CN106199434A - 电池及电池组的状态检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种电池及电池组状态检测方法及装置。本发明利用简单的电池模型，根据历史电池参数计算当前的电池状态，同时，基于荷电状态的变化不断更新电池模型中的电池内阻和电池电容，由此，在简单模型的基础上解决了参数随时间及电池电量变化对电池电量检测的影响，提高了电池和电池组状态检测的准确性。

Description

电池及电池组的状态检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电源管理技术，具体涉及一种电池及电池组的状态检测方法及装置。

背景技术

对电池状态进行检测对于便携终端或户外设备的电源管理至关重要。以电池的荷电状态(也称为剩余电量百分比，State of Charge，SOC)为例，部分现有技术采用电池端电压分区法，其根据电池的端电压所在区间给出对应的电池荷电状态，这种方案的优点在于结构简单，但是只能粗略的显示电池电量的大致情况，而且在电池充电或放电电流较大时误差非常大。由此，亟需一种更加精确并具有更好的适应性的电池或电池组的状态测量方法和装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种更加精确的电池及电池组的状态测量方法及装置。

第一方面，提供一种电池状态检测方法，所述方法包括：

根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池内阻和所述电池电容根据电池荷电状态更新；

根据开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期的开路电压对应的荷电状态。

优选地，根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压包括：

根据前一周期获取的开路电压以及前一周期对应的电池内阻和电池电容获取所述当前周期的开路电压。

优选地，所述在前周期对应的电池内阻根据所述在前周期的电池的端电压、充放电电流和开路电压计算获得，所述开路电压根据开路电压-荷电状态对应关系和所述在前周期的荷电状态获得。

优选地，所述在前周期对应的电池内阻根据所述在前周期的荷电状态和预先设置的荷电状态-电池内阻对应关系获得。

优选地，所述在前周期对应的电池内阻还根据电池的充放电次数进行补偿。

优选地，所述在前周期对应的电池内阻还根据温度进行补偿。

优选地，所述在前周期对应的电池电容根据周期时长、电池充放电电流和电池在对应周期内的开路电压变化值获得。

优选地，所述电池在对应周期内的开路电压变化值根据所述对应周期内的荷电状态变化值和开路电压-荷电状态对应关系获得。

优选地，所述在前周期对应的电池电容根据所述在前周期的荷电状态和预先设置的荷电状态-电池电容对应关系获得。

优选地，所述在前周期对应的电池电容还根据电池的充放电次数进行补偿。

第二方面，提供一种电池组状态检测方法，所述电池组包括至少两个串联或并联的电池，所述方法包括：

根据如上所述的方法获取电池组中每个电池对应的荷电状态；

根据每个电池对应的荷电状态计算所述电池组的荷电状态。

第三方面，提供一种电池组状态检测方法，所述电池组包括至少两个串联或并联的电池，所述方法包括：

根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池组内阻和电池组电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池组内阻和所述电池组电容随电池荷电状态变化并根据电池组电流和电池组电压更新，在所述电池组为串联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电电流，所述电池组电压为电池组的平均端电压，在所述电池组为并联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电平均电流，所述电池组电压为电池组的端电压；

根据电池开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期开路电压对应的荷电状态作为电池组的荷电状态。

第四方面，提供一种电池或电池组的状态检测装置，所述装置包括处理器，所述处理器适于执行如上所述的方法。

本发明实施例利用简单的电池模型，根据历史电池参数计算当前的电池状态，同时，基于荷电状态的变化不断更新电池模型中的电池内阻和电池电容，由此，在简单模型的基础上解决了参数随时间及电池电量变化对电池电量检测的影响，提高了电池和电池组状态检测的准确性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的电池状态检测方法的流程图；

图2是本发明实施例进行开路电压获取采用的电池模型的示意图；

图3是OCV-SOC曲线的一个示例性示意图；

图4是本发明实施例中某型号电池的电池内阻随荷电状态变化的对应关系曲线图；

图5是本发明实施例的电池状态检测方法的一个优选实施方式的信号流向图；

图6是本发明另一个实施例的电池组状态检测方法的流程图；

图7是本发明又一个实施例的电池组状态检测方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

现有技术中，可以实时采样电池的充放电电流，并通过积分获取电池的电荷量变化，然后根据电池的总电荷量以及电荷量变化值来计算出电池的荷电状态。这种方法可称为电荷量计算法或库仑计法，其在大电流充放电时测量准确度较高。但是，在充放电电流较小时，由于电流计测量误差会带来测量误差，同时这个测量误差会累积，不能消除。电池存在自放电现象，这个电流很小且不可测量，库仑计法不能计算这部分电量消耗。

另一方面，在现有技术中，还存在方法通过构建电池模型，并基于可测量的电池参数和电池模型计算电池的开路电压(Open Circuit Voltage，OCV)，然后根据电池的SOC-OCV(荷电状态-开路电压)关系曲线/表格获取对应的荷电状态。但是，电池的开路电压模型有很多种，简单的模型无法完全表征电池的特性，复杂的模型需要测量的电池参数较多，为方法的应用带来困难。

本发明实施例的方案利用简单的电池模型，根据历史电池参数计算当前的电池状态，同时，基于荷电状态的变化不断更新电池模型中的电池内阻和电池电容，由此，在简单模型的基础上解决了参数随时间及电池电量变化对电池电量检测的影响，提高了电池和电池组状态检测的准确性。

图1是本发明实施例的电池的检测方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤S100、根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池内阻和所述电池电容根据电池荷电状态更新。

图2是本发明实施例进行开路电压获取采用的电池模型的示意图。如图2所示，所述电池模型包括串联的电池电容C_CAP和电池电阻R_BAT。电池电容C_CAP两端电压为电池开路电压V_OCV。电池模型的两端电压为电池的端电压V_BAT。其中，电池内阻R_BAT和电池电容C_CAP至少随电池的荷电状态变化，同时，有可能受到例如充放电次数、温度等多种因素影响。

对于图2所示的电路，根据基尔霍夫电压定律有：

$V_{OCV}-R_{BAT}{C}_{CAP}\frac{{\mathrm{dV}}_{OCV}}{dt}=V_{BAT}$

对上式进行离散化有：

$V_{OCV}\left(k\right)-R_{BAT}(k-1)C_{CAP}(k-1)\frac{V_{OCV}\left(k\right)-V_{OCV}(k-1)}{T}=V_{BAT}\left(k\right)$

其中，T为进行检测的周期，V_OCV(k)为当前周期的开路电压，V_OCV(k-1)为前一周期的开路电压，R_BAT(k-1)为前一周期的电池内阻，C_CAP(k-1)为前一周期的电池电容。

基于上式可求得当前周期对应的开路电压V_OCV(k)：

$V_{OCV}\left(k\right)=\frac{-V_{OCV}(k-1)R_{BAT}(k-1)C_{cap}(k-1)+V_{BAT}\left(k\right)\·T}{-R_{BAT}(k-1)C_{cap}(k-1)+T}$

由此，根据电池的在前周期的参数，可以获得当前周期的电池开路电压。

容易理解，采用在前周期的参数计算开路电压并不限于前一周期的参数，基于不同的方式进行基尔霍夫电压公式的离散化(例如，离散化为与k-2或k-3的参数相关的公式)，可以获得开路电压与前N个周期的参数关系，并进而基于此进行计算。更进一步地，电池模型也可以并不限于图2所示的电路模型，基于更复杂的电路模型构建开路电压与电池参数的关系，并离散化后，也可以通过历史电池参数获取当前周期的电池开路电压。更进一步地，即使不进行离散化，而采用历史数据求取V_OCV的变化斜率进而也可以计算获得当前的开路电压。

步骤S200、根据开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期开路电压对应的荷电状态。

图3是OCV-SOC曲线的一个示例性示意图。如图3所示，随着荷电状态SOC的下降，电池的开路电压呈下降趋势，图3中示出了多个不同制造商制造的电池的OCV-SOC曲线。根据图3可知，开路电压V_OCV与电池荷电状态SOC之间是一一对应关系，由此，在预先测量获得该曲线后，可以根据开路电压V_OCV获取对应的荷电状态SOC，也可以那样，根据荷电状态SOC获取对应的开路电压V_OCV。

如上所述，电池内阻R_BAT和电池电容C_CAP根据电池荷电状态实时更新。在本实施例中，每个检测周期中都根据电池荷电状态的变化跟新电池内阻R_BAT和电池电容C_CAP。

对于图2所示的电池模型，开路电压V_OCV等于端电压V_BAT加上电池内阻R_BAT的压降，也即，V_OCV＝V_BAT+I*R_BAT，其中，I为流过电池的电流，也即充放电电流。由此，可得电池内阻R_BAT(k-1)满足：

$R_{BAT}(k-1)=\frac{V_{OCV}(k-1)-V_{BAT}(k-1)}{I(k-1)}$

电池电流I以及端电压V_BAT容易通过对电池的测量获得。而开路电压V_OCV可以通过上一周期的SOC根据OCV-SOC对应关系反查表获得。也即，获取前一周期计算获得的荷电状态，根据OCV-SOC的对应关系获取该荷电状态对应的V_OVC。类似地，所有在前周期的电池内阻均可以基于类似方式来进行计算。也就是说，在前周期对应的电池内阻根据所述在前周期的电池的端电压、充放电电流和开路电压计算获得，所述开路电压根据开路电压-荷电状态对应关系和所述在前周期的荷电状态获得。

图4是本发明实施例中某型号电池的电池内阻随荷电状态变化的对应关系曲线图。如图4所示，曲线1表征根据如上方式计算获得的电池内阻随SOC的下降而逐渐上升。对于曲线1进行分段线性化可以获得曲线2。曲线2以一一对应的方式表征电池内阻和电池的荷电状态之间的关系。由此，在一个优选的实施方式中，可以预先通过计算或测量获得特定型号电池的荷电状态-电池内阻对应关系(例如图4所示的曲线2)。然后，基于在前周期的荷电状态获取对应的电池内阻。采用这种方式不需要每个周期进行计算，减少了计算量。

除了荷电状态外，电池内阻通常还会受到电池充放电次数和/或温度的影响。由此，可以引入相应的参量对电池内阻进行补偿和修正以获得更加准确的电池内阻估计值。

在一个优选实施方式中，同时考虑荷电状态、充放电次数以及温度对于电池内阻的影响，也即，将电池内阻看作与荷电状态、充放电次数以及温度相关的函数。

因此，在通过计算或通过的荷电状态-电池内阻对应关系获得电池内阻的初步估计值后，根据电池的充放电次数进行对电池内阻估计值进行补偿。在本优选实施方式中，充放电次数可定义为荷电状态单方向变化量累计达到100％的次数。例如，上一次电池充到80％，然后开始放电到40％，再充电20％至60％时，此时荷电状态单方向变化量(充电)累积到100％，由此，将充放电次数cycles加1。根据当前电池充放电次数的不同，采用不同的加权系数来修正补偿电池内阻估计值，如下表所示：

Cycles	≤100	100<cycles≤200	200<cycles≤300	300<cycles≤400	400<cycles
						RBAT	K1＊RBAT	K2＊RBAT	K3＊RBAT	K4＊RBAT	K5＊RBAT

其中，K1-K5可以由实验测试得到也可以由电池厂商提供。容易理解，上述的补偿方式仅为示例，本领域技术人员也可以采用现有技术中其它的基于电池使用时间或次数的补偿方法对电池内阻估计值进行补偿。

同时，针对温度的补偿可以基于如下公式进行：

R_BAT(Temp)＝R_BAT(Temp1)+(Temp-Temp1)×m×R_BAT(Temp1)

上式中R_BAT(Temp)是指在温度等于Temp时的电池内阻，R_BAT(Temp1)是指在温度等于Temp1时对电池内阻，m是温度调整系数。上述公式进行温度补偿的基本原理就是以某一温度下的电阻作为基准，其他温度下的电阻都是在基准电阻的基础上进行调整。

可选地，温度补偿可以在进行充放电次数补偿前进行，基于温度补偿后的电池内阻估计值再进行充放电次数补偿。可选地，温度补偿也可以在充放电次数补偿后进行。

由此，可以精确补偿荷电状态、温度以及电池使用次数对电池内阻的影响，保证方法的估计精度。

同时，对于图2所示的电池模型，电池电容C_CAP满足：

$C_{CAP}=I\frac{dt}{{\mathrm{dV}}_{OCV}}=I*\frac{T}{{\mathrm{\ΔV}}_{OCV}}$

其中，T为检测的周期时长，I为流过电池的电流，也即充放电电流。ΔV_OCV为电池的开路电压在对应周期内的变化值，其可以通过根据荷电状态的变化值通过查询电池开路电压-荷电状态对应关系获得对应周期的ΔV_OCV。由此，可以通过历史数据计算获得该周期其对应的电池电容。也就是说，在前周期对应的电池电容根据周期时长、电池充放电电流和电池在对应周期内的开路电压变化值获得。也就是说，电池电容C_CAP实际上是随着荷电状态而变化的。因此，与电池内阻类似，也可以采用预先测量或计算获得电池电容随荷电状态变化的规律，获取荷电状态-电池电容对应关系。在进行检测时，直接根据所述在前周期的荷电状态和预先设置的荷电状态-电池电容对应关系获得在前周期对应的电池电容。

除了荷电状态外，电池电容还会受到电池使用次数的影响(电池电容受温度的影响较小，可以忽略不计)。因此，在通过计算或通过的荷电状态-电池电容对应关系获得电池电容的初步估计值后，根据电池的充放电次数进行对电池电容估计值进行补偿。

在一个优选实施方式中，采用如下表所示的方式对电池电容进行补偿：

Cycles	≤100	100<cycles≤200	200<cycles≤300	300<cycles≤400	400<cycles
						CCAP	K6＊CCAP	K7＊CCAP	K8＊CCAP	K9＊CCAP	K10＊CCAP

其中，K6-K10可以由实验测试得到也可以由电池厂商提供。容易理解，上述的补偿方式仅为示例，本领域技术人员也可以采用现有技术中其它的基于电池使用时间或次数的补偿方法对电池电容估计值进行补偿。

图5是本发明实施例的电池状态检测方法的一个优选实施方式的信号流向图。在图5所示的优选实施方式中，采用查询预先设置的荷电状态-电池内阻对应关系和荷电状态-电池电容对应关系的方式来获得电池内阻和电池电容的估计值。其中，电压检测模块51检测电池端电压V_BAT。温度检测模块52检测温度Temp。电阻更新模块53接收反馈的在前周期的荷电状态SOC根据预先设置的荷电状态-电池内阻对应关系获取电池内阻估计值R_BAT’。同时，电容更新模块54接收反馈的在前周期的荷电状态SOC根据预先设置的荷电状态-电池电容对应关系获取电池电容估计值C_CAP’。电阻和电容补偿模块55基于温度以及使用次数计数模块56输出的使用次数cycles对电池内阻估计值R_BAT’补偿，输出经补偿的电池内阻R_BAT。同时，电阻和电容补偿模块55还基于使用次数对电池电容估计值C_CAP’进行补偿，输出经补偿的电池电容C_CAP。OCV计算模块57根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压V_OCV。对应关系查询模块58根据当前周期的开路电压输出对应的荷电状态SOC。所述荷电状态SOC还被输入到使用次数计数模块56以累计进行使用次数计数。

通过基于荷电状态的变化不断更新电池模型中的电池内阻和电池电容，可以在简单模型的基础上解决了参数随时间及电池电量变化对电池电量检测的影响，提高电池状态检测的准确性。

同时，本发明并不限于对于单个电池的状态检测，对于多个相互串联或并联的电池构成的电池组也可以进行状态检测。

图6是本发明另一个实施例的电池组状态检测方法的流程图。如图6所示，所述方法包括：

步骤S610、根据与上一实施例相同的方法获取电池组中每个电池对应的荷电状态。

步骤S610分别对每个电池进行检测，然后分别对每个电池获得能够较为精确地表征每个电池的荷电状态的荷电状态估计值。

步骤S620、根据每个电池对应的加权荷电状态计算所述电池组的荷电状态。

在步骤S620，对所有电池的荷电状态进行汇总计算，例如，在所有的电池的容量相同时进行平均计算以获得整个电池组的荷电状态。

由此，可以较为精确地检测整个电池组的状态。

图7是本发明又一个实施例的电池组状态检测方法的流程图。如图7所示，所述方法包括：

步骤710、根据在前周期获取的开路电压V_OCV以及在前周期对应的电池组内阻和电池组电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池组内阻和所述电池组电容随电池荷电状态变化并根据电池组电流和电池组电压更新。

在所述电池组为串联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电电流，所述电池组电压为电池组的平均端电压。

在所述电池组为并联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电平均电流，所述电池组电压为电池组的端电压；

步骤720、根据电池开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期开路电压对应的荷电状态作为电池组的荷电状态。

与图6所示的方法不同，本实施例将整个电池组当作一个电池来进行检测。在所述电池组为串联电池组时，将电池组的端电压进行平均后获得电池组中串联电池的平均端电压来获取对应的电池内阻和电池电容。在所述电池组为并联电池组时，将电池组的总充放电电流平均后作为虚拟的电池的充放电电流来获取对应的电池内阻和电池电容。由此，可以减少计算量和检测量而直接获得整个电池组的荷电状态。

通过基于荷电状态的变化不断更新电池模型中的电池内阻和电池电容，可以在简单模型的基础上解决了参数随时间及电池电量变化对电池电量检测的影响，提高电池组状态检测的准确性。

容易理解，本说明书以上所述的各种电池或电池组的检测方法可以应用于包括处理器的通用数据处理装置，从而实现对于电池状态的检测。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种电池状态检测方法，所述方法包括：

根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池内阻和所述电池电容根据电池荷电状态更新；

根据开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期的开路电压对应的荷电状态。

2.根据权利要求1所述的电池状态检测方法，其特征在于，根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池内阻和电池电容获取当前周期的开路电压包括：

根据前一周期获取的开路电压以及前一周期对应的电池内阻和电池电容获取所述当前周期的开路电压。

3.根据权利要求1所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池内阻根据所述在前周期的电池的端电压、充放电电流和开路电压计算获得，所述开路电压根据开路电压-荷电状态对应关系和所述在前周期的荷电状态获得。

4.根据权利要求1所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池内阻根据所述在前周期的荷电状态和预先设置的荷电状态-电池内阻对应关系获得。

5.根据权利要求3或4所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池内阻还根据电池的充放电次数进行补偿。

6.根据权利要求3或4所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池内阻还根据温度进行补偿。

7.根据权利要求1所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池电容根据周期时长、电池充放电电流和电池在对应周期内的开路电压变化值获得。

8.根据权利要求7所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述电池在对应周期内的开路电压变化值根据所述对应周期内的荷电状态变化值和开路电压-荷电状态对应关系获得。

9.根据权利要求1所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池电容根据所述在前周期的荷电状态和预先设置的荷电状态-电池电容对应关系获得。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的电池状态检测方法，其特征在于，所述在前周期对应的电池电容还根据电池的充放电次数进行补偿。

11.一种电池组状态检测方法，所述电池组包括至少两个串联或并联的电池，所述方法包括：

根据如权利要求1至10中任一项所述的方法获取电池组中每个电池对应的荷电状态；

根据每个电池对应的荷电状态计算所述电池组的荷电状态。

12.一种电池组状态检测方法，所述电池组包括至少两个串联或并联的电池，所述方法包括：

根据在前周期获取的开路电压(OCV)以及在前周期对应的电池组内阻和电池组电容获取当前周期的开路电压，其中，所述电池组内阻和所述电池组电容随电池荷电状态变化并根据电池组电流和电池组电压更新，在所述电池组为串联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电电流，所述电池组电压为电池组的平均端电压，在所述电池组为并联电池组时，所述电池组电流为电池组充放电平均电流，所述电池组电压为电池组的端电压；

根据电池开路电压-荷电状态对应关系获取与所述当前周期开路电压对应的荷电状态作为电池组的荷电状态。

13.一种电池或电池组的状态检测装置，所述装置包括处理器，所述处理器适于执行如权利要求1-12中任一项所述的方法。