3：根据公式K2＝SOC(k-1)/(K0×ΔQ2)确定放电系数K2，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K2×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为放电电流，I为负数，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量；
重复步骤D2到步骤D3，直到放电结束；将放电结束后的电池SOC及电池电量存储到电池管理系统的存储器中以备下次放电管理时使用。
步骤D4：放电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次放电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准。
在另一实施例中，步骤D4中，所述电量校准条件为本次放电结束时电池的电压到达可进行电量校准的电压范围；电量校准步骤为：计算在某一时间段内放电电流平均值，根据放电结束阶段的电池电压、放电电流平均值及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量。
所述某一时间段可以这样确定，使用二阶RC等效电路描述电池的动态响应并测算RC回路的时间常数；取等效电路中阻值较大的RC回路的时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段；或当等效电路中各RC回路阻值相近时取各RC回路中较大时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段，所述相近是指两个RC回路阻值的比值在0.8～1.2之间。
所述步骤D4中，电流通过分流器或霍尔元件采集，所述电池电量系数K0的校准条件为同时满足：1)若本次放电与上次放电之间无充电操作，且两次放电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次放电开始时电池电量大于第四设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯在放电的起始SOC大于95％。否则，要求本次放电开始时电池电量大于第四设定值；2)本次放电结束时电池的电量小于第五设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯以接近0.3C的平均电流放电至可用容量低于标称容量的6％，或者电池电压低于第六设定值，如20℃下，磷酸铁锂电芯以接近0.3C的平均电流放电至电压低于3.0V。
所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算放电过程中电池的实际累计放电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (3)

1.一种基于有效可充电容量的电池SOC计算方法，其特征在于，包括准备步骤及电池充电管理步骤：
准备步骤包括：测量电池在设定充电条件下的最大可充电量，建立充电条件与最大可充电量之间的对应关系，确定不同充电条件下可进行电量校准的电压范围并建立在该电压范围内电压与电量水平的对应关系；
判断电池是否与充电桩通信，若是则确定电池处于充电过程并执行电池充电管理步骤，电池充电管理步骤进一步包括：
步骤C1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量；
步骤C2：查询当前充电条件下的最大可充电量，根据最大可充电量及当前电量确定有效可以充入的电量ΔQ1；
步骤C3：根据公式K1＝(100-SOC(k-1))/(K0×ΔQ1)确定充电系数K1，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K1×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为充电电流，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量；
重复步骤C2到步骤C3，直到充电结束；
步骤C4：充电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次充电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准；
所述电量校准条件为本次充电结束时电池的电压到达可进行电量校准的电压范围；电量校准步骤为：根据充电结束时的电池电压、充电电流及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量；若充电结束时电池的电压到达电压上限值，则将所述最大可充电量作为当前的电量；
所述充电电流通过分流器或霍尔元件采集；所述步骤C4中，电池电量系数K0的校准条件为同时满足：1)若本次充电与上次充电之间无放电操作，且两次充电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次充电开始时电池电量小于第一设定值；否则，要求本次充电开始时电池电量小于第一设定值；2)本次充电结束时电池的电量大于第二设定值或者电池电压高于第三设定值；所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算充电过程中电池的实际累计充电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
2.一种基于有效可放电容量的电池SOC计算方法，其特征在于，包括准备步骤及电池放电管理步骤：
准备步骤包括：测量电池在设定放电条件下的不可用电量，建立放电条件与不可用电量之间的对应关系，确定不同放电条件下可进行电量校准的放电电压范围并建立在该电压范围内电压与电量水平的对应关系；
判断电池是否与充电桩通信，若否则确定电池处于放电过程并执行电池放电管理步骤，电池放电管理步骤进一步包括：
步骤D1：从电池管理系统的存储器中读取电池的起始SOC和起始电量；将起始SOC及起始电量分别作为当前SOC(k-1)及当前电量；
步骤D2：查询当前放电条件下的不可用电量，根据不可用电量及当前电量确定有效可以放电的电量ΔQ2；
步骤D3：根据公式K2＝SOC(k-1)/(K0×ΔQ2)确定放电系数K2，并计算SOC(k)＝SOC(k-1)+K2×I×Δt；其中K0为电池电量系数；SOC(k-1)为电池的当前SOC，SOC(k)为下一时刻的电池SOC，I为放电电流，I为负数，Δt为当前时刻与下一时刻的时间差；同时检测并更新当前电池电量；
重复步骤D2到步骤D3，直到放电结束；
步骤D4：放电结束后对电池当前电量及电池电量系数K0进行校准：(a)判断是否满足电量校准条件，若满足则对电池当前的电量进行校准；(b)判断本次放电过程是否满足电池电量系数K0的校准条件，若满足则对电池电量系数K0进行校准；
所述电量校准条件为本次放电结束时电池的电压到达可进行电量校准的电压范围；电量校准步骤为：计算在某一时间段内放电电流平均值，根据放电结束阶段的电池电压、放电电流平均值及当前电池实际工作温度查询与之对应的电量水平，将所述电量水平作为电池当前的电量；
所述步骤D4中，所述电流通过分流器或霍尔元件采集；所述电池电量系数K0的校准条件为同时满足：1)若本次放电与上次放电之间无充电操作，且两次放电之间的搁置时间与电池自放电率之积小于2％，则要求上次放电开始时电池电量大于第四设定值，否则，要求本次放电开始时电池电量大于第四设定值；2)本次放电结束时电池的电量小于第五设定值或者电池电压低于第六设定值；所述电池电量系数K0的校准步骤为：计算放电过程中电池的实际累计放电量与电池电量状态变化量的比值，将所述比值作为电池电量系数K0。
3.根据权利要求2所述的一种基于有效可放电容量的电池SOC计算方法，其特征在于，所述某一时间段的确定步骤为：使用二阶RC等效电路描述电池的动态响应并测算RC等效电路的时间常数；取等效电路中阻值较大的RC等效电路的时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段；或当等效电路中各RC等效电路阻值相近时取各RC等效电路中较大时间常数的0.2～6倍为所述某一时间段，所述相近是指两个RC等效电路阻值的比值在0.8～1.2之间。
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