CN106918787A - 一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法及装置，它包括：通过建立锂电池的等效电路模型，根据模型得到输出电压U_o和开路电压U_ocv的计算方法，进行模型辨识，将辨识得到的参数值用来计算开路电压，通过温度传感器对温度进行实时测量，再将实时开路电压与相应测量的温度对应的U_ocv‑SOC曲线对照后得到相应的剩余电荷值，最后对开路电压进行修正，从而得到更准确的U_ocv‑SOC曲线；本发明取得的有益效果：1、解决了开路电压法估算锂电池剩余电荷方法的缺点，能实现剩余电荷的实时预估；2、建立了一种等效电路模型，能实时估算开路电压；3、实现了电动汽车锂电池剩余电荷实时估算的方法；4、能实时测定锂电池在不同温度环境下的剩余电荷值。

Description

一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电动汽车锂电池剩余电荷估算领域，特别是一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法及装置。

背景技术

随着电动汽车越来越多的普及，对动力电池的剩余电荷预估(SOC)的估算方法的研究也越来越深入。目前存在的主要预估方法有开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法和神经网络法，其中开路电压法对于剩余电荷的预估精度相对最准确，由于电池的开路电压U_ocv是电池电解液浓度的函数，在数值上与电池两端的电动势成一定比例关系，可以通过开路电压对锂电池的剩余电荷进行预估，但是开路电压法缺点也较明显，就是该方法需要对电池静置时间较长，不能实现剩余电荷的实时预估。

发明内容

本发明的一个目的就是提供一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，能够解决开路电压法估算锂电池剩余电荷方法的缺点，通过建立一种等效电路模型，实时估算开路电压的方法，实现了电动汽车锂电池剩余电荷实时估算的方法。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，具体步骤如下：

确定待测锂电池及其开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线U_ocv-SOC；

根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，所述属性信息包括有锂电池型号、充放电电流I、输出电压U_o、电阻以及电容；

将测量得到的充放电电流I和输出电压U_o输入至所述开路电压U_ocv计算公式中，得到当前锂电池的开路电压U_ocv值；

根据所述开路电压U_ocv值以及预先确定的U_ocv-SOC曲线，确定当前锂电池的剩余电荷SOC值。

进一步：所述根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，包括：

根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的等效电路模型；

根据所述待测锂电池的等效电路模型计算所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式。

进一步：所述等效电路模型为三阶RC等效电路模型，其中开路电压U_ocv正极连接第一电容C₁与第一电阻R₁的并联电路，负极连接输出电压U_o；C₁与R₁的并联电路另一端连接第二电容C₂与第二电阻R₂的并联电路；C₂与R₂的并联电路另一端连接第三电容C₃与第三电阻R₃的并联电路；C₃与R₃的并联电路另一端连接第四电阻R₀；电阻R₀另一端连接输出电压U_o。

进一步：所述输出电压U_o的计算公式为：

此公式中U_o、U_ocv为已知量，e为自然底数，R₀、R₁、R₂、R₃、C₁、C₂、C₃为未知量；通过对等效电路模型参数辨识输入基于时间t的电流变量I，测量对应的实验数据U_o值和U_ocv值。

进一步：所述等效电路的参数辨识采用脉冲放电法，使用脉冲放电法测量电池的动态放电波形，脉冲放电法测试方法步骤如下：

6-1)确定脉冲电流，低电流水平脉冲25％I_max和高电流水平脉冲75％I_max，I_max为10s脉冲放电时厂商允许的最大电流，其中反馈电流为放电电流的3/4；

6-2)对电池或者模组进行一次静态容量的标定，得到容量C；

6-3)将电池以1C率恒流恒压充电至满电状态，并搁置1h以达到动力学平衡；

6-4)进行一次10％剩余电荷的容量移除；

6-5)按脉冲放电电压曲线图中的电流脉冲进行一次10s放电和10s反馈，随后再进行一次10％剩余电荷容量移除(脉冲+1C合计10％)；

6-6)重复步骤6-5)，直至90％放电深度，随后1C放电至截止电压；

并将得到的数据导入MATLAB软件中采用非线性曲线拟合的方法进行参数辨识。

进一步：所述开路电压的计算公式为：

此时输出电压U_o和充放电电流I都是输入量，R₀、R₁、R₂、R₃、C₁、C₂、C₃均为参数辨识的已知量；通过测量锂电池实时充放电的电流I和输出电压U_o，可实时计算得到开路电压U_ocv的值。

进一步：所述确定当前锂电池的剩余电荷SOC值，包括：通过温度传感器对当前电池温度进行测量，得到当前温度值，找到相应温度下对应的U_ocv-SOC曲线，对照该曲线得到开路电压U_ocv的实时计算结果对应的剩余电荷SOC值。

进一步：所述锂电池的自放电因子为锂电池内部正负极间的自放电，所述方法还包括：对所述锂电池的开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线进行修正；修正方法具体如下：

确定当前计算周期所述曲线中当前温度下U_ocv对应的剩余电荷值SOC(t₀)；

利用如下公式修正所述剩余电荷值：SOC(t)＝SOC(t₀)-K₁t，其中，SOC(t)为最终要得到的当前计算周期的剩余电荷值，K₁为固定自放电因子的系数，t为计算周期；

根据修正后的剩余电荷值修正所述曲线中所述温度下U_ocv对应的剩余电荷值。

进一步：所述方法还包括：在所述电动汽车停止运行达到预设时间后，所述输出电压U_o等于开路电压U_ocv，根据输出电压U_o和当前温度根据所述曲线确定当前剩余电荷值，将所述剩余电荷值作为下次电动汽车运行时的SOC(t₀)。

本发明的另一个目的就是提供一种电动汽车锂电池剩余电荷估算装置，能够解决开路电压法估算锂电池剩余电荷方法的缺点，通过建立一种等效电路模型，实时估算开路电压的方法，实现了电动汽车锂电池剩余电荷实时估算的方法。

本发明的该目的是通过这样的技术方案实现的，该装置包括有：

锂电池确定模块，用于确定待测锂电池及其开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线U_ocv-SOC；

开路电压计算模块，用于根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，将测量得到的充放电电流I和输出电压Uo输入至开路电压U_ocv计算公式，得到当前锂电池的开路电压U_ocv值；

剩余电荷确定模块，用于根据计算得到的开路电压U_ocv值以及所述U_ocv-SOC曲线得到当前测试温度的剩余电荷SOC值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、解决了开路电压法估算锂电池剩余电荷方法的缺点，能实现剩余电荷的实时预估；

2、建立了一种等效电路模型，实时估算开路电压的方法；

3、实现了电动汽车锂电池剩余电荷实时估算的方法；

4、能实时测定锂电池在不同温度环境下的剩余电荷值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的锂电池不同温度环境下的U_ocv-SOC曲线；

图3为本发明的锂电池三阶RC等效电路模型；

图4为脉冲放电电压曲线图；

图5为三阶RC等效电路模型MATLAB拟合曲线；

图中：U_ocv为开路电压、C₁为第一电容、R₁为第一电阻、C₂为第二电容、R₂为第二电阻、C₃为第三电容、R₃为第三电阻、R₀为第四电阻、U_o为输出电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：选定ITR-TNL-18650-2200电池，在各温度环境下测定锂电池U_ocv-SOC曲线，如图2所示。实验温度为23度环境，建立锂电池三阶RC等效电路模型，如图3所示；根据等效电路分析得到U_o的输出公式为：

采用脉冲放电法(HPPC)对等效电路模型进行参数辨识，脉冲放电法测试方法及步骤如下：

(1)确定脉冲电流，低电流水平脉冲25％I_max和高电流水平脉冲75I_max，I_max为10s脉冲放电时厂商允许的最大电流，其中反馈电流为放电电流的3/4；

(2)对电池或者模组进行一次静态容量的标定，得到容量C；

(3)将电池以1C率恒流恒压充电至满电状态，并搁置1h以达到动力学平衡；

(4)进行一次10％剩余电荷的容量移除；

(5)按图3的电流脉冲进行一次10s放电和10s反馈，随后再进行一次10％剩余电荷的容量移除(脉冲+1C合计10％)；

(6)重复(5)步骤，直至90％的放电深度，随后1C放电至截止电压。

脉冲放电法测量后进行参数辨识，方法如下：

图4为HPPC测试的放电波形实例，由a到b的过程是由于电流突变在电池欧姆内阻R₀两端产生压降导致，此时的可视为零状态响应，C₁、C₂、C₃两端电压均为0，则R₀可由式1求得串联欧姆内阻为0.0082Ω。

在图4所示的c点为电池放电结束瞬间，c点至d点同样是由于电流突然消失，电池的欧姆内阻两端电压突变过程，为了得到三阶RC电路的参数，我们需要分析d点到e点的电压回弹曲线过程，此时由于没有外部电流，可以看做零输入响应，此时的电池两端电压Uo的表达式可以表示为式(2)。

其中U₁为放电结束瞬间C₁两端的初始电压，U₂为放电结束瞬间C₂两端的初始电压，U₃为放电结束瞬间C₃两端的初始电压。U_ocv电压在每次测试时可设为常量，该值可通过电池厂家提供的U_ocv-SOC曲线得到。

根据U_ocv-SOC曲线查得测试时U_ocv＝3.9232，计算中可视为常量，在MATLAB中使用非线性曲线拟合中的指数函数，将实测数据输入MATLAB可得到式(2)中的参数。

拟合曲线如下图5所示，得到相关系数为U₁＝0.0063V，U₂＝0.0269V，U₂＝0.0229V，R₁C₁＝2.3480，R₂C₂＝135.1351，R₃C₃＝26.7380。

图4中的b点到c点过程为C₁、C₂、C₃电容充电过程，此时电池的端电压方程又可以表示为：

将之前求得的R₁C₁，R₂C₂，R₃C₃带入到式(3)中，再将三个以上b点到c点的测量值带入到等式中可分别求得R₁＝0.0004、C₁＝5870、R₂＝0.0113、C₂＝11959、R₃＝0.0095、C₃＝2815。

根据U_ocv计算公式：

由于R₀、R₁、R₂、R₃、C₁、C₂、C₃已知，可根据实测的输入电流I和电池输出电压U_o得到电池的开路电压U_ocv为跟时间有关系的量，例如当前时间计算得到U_ocv的值为3.8923，当前温度为23℃，根据附图图2中的U_ocv-SOC图中的曲线，23℃接近25℃的曲线，可按照25℃的曲线进行剩余电荷查询(注：此处作为范例只提供了几种典型温度曲线，采用近似温度曲线的方法进行近似，可通过测定更加细度的电池各温度下的U_ocv-SOC曲线的方法来提高温度曲线的准确度)，查询到当前剩余电荷的值为76.521％；

对当前剩余电荷值进行自放电因子修正按照如下公式进行：

SOC(t)＝SOC(t₀)K₁t

其中SOC(t₀)为上次完成所有步骤后最终的剩余电荷值，K₁t为自放电因子系数与当前运行时间的乘积；

如该电池在标准环境下2年内会由满电状态放电至截止电压，则K₁为每秒钟自放电的剩余电荷量：

如果当前运行时间为2h，则：

则修正后的当前剩余电荷为76.5096％，此值为实时预估的当前剩余电荷值。

最后，当电动汽车持续停止运行2小时后(电流I为0)，此时默认为输出电压U_o等于开路电压U_ocv，等效电路中的电容中不再存有电荷，通过测得的U_o和当前温度再次按照附图2中查线得到的剩余电荷值作为停车修正值，作为下次电动汽车运行时的SOC(t₀)。

依次按照上述方法可持续实时预估得到电动汽车锂电池的剩余电荷值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：确定待测锂电池及其开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线U_ocv-SOC；

根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，所述属性信息包括有锂电池型号、充放电电流I、输出电压U_o、电阻以及电容；

将测量得到的充放电电流I和输出电压U_o输入至所述开路电压U_ocv计算公式中，得到当前锂电池的开路电压U_ocv值；

根据所述开路电压U_ocv值以及预先确定的U_ocv-SOC曲线，确定当前锂电池的剩余电荷SOC值。

2.如权利要求1所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，包括：

根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的等效电路模型；

根据所述待测锂电池的等效电路模型计算所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式。

3.如权利要求2所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述等效电路模型为三阶RC等效电路模型，其中开路电压U_ocv正极连接第一电容C₁与第一电阻R₁的并联电路，负极连接输出电压U_o；C₁与R₁的并联电路另一端连接第二电容C₂与第二电阻R₂的并联电路；C₂与R₂的并联电路另一端连接第三电容C₃与第三电阻R₃的并联电路；C₃与R₃的并联电路另一端连接第四电阻R₀；电阻R₀另一端连接输出电压U_o。

4.如权利要求3所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述输出电压U_o的计算公式为：此公式中U_o、U_ocv为已知量，e为自然底数，R₀、R₁、R₂、R₃、C₁、C₂、C₃为未知量；通过对等效电路模型参数辨识输入基于时间t的电流变量I，测量对应的实验数据U_o值和U_ocv值。

5.如权利要求4所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征是：所述等效电路的参数辨识采用脉冲放电法，使用脉冲放电法测量电池的动态放电波形，脉冲放电法测试方法步骤如下：

6-1)确定脉冲电流，低电流水平脉冲25％I_max和高电流水平脉冲75％I_max，I_max为10s脉冲放电时厂商允许的最大电流，其中反馈电流为放电电流的3/4；

6-2)对电池或者模组进行一次静态容量的标定，得到容量C；

6-3)将电池以1C率恒流恒压充电至满电状态，并搁置1h以达到动力学平衡；

6-4)进行一次10％剩余电荷的容量移除；

6-5)按脉冲放电电压曲线图中的电流脉冲进行一次10s放电和10s反馈，随后再进行一次10％剩余电荷容量移除(脉冲+1C合计10％)；

6-6)重复步骤6-5)，直至90％放电深度，随后1C放电至截止电压；

并将得到的数据导入MATLAB软件中采用非线性曲线拟合的方法进行参数辨识。

6.如权利要求1所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述开路电压的计算公式为：此时输出电压U_o和充放电电流I都是输入量，R₀、R₁、R₂、R₃、C₁、C₂、C₃均为参数辨识的已知量；通过测量锂电池实时充放电的电流I和输出电压U_o，可实时计算得到开路电压U_ocv的值。

7.如权利要求1所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述确定当前锂电池的剩余电荷SOC值，包括：通过温度传感器对当前电池温度进行测量，得到当前温度值，找到相应温度下对应的U_ocv-SOC曲线，对照该曲线得到开路电压U_ocv的实时计算结果对应的剩余电荷SOC值。

8.如权利要求1所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述锂电池的自放电因子为锂电池内部正负极间的自放电，所述方法还包括：对所述锂电池的开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线进行修正；修正方法具体如下：

确定当前计算周期所述曲线中当前温度下U_ocv对应的剩余电荷值SOC(t₀)；

利用如下公式修正所述剩余电荷值：SOC(t)＝SOC(t₀)-K₁t，其中，SOC(t)为最终要得到的当前计算周期的剩余电荷值，K₁为固定自放电因子的系数，t为计算周期；

根据修正后的剩余电荷值修正所述曲线中所述温度下U_ocv对应的剩余电荷值。

9.如权利要求8所述的电动汽车锂电池剩余电荷估算方法，其特征在于：所述方法还包括：在所述电动汽车停止运行达到预设时间后，所述输出电压U_o等于开路电压U_ocv，根据输出电压U_o和当前温度根据所述曲线确定当前剩余电荷值，将所述剩余电荷值作为下次电动汽车运行时的SOC(t₀)。

10.一种电动汽车锂电池剩余电池估算装置，其特征在于，所述装置包括：

锂电池确定模块，用于确定待测锂电池及其开路电压U_ocv与剩余电荷SOC的曲线U_ocv-SOC；

开路电压计算模块，用于根据所述待测锂电池的属性信息确定所述待测锂电池的开路电压U_ocv计算公式，将测量得到的充放电电流I和输出电压Uo输入至开路电压U_ocv计算公式，得到当前锂电池的开路电压U_ocv值；

剩余电荷确定模块，用于根据计算得到的开路电压U_ocv值以及所述U_ocv-SOC曲线得到当前测试温度的剩余电荷SOC值。