CN106443472A - 一种新型的电动汽车动力电池soc估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，包括：(1)将电池组作为一个整体，定义电池组每升高1℃所吸收的热量为电池的整体平均热容并测出该值；(2)实时获取前一时刻电池SOC_(t‑Δt)，电池初始时刻的开路电压电池温度T_t，电动机实时的输入电压U_电机t、输入电流I_电机t等信息；(3)通过传感器测得当前电池空气冷却系统单位时间内的流量v_(t)，进口空气温度T_进(t)，出口空气温度T_出(t)，冷却系统管壁若干段的温度T_管i(t)；(4)、定义电池SOC为电池剩余能量占电池总能量的比值，由上述得到的数据，通过SOC计算公式对电动汽车动力电池的SOC进行计算；(5)将计算的SOC值返回到电池管理系统中，作为估算下一时刻电池SOC的数据；重复步骤(2)至(5)。

Description

一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法

技术领域

本发明涉及电池管理领域，特别涉及一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法。

背景技术

电池剩余电量又称电池的荷电状态(State of Charge；SOC)是电池状态的重要参数之一，为电动汽车整车的控制策略提供依据。精确估算当前电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止过充或过放对电池造成损伤，为我们合理利用电池、提高电池使用寿命、降低维护成本提供了技术方向。如何准确又可靠得获得电池SOC值是电池管理系统最基本也是最重要的任务。

目前国内外整车企业、动力电池公司、科研院所对电动汽车的动力电池荷电状态估算做了大量研究，安时积分法是目前应用最广泛、最简单易行的估算方法。在电池系统工作过程中，将电池的充放电电流对时间进行积分运算，然后估算电池的动态SOC值。安时积分法对电流采样精度要求较高,否则长时间运行后可能产生较大的累积误差，实际上目前安时积分法因此存在一定的误差。此外常见的还有卡尔曼滤波法和模糊神经网络法，由于电池管理系统的硬件限制和算法自身的成熟度，目前还未得到大量实际应用验证。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全新的电动汽车动力电池SOC估算方法，相比较于现有方法，其适应力强，原理简单，计算量小，易于实现。

为实现上述发明目的，本发明提出一种新型的电池SOC估算方法，采用如下步骤实现：

(1)、将电池组作为一个整体，定义电池组每升高1℃所吸收的热量为电池的整体平均热容。通过离线实验测出电池的整体平均热容

(2)、通过电池管理系统实时获取前一时刻电池的SOC_(t-Δt)，电池初始时刻的开路电压电池温度T_t，电动机实时的输入电压U_电机t、输入电流I_电机t等信息；初始时刻表示汽车启动的时刻。

(3)、通过空气流量传感器、温度传感器分别得到当前的电池空气冷却系统单位时间内的流量v_(t)，进口空气温度T_进(t)，出口空气温度T_出(t)，电池空气冷却系统内的管壁若干段的温度T_管i(t)(i＝1,2,3,4,……n，n为管壁段数)信息；

(4)、定义电池的SOC为电池剩余电量占电池总电量的比值。由上述步骤得到的数据，通过本专利所建立估算公式对电动汽车动力电池的SOC进行估算；

(5)将估算的SOC值返回到电池管理系统中，作为估算下一时刻电池剩余SOC的数据；重复步骤(2)至(5)。

具体的，在步骤(1)中，在离线测量电池的整体平均热容时，测量电池组的若干个位置温度求其平均值作为电池组的温度。具体地，可以对电池进行隔热环境下加热，测试出电池组温度每升高1℃需要吸收的热量，即为电池组的整体平均热容。

具体的，在步骤(3)中，因为冷却空气流通的管道壁的温度不均匀，所以将管道平均分成n段进行测量计算。

具体的，在步骤(4)中所涉及的估算方程是从能量守恒的角度上建立的，其中忽略了冷却管道壁对外的热量损失。所建立的电池组的当前SOC估算公式具体如下：

其中，为电池的初始时刻的电量，计算公式为：

ε为电池循环充放电寿命影响系数，Q_N为电池的额定电量，为电池初始时刻SOC。

E_t为当前时刻电池的剩余电量，计算公式为：

E_t＝E_t-Δt-W_电机Δt-W_电器Δt-Q_电池Δt-Q_冷却Δt-Q_电路Δt

其中E_t-Δt为电池上一时刻的剩余电量。

W_电机Δt为Δt时间内电动机消耗的总能量，为电动机发热消耗的能量与电机所做的功之和，计算公式为：W_电机Δt＝U_电机t·I_电机t

W_电器Δt为Δt时间内车辆上各个用电器消耗的总能量之和。具体计算方法采用和上述求电动机消耗能量W_电机Δt相同的方法求出。

Q_电池Δt为Δt时间内电池发热升温所消耗的能量，因此Q_电池Δt的值必须大于0，本发明规定如果Q_电池Δt<0，则令Q_电池Δt＝0。所以Q_电池Δt的计算公式为：

T_t-Δt表示前一时刻的电池温度。

Q_电路Δt为Δt时间内电路导线所消耗的能量，为各个电路导线发热所消耗的能量之和。所述电路导线是指电池连接各用电器的线路。计算公式为：

Q_电路Δt＝ΣI_电路Δt ²RΔt

I_电路Δt表示流过电路导线的电流，R表示导线等效电阻。

Q_冷却Δt为Δt时间内电池冷却系统带走的能量，计算公式为：

ρ_空气为空气的密度，c_空气为空气的比热容，m_管壁为一段管壁的质量，c_管壁为管壁的比热容；T_管i(t-Δt)为前一时刻管壁各段的温度。

本发明的有益效果：

1、本发明建立了一种新型的的电动汽车动力电池的SOC在线估算方法。从能量守恒的角度出发，用电池所储存的能量减去电动汽车各个部分所消耗的能量，得到电池剩余的能量，从而估算出电池当前的SOC状态。

2、本发明估算方法不用考虑电池内部复杂的电化学机理，避开了当前普遍采用的电池模型所存在的误差。由于不存在电流的累计误差，因此对电流的采样精度要求不高。其原理简单，适应能力强，计算量小，可以简单便捷的完成电池SOC的实时在线估算。同时对电池管理系统的硬件要求较低，更加容易实现产业化。

附图说明

图1是用于估算电动汽车动力电池剩余SOC的控制系统结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，在估算电池SOC时需要用到电池管理系统、温度传感器、空气流量传感器、ECU、CAN总线、仪表等车载部件。具体而言，将电池状态检测模块、温度传感器、空气流量传感器采集的数据信息通过CAN总线传递给ECU，ECU根据系统提供的信息，按照本发明所设计的公式，计算出当前电池SOC，然后通过CAN总线将当前电池SOC传递给仪表显示。同时其返回到电池管理系统中去，作为估算下一时刻电池剩余SOC的数据。

下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明所述的一种电池SOC估算方法步骤：

将电池组看做是一个整体，定义电池组每升高1℃所吸收的热量为电池的整体平均热容。通过离线实验测出电池的整体平均热容

通过电池管理系统实时获取前一时刻电池的SOC_(t-Δt)，电池初始时刻的开路电压电池温度T_t，电动机实时的输入电压U_电机t、输入电流I_电机t等信息；初始时刻表示汽车启动的时刻。

然后通过温度传感器和空气流量传感器分别获取电池空气冷却系统当前的单位时间内的空气流量v_(t)，进口空气温度T_进(t)，出口空气温度T_出(t)，冷却系统管壁若干段的温度T_管i(t)(i＝1,2,3,4,……n)信息。

定义电池的SOC为电池剩余电量占电池总电量的比值。将上述得到的数据，通过CAN总线传递给ECU，利用本发明所提估算方法估算电池的SOC，具体的公式如下：

其中，为电池的初始时刻电量，计算公式为：

Q_N为电池的额定电量，ε电池循环充放电寿命影响系数，表示电池初始时刻SOC。

E_t为当前时刻电池的剩余电量，计算公式为：

E_t＝E_t-Δt-W_电机Δt-W_电器Δt-Q_电池Δt-Q_冷却Δt-Q_电路Δt

其中E_t-Δt为电池上一时刻的剩余电量。

W_电机Δt为Δt时间内电动机消耗的总能量，为电动机发热消耗的能量与电机所做的功之和，计算公式为：W_电机Δt＝U_电机t·I_电机t。

W_电器Δt为Δt时间内车辆上各个用电器(例如空调、车灯、喇叭、显示屏等)消耗的总能量之和。具体计算方法与上述求电动机消耗能量的方法相同。

Q_电池Δt为Δt时间内电池发热升温所消耗的能量，因此Q_电池Δt的值必须大于0，这里规定如果Q_电池Δt<0，则令Q_电池Δt＝0。所以Q_电池Δt的计算公式为：

Q_电路Δt为Δt时间内SOC电路导线所消耗的能量，为各个电路导线发热所消耗的能量之和。计算公式为：

Q_电路Δt＝∑I_电路Δt ²RΔt；

其中，I_电路Δt表示流过电路导线的电流，R表示导线等效电阻。

Q_冷却Δt为Δt时间内电池冷却系统带走的能量，计算公式为：

ρ_空气为空气的密度，c_空气为空气的比热容，m_管壁为一段管壁的质量，c_管壁为管壁的比热容。

将计算出的当前电池SOC通过从CAN总线将当前电池SOC传递给仪表显示完成当前电池SOC的估算。同时还需将其返回到电池管理系统中去，作为估算下一时刻电池SOC的数据，从而实现对电池SOC的在线连续估算。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、将电池组看做是一个整体，定义电池组每升高1℃所吸收的热量为电池的整体平均热容通过离线实验测出电池的整体平均热容

(2)、通过电池管理系统实时获取前一时刻电池的SOC_(t-Δt)，电池初始时刻的开路电压电池温度T_t，电动机实时的输入电压U_电机t、输入电流I_电机t等信息；初始时刻表示汽车启动的时刻；

(3)、通过空气流量传感器、温度传感器分别得到当前的电池空气冷却系统单位时间内的流量v_(t)，进口空气温度T_进(t)，出口空气温度T_出(t)，电池空气冷却系统内的管壁若干段的温度T_管i(t)，i＝1,2,3,4,……n，n为管壁总段数；

(4)、定义电池SOC为电池剩余能量占电池总能量的比值，由上述步骤得到的数据，通过SOC计算公式对电动汽车动力电池的SOC进行计算；

(5)将计算的SOC值返回到电池管理系统中，作为估算下一时刻电池SOC的数据；重复步骤(2)至(5)。

2.根据权利要求1所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体实现包括：在离线测量电池的整体平均热容时，测量电池组的若干个位置温度求其平均值作为电池组的温度；具体地，可以对电池进行隔热环境下加热，测试出电池组温度每升高1℃需要吸收的热量，即为电池组的整体平均热容。

3.根据权利要求1所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述步骤(4)中的SOC计算公式是采用基于能量守恒建立的。

4.根据权利要求3所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述计算公式为：其中，为电池初始时刻的电量，E_t为当前时刻电池的剩余电量。

5.根据权利要求4所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述的计算公式为：

其中，ε为电池循环充放电寿命影响系数，Q_N为电池的额定电量，为电池初始时刻SOC。

6.根据权利要求4所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述E_t的计算公式为：E_t＝E_t-Δt-W_电机Δt-W_电器Δt-Q_电池Δt-Q_冷却Δt-Q_电路Δt；

其中，E_t-Δt为电池上一时刻的剩余电量；W_电机Δt为Δt时间内电动机消耗的总能量；W_电器Δt为Δt时间内车辆上各个用电器消耗的总能量之和；Q_电池Δt为Δt时间内电池发热升温所消耗的能量；Q_冷却Δt为Δt时间内电池冷却系统带走的能量；Q_电路Δt为Δt时间内电路导线所消耗的能量。

7.根据权利要求6所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述W_电机Δt的计算公式为：W_电机Δt＝U_电机t·I_电机t。

8.根据权利要求6所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述Q_电池Δt的计算公式为：

其中，T_t-Δt表示前一时刻的电池温度。

9.根据权利要求6所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述Q_电路Δt的计算公式为：Q_电路Δt＝ΣI_电路Δt ²RΔt；

其中，I_电路Δt表示流过电路导线的电流，R表示导线等效电阻。

10.根据权利要求6所述的一种新型的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述Q_冷却Δt的计算公式为：

其中，ρ_空气为空气的密度，c_空气为空气的比热容，m_管壁为一段管壁的质量，c_管壁为管壁的比热容；T_管i(t-Δt)为前一时刻管壁各段的温度。