CN107091990B - 一种蓄电池剩余电量检测和估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数，然后采用对电流值的积分算法计算每次检测时蓄电池的放电电量和充电电量，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值即为蓄电池的充电效率，其中放电能量的总和是放电电量总和和开路电压的平均值的乘积，充电能量总和是充电电量总和和充电平均电压的乘积，因此在蓄电池充电后的剩余电量为蓄电池原有电量加上充电效率与充电电量的乘积，在蓄电池放电后的剩余电量为蓄电池原有电量减去放电电量。蓄电池剩余电量检测和估算方法能准确计算出充电效率，进而使在充电时的剩余电量的计算较为准确，与实际值极为接近。

Description

一种蓄电池剩余电量检测和估算方法

技术领域

本发明涉及蓄电池领域，尤其是指一种蓄电池剩余电量检测和估算方法。

背景技术

目前，蓄电池在充电过程中存在以下几个反应：一是用于活性物质转化，即充入的电量按照法拉第定律进行物质氧化和还原反应C_转；二是用于副反应，即包括物质分解C_解、发热C_热等，这些能量是损失部分，由于不同的蓄电池充电效率不同，所以传统的充电时的剩余电量估算方法误差较大，不能准确估算出蓄电池的剩余电量。

中国专利公开号CN 103217651A，公开日2013年7月24日，名称为“一种蓄电池荷电状态的估算方法和系统”的发明专利中公开了一种蓄电池荷电状态的估算方法和系统，方法包括：获取多个蓄电池在线状态特征量数据；采用牛顿插值法得到多个以端电压为自变量的放电容量的第一函数，以及多个以放电电流为自变量的放电容量的第二函数；根据至少一个第一函数和至少一个第二函数获得在测量端电压和测量放电电流状态下的测量放电容量估算值；根据所述测量放电容量估算值得到对应的荷电状态的估算值。不足之处在于，该发明仍然没有考虑到蓄电池充电效率的变化，不能实时获取蓄电池的充电效率，导致蓄电池的剩余电量估算仍然会误差较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中充电时的剩余电量估算方法误差较大，不能准确估算出蓄电池的剩余电量的缺陷，提供一种蓄电池剩余电量检测和估算方法。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，基于蓄电池剩余电量检测和估算系统，系统在蓄电池主回路中安装第一电流传感器，第一电流传感器用于检测蓄电池放电电量，系统在蓄电池充电回路中安装第二电流传感器，第二电流传感器用于检测蓄电池的充电电量，系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数，然后采用对电流值的积分算法计算每次检测时蓄电池的放电电量和充电电量，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值即为蓄电池的充电效率，其中放电能量的总和是放电电量总和和开路电压的平均值的乘积，充电能量总和是充电电量总和和充电平均电压的乘积，因此在蓄电池充电后的剩余电量为蓄电池原有电量加上充电效率与充电电量的乘积，在蓄电池放电后的剩余电量为蓄电池原有电量减去放电电量。

第一电流传感器用于检测蓄电池放电电量I_放，第二电流传感器用于检测蓄电池充电电量I_充。设计好放电电流检测和充电电流检测的次数n，测量电流值用积分方法，测量后放电容量C_放＝∫I_放dt和充电电量C_充＝∫I_充dt，而剩余容量可以用下式表示：

充电后剩余容量：

SOC_充后＝SOC。+η_总∫I_充dt(其中，SOC₀为原有容量，∫I_放dt为充放电或者充电电量，η_总为充放电效率)。

放电后剩余容量：

SOC_放后＝SOC_充后-∫I_放dt(其中，SOC₀为原有容量，∫I_放dt为充放电或者充电电量)

η_总的确定过程为：要在运行过程中测算每一次充电效率是很有难度的，并且准确度不能保证，本发明采用最近一个阶段放电电流检测和充电电流检测的次数n的总放电容量∑C_放，与总充入容量∑C_充来计算充电效率η_总，η_总值每增加一次则更新一次，并且变化量与上一次更新数据比较，变化量应≤1％：

η_总＝∑Q_放/∑Q_充×100％＝∑C_放V_开/∑C_充V_充

其中：∑Q_放＝∑C_放V_开＝(C_放1+C_放2+C_放3+…+C_放n)V_开

∑Q_充＝∑C_充V_充＝(C_充1+C_充2+C_充3+…+C_充n)V_充

式中：V_充：为充电的平均电压，

V_开：不同容量状态开路电压的平均值。

作为一种优选方案，所述的原有电量可以根据放电时初始开路电压或充电时初始充电电压确定，根据大量试验得出初始开路电压或充电时初始充电电压与电池电量的对应关系图表，原有电量值即可根据图表获取。

作为一种优选方案，蓄电池剩余电量检测和估算系统还包括温度传感器，温度传感器用于检测蓄电池的温度，并且可以在运行过程中检测温升值，若稳升值大于设定的值时，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值得出的蓄电池的充电效率误差较大，此时蓄电池的充电效率的计算过程为：充电能量为放电能量和发热能量之和，发热能量包括过充能量和散热能量，温度传感器获取温升数值以及计算出温升系数后，即可得出发热能量，由于放电能量已知，得知发热能量后即可得出充电能量，进而可得出蓄电池的充电效率。

蓄电池在充电过程中存在以下几个反应：一是用于活性物质转化，即充入的电量按照法拉第定律进行物质氧化和还原反应C_转；二是用于副反应，即包括物质分解C_解、发热C_热等，这些能量是损失部分：

C_充＝C_转+C_解+C_热

蓄电池中的物质量是非常有限的，因此要求其各种物质均需要十分稳定，因此不允许过度的分解，这一能量对于整个充电量来看是十分有限的，在实际计算上可以忽略，因此C_充＝C_转+C_解+C_热可以简化为：

Q_充＝Q_转+Q_热

其中：Q_充为充电能量，Q_转为用于活性物质转化反应的能量，Q_热为发热能量。

蓄电池的过充电量主要用于发热，蓄电池过充能量与温升之间的关系可以用如下公式表示：

Q_热＝CmδT+Q_散

其中：C为蓄电池比热，m为蓄电池质量，δT为蓄电池温升。

蓄电池工作在环境温度条件下，散热条件是固定的，因此Cm可以用K代替如下式：

Q_热＝KδT+Q_散

K为温升系数。

蓄电池每次充电过程中的散热量Q_散可以由蓄电池企业测试所得，测试方法为：先将蓄电池按照运行时的安装方式安装好，按照正常条件进行充电操作，充电过程监测蓄电池温度变化情况，当充足电后，需要通过自动调节或者人工调节电流大小，以达到蓄电池温度控制的条件，连续3小时以上，记录过程中的充电电流和电压，计算达到温度稳定的功率W_散，蓄电池充电散热量Q_散＝W_散×t(t为高压充电区的充电时间)。Q_热＝KδT+Q_散式可以写成：

Q_热＝KδT+W_散×t

蓄电池的温升与过充电量成变关系，用温度传感器检测到蓄电池充电过程中的温度，并计算出温升，蓄电池运行过程中每次充电的最高温升作为该次充电的温升δT，所以温升系数K的确定过程为：

Q_热＝KδT+W_散×t_散

K＝(Q_热-W_散×t_散)÷δT

K＝(∑Q_充-∑Q_放-W_散×t_散)÷δT_总

K＝(∑C_充V_充-∑C_放V_开-W_散×t_散)÷δT_总，

因为Q_热＝CmδT+Q_散转化为C_充V_充＝C_放V_开+(KδT+W_散t_散)

又因为η_总＝Q_放/Q_充×100％

＝C_放V_开/C_充V_充

且Q_转＝Q_放，

所以η_总＝V_充/V_开+(KδT+W_散t_散)/C_充V_开。

作为一种优选方案，在蓄电池充电时根据充电电压来判断蓄电池充电的三个过程，即高效反应充电区、高压充电区和涓流充电区，在涓流充电区时，蓄电池的充电效率为恒值，恒值的范围为55％-65％。

蓄电池的充电一般可以分为高效反应区、高压区和涓流充电区，蓄电池放完电后，需要及时充电。充电初期一般可以接受比较大的电流，并且充电的电量几乎全部用于活性物质转化，而副反应几乎不发生，这个充电区域我们称之为“高效充电区”，高效充电区充电效率可以达到99％甚至更高，高效充电区充入电量一般可以充入总电量的70％-95％(与电池体系和电池健康状态有关)。高效充电区都是在一定电压范围内进行的，当电压超过临界值，就会有电解水的副反应发生，出现微析气现象，并且这一临界电压值随着温度的升高而降低，随着温度的降低而升高，因此必须控制其充电电压，一般控制在平均电压2.40V/单格，温度补偿系数为-3mv/℃.单格。高效充电区电池发热量很低，一般温升在2℃以下，如果温升超过2℃，则充电效率相应下降，可以根据温升与效率的关系来确定最终高效充电区效率η_高效。

而随着充电的进行，蓄电池电量保和度逐步提高，其电压也逐步提高，当电压达到一定时，电池开始发生副反应，即充入的电量不仅仅用于活性物质转化，而是伴随着副反应的发生，例如电解液分解、集流体氧化等反应，并同时伴随着电池发热，副反应的量是随着电池电压的增加而增加的，这一过程充电直至蓄电池充足电，我们称之为“高电压充电区”，高电压充电区充电效率有所降低，是随副反应的发生量而降低的，一般情况下高电压充电区充电效率为70％-80％，高电压充电区充入电量一般可以充入总电量的5％-30％(与电池体系和电池健康状态有关)。由于高压充电区充电效率低，过充电量绝大多数用于电池发热，根据温升的数值来计算器高电压区的充电效率η_高压。

蓄电池一般是成组使用的，电池之间的充电效率存在差异，一般在“高电压充电区”结束后设置有一段“涓流充电”，是采用一个比较小的电流对蓄电池进行充电，使蓄电池有更充足的电量，把电池容量之间差异均衡起来，“涓流充电”对于蓄电池组中大多数蓄电池来说基本都是过充电，只是这个过充电流比较小，是在可以承受的范围内(也可以设计旁路电路，使充足电的电池电流从旁路通过)，没有充足的电池继续充电到饱和，“涓流充电区”充电效率是比较低的，一般可以达到40％-60％，涓流充电区充入电量一般可以充入总电量的1％-3％。由于该阶段充入的电量较小，对温升的贡献有限，充入电量效率近似为η_涓流＝55％-65％。

作为一种优选方案，所述的系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数为10次。

本发明的有益效果是，蓄电池剩余电量检测和估算方法能准确计算出充电效率，进而使在充电时的剩余电量的计算较为准确，与实际值极为接近。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步描述。

实施例：一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，基于蓄电池剩余电量检测和估算系统，其特征是，系统在蓄电池主回路中安装第一电流传感器，第一电流传感器用于检测蓄电池放电电量，系统在蓄电池充电回路中安装第二电流传感器，第二电流传感器用于检测蓄电池的充电电量，系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数为10次，然后采用对电流值的积分算法计算每次检测时蓄电池的放电电量和充电电量，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值即为蓄电池的充电效率，其中放电能量的总和是放电电量总和和开路电压的平均值的乘积，充电能量总和是充电电量总和和充电平均电压的乘积，因此在蓄电池充电后的剩余电量为蓄电池原有电量加上充电效率与充电电量的乘积，在蓄电池放电后的剩余电量为蓄电池原有电量减去放电电量。

所述的原有电量可以根据放电时初始开路电压或充电时初始充电电压确定，根据大量试验得出初始开路电压或充电时初始充电电压与电池电量的对应关系图表，原有电量值即可根据图表获取。

第一电流传感器用于检测蓄电池放电电量I_放，第二电流传感器用于检测蓄电池充电电量I_充。设计好放电电流检测和充电电流检测的次数n，测量电流值用积分方法，测量后放电容量C_放＝∫I_放dt和充电电量C_充＝∫I_充dt，而剩余容量可以用下式表示：

充电后剩余容量：

SOC_充后＝SOC。+η_总∫I_充dt(其中，SOC₀为原有容量，∫I_放dt为充放电或者充电电量，η_总为充放电效率)。

放电后剩余容量：

SOC_放后＝SOC_充后-∫I_放dt(其中，SOC₀为原有容量，∫I_放dt为充放电或者充电电量)

η_总的确定过程为：要在运行过程中测算每一次充电效率是很有难度的，并且准确度不能保证，本发明采用最近一个阶段放电电流检测和充电电流检测的次数n的总放电容量∑C_放，与总充入容量∑C_充来计算充电效率η_总，η_总值每增加一次则更新一次，并且变化量与上一次更新数据比较，变化量应≤1％：

η_总＝∑Q_放/∑Q_充×100％＝∑C_放V_开/∑C_充V_充

其中：∑Q_放＝∑C_放V_开＝(C_放1+C_放2+C_放3+…+C_放n)V_开

∑Q_充＝∑C_充V_充＝(C_充1+C_充2+C_充3+…+C_充n)V_充

式中：V_充：为充电的平均电压，

V_开：不同容量状态开路电压的平均值。

蓄电池剩余电量检测和估算系统还包括温度传感器，温度传感器用于检测蓄电池的温度，并且可以在运行过程中检测温升值，若稳升值大于设定的值时，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值得出的蓄电池的充电效率误差较大，此时蓄电池的充电效率的计算过程为：充电能量为放电能量和发热能量之和，发热能量包括过充能量和散热能量，温度传感器获取温升数值以及计算出温升系数后，即可得出发热能量，由于放电能量已知，得知发热能量后即可得出充电能量，进而可得出蓄电池的充电效率。

蓄电池在充电过程中存在以下几个反应：一是用于活性物质转化，即充入的电量按照法拉第定律进行物质氧化和还原反应C_转；二是用于副反应，即包括物质分解C_解、发热C_热等，这些能量是损失部分：

C_充＝C_转+C_解+C_热

蓄电池中的物质量是非常有限的，因此要求其各种物质均需要十分稳定，因此不允许过度的分解，这一能量对于整个充电量来看是十分有限的，在实际计算上可以忽略，因此C_充＝C_转+C_解+C_热可以简化为：

Q_充＝Q_转+Q_热

其中：Q_充为充电能量，Q_转为用于活性物质转化反应的能量，Q_热为发热能量。

蓄电池的过充电量主要用于发热，蓄电池过充能量与温升之间的关系可以用如下公式表示：

Q_热＝CmδT+Q_散

其中：C为蓄电池比热，m为蓄电池质量，δT为蓄电池温升。

蓄电池工作在环境温度条件下，散热条件是固定的，因此Cm可以用K代替如下式：

Q_热＝KδT+Q_散

K为温升系数。

蓄电池每次充电过程中的散热量Q_散可以由蓄电池企业测试所得，测试方法为：先将蓄电池按照运行时的安装方式安装好，按照正常条件进行充电操作，充电过程监测蓄电池温度变化情况，当充足电后，需要通过自动调节或者人工调节电流大小，以达到蓄电池温度控制的条件，连续3小时以上，记录过程中的充电电流和电压，计算达到温度稳定的功率W_散，蓄电池充电散热量Q_散＝W_散×t(t为高压充电区的充电时间)。Q_热＝KδT+Q_散式可以写成：

Q_热＝KδT+W_散×t

蓄电池的温升与过充电量成变关系，用温度传感器检测到蓄电池充电过程中的温度，并计算出温升，蓄电池运行过程中每次充电的最高温升作为该次充电的温升δT，所以温升系数K的确定过程为：

Q_热＝KδT+W_散×t_散

K＝(Q_热-W_散×t_散)÷δT

K＝(∑Q_充-∑Q_放-W_散×t_散)÷δT_总

K＝(∑C_充V_充-∑C_放V_开-W_散×t_散)÷δT_总，

因为Q_热＝CmδT+Q_散转化为C_充V_充＝C_放V_开+(KδT+W_散t_散)

又因为η_总＝Q_放/Q_充×100％

＝C_放V_开/C_充V_充

且Q_转＝Q_放，

所以η_总＝V_充/V_开+(KδT+W_散t_散)/C_充V_开。

在蓄电池充电时根据充电电压来判断蓄电池充电的三个过程，即高效反应充电区、高压充电区和涓流充电区，在涓流充电区时，蓄电池的充电效率为恒值，恒值的范围为60％。

Claims (4)

1.一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，基于蓄电池剩余电量检测和估算系统，其特征是，蓄电池剩余电量检测和估算系统在蓄电池主回路中安装第一电流传感器，第一电流传感器用于检测蓄电池放电电量，蓄电池剩余电量检测和估算系统在蓄电池充电回路中安装第二电流传感器，第二电流传感器用于检测蓄电池的充电电流，蓄电池剩余电量检测和估算系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数，然后采用对电流值的积分算法计算每次检测时蓄电池的放电电量和充电电流，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值即为蓄电池的充电效率，其中放电能量的总和是放电电量总和和开路电压的平均值的乘积，充电能量总和是充电电量总和和充电平均电压的乘积，因此在蓄电池充电后的剩余电量为蓄电池原有电量加上充电效率与充电电量的乘积，在蓄电池放电后的剩余电量为蓄电池原有电量减去放电电量；

蓄电池剩余电量检测和估算系统还包括温度传感器，温度传感器用于检测蓄电池的温度，并且可以在运行过程中检测温升值，若温升值大于设定的值时，每次检测时的蓄电池的放电能量总和与每次检测时蓄电池的充电能量总和的比值得出的蓄电池的充电效率误差较大，此时蓄电池的充电效率的计算过程为：充电能量为放电能量和发热能量之和，发热能量包括过充能量和散热能量，温度传感器获取温升数值以及计算出温升系数后，即可得出发热能量，由于放电能量已知，得知发热能量后即可得出充电能量，进而可得出蓄电池的充电效率。

2.根据权利要求1所述的一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，其特征是，所述的原有电量可以根据放电时初始开路电压或充电时初始充电电压确定，根据大量试验得出放电时初始开路电压或充电时初始充电电压与电池电量的对应关系图表，原有电量值即可根据对应关系图表获取。

3.根据权利要求1所述的一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，其特征是，在蓄电池充电时根据充电电压来判断蓄电池充电的三个过程，即高效反应充电区、高压充电区和涓流充电区，在涓流充电区时，蓄电池的充电效率为恒值，恒值的范围为55%-65%。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种蓄电池剩余电量检测和估算方法，其特征是，所述的蓄电池剩余电量检测和估算系统设定放电电流检测和充电电流检测的次数为10次。