CN107656206B - 基于特征温度和倍率的短时静置soc和开路电压估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于特征温度和倍率的短时静置SOC和开路电压估算方法，获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；然后得到上述两个测试范围的边界值形成的数据组合所对应的拟合函数的参数，进而得到各数据组合对应的开路电压；最后根据开路电压差值运算得到特征温度和特征倍率对应的SOC。该SOC估算方法能够有效估算电池的SOC，解决了电动汽车短时静置条件下无法使用开路电压法修正电池组初始SOC的问题，增加了电池组充/放电后修正的可能性，消除安时积分法的累积误差，提高SOC估算精度。而且，该方法简单可行，容易推广和应用。

Description

基于特征温度和倍率的短时静置SOC和开路电压估算方法

技术领域

本发明涉及基于特征温度和倍率的短时静置SOC和开路电压估算方法。

背景技术

随着电动汽车的发展，电池管理系统(Battery Management System，BMS)也得到了广泛应用。为了充分发挥电池系统的动力性能，防止电池过充和过放，保障使用安全性，延长电池使用寿命，优化驾驶和提高电动汽车的使用性能，BMS系统需要对电池荷电状态(State Of Charge，SOC)进行准确估算。

SOC是当前动力电池剩余容量的简称，用来描述电池使用过程中可充入和放出容量的重要参数，一方面为司机提供续驶里程的重要信息，直接关系到用户在使用电动汽车时能否完成行程；另一方面为电动汽车整车控制策略提供依据。

目前SOC估算方法工程上常用的为安时积分法和开路电压法。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。但是，安时积分法对电流采样精度、电流采样间隔、数据上传周期等要求较高，且电动汽车长时间运行可能产生较大的累积误差。开路电压法根据电池静置开路电压(OCV)与SOC的对应关系来计算，当BMS经过静置再次上电工作时，根据单体电压查表OCV数据估算初始SOC值。但是，开路电压法需要动力电池静置足够长的时间，这在实际工作中不易实现，因此很难有机会直接使用OCV该估算和修正SOC。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于特征温度和倍率的短时静置SOC估算方法，用以解决传统的SOC估算方法无法有效估算SOC的问题。本发明同时提供一种基于特征温度和倍率的短时静置开路电压估算方法。

为实现上述目的，本发明的方案包括一种基于特征温度和倍率的短时静置SOC估算方法，包括以下步骤：

(1)获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；

(2)根据特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围，结合相应的对应关系表得到所述温度测试范围的任意一个边界值和所述倍率测试范围的任意一个边界值构成的数据组合所对应的拟合函数的参数，根据得到的拟合函数的参数，并结合与开路电压的对应关系得到各数据组合对应的开路电压；

(3)插值计算所述特征温度和特征倍率对应的开路电压，为所需开路电压，根据所述所需开路电压以及特征温度得到对应的SOC；

所述对应关系表的获取过程为：1)获取不同温度、不同充放电倍率、不同SOC以及不同断电静置时间所对应的开路电压；2)建立断电静置时间与开路电压的函数模型，并通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数。

本发明提供的SOC估算方法中，可以在前期获取不同温度、不同充放电倍率、不同SOC以及不同断电静置时间所对应的开路电压，然后建立断电静置时间与开路电压的函数模型，并通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数，该拟合函数是最优函数。在需要SOC估算时，比如：整车重新上电时，首先，获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；根据特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围根据事先得到的对应关系得到温度测试范围的任意一个边界值以及倍率测试范围的任意一个边界值的组合所对应的拟合函数的参数，利用得到的拟合函数的参数计算各组合对应的开路电压；进而插值计算特征温度和特征倍率对应的开路电压，最后根据得到的开路电压得到对应的SOC。该SOC估算方法能够有效估算电池的SOC，解决了电动汽车短时静置条件下无法使用开路电压法修正电池组初始SOC的问题，增加了电池组充/放电后修正的可能性，消除安时积分法的累积误差，提高SOC估算精度。而且，该方法简单可行，容易推广和应用。

设定特征温度所处的温度测试范围为[T₁,T₂]，特征倍率所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]，分别得到数据组合[T₁、R₁]和[T₂、R₁]对应的开路电压，插值计算得到第一开路电压；分别得到数据组合[T₁、R₂]和[T₂、R₂]对应的开路电压，插值计算得到第二开路电压；然后对所述第一开路电压和第二开路电压进行插值计算，得到所述所需开路电压。

利用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行曲线拟合处理，以得到相应的拟合函数的参数。

判断断电静置时间，当断电静置时间小于消除极化电压的时间时，进行所述步骤(2)。

设定有N路温度测试点，t₁时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg1，则t₁时刻的特征温度T_c1为T_avg1；t₂时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg2，则t₂时刻的特征温度T_c2为t₃时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg3，则t₃时刻的特征温度T_c3为t_n时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avgn，t_n时刻的特征温度T_cn为

t₁时刻的充放电倍率为R₁，则t₁时刻的特征倍率R_c1为R₁；t₂时刻的充放电倍率为R₂，则t₂时刻的特征倍率R_c2为t₃时刻的充放电倍率为R₃，则t₃时刻的特征倍率R_c3为……；t_n时刻的充放电倍率为R_n，t_n时刻的特征倍率R_cn为

本发明还提供一种基于特征温度和倍率的短时静置开路电压估算方法，包括以下步骤：

(1)获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；

(2)根据特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围，结合相应的对应关系表得到所述温度测试范围的任意一个边界值和所述倍率测试范围的任意一个边界值构成的数据组合所对应的拟合函数的参数，根据得到的拟合函数的参数，并结合与开路电压的对应关系得到各数据组合对应的开路电压；

(3)插值计算所述特征温度和特征倍率对应的开路电压；

所述对应关系表的获取过程为：1)获取不同温度、不同充放电倍率、不同SOC以及不同断电静置时间所对应的开路电压；2)建立断电静置时间与开路电压的函数模型，并通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数。

设定特征温度所处的温度测试范围为[T₁,T₂]，特征倍率所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]，分别得到数据组合[T₁、R₁]和[T₂、R₁]对应的开路电压，插值计算得到第一开路电压；分别得到数据组合[T₁、R₂]和[T₂、R₂]对应的开路电压，插值计算得到第二开路电压；然后对所述第一开路电压和第二开路电压进行插值计算，得到所述特征温度和特征倍率对应的开路电压。

利用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行曲线拟合处理，以得到相应的拟合函数的参数。

判断断电静置时间，当断电静置时间小于消除极化电压的时间时，进行所述步骤(2)。

设定有N路温度测试点，t₁时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg ¹，则t₁时刻的特征温度T_c1为T_avg1；t₂时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg2，则t₂时刻的特征温度T_c2为t₃时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg3，则t₃时刻的特征温度T_c3为t_n时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avgn，t_n时刻的特征温度T_cn为

t₁时刻的充放电倍率为R₁，则t₁时刻的特征倍率R_c1为R₁；t₂时刻的充放电倍率为R₂，则t₂时刻的特征倍率R_c2为t₃时刻的充放电倍率为R₃，则t₃时刻的特征倍率R_c3为t_n时刻的充放电倍率为R_n，t_n时刻的特征倍率R_cn为

附图说明

图1是SOC估算方法的整体流程图。

具体实施方式

SOC估算方法实施例

本实施例中，该SOC估算方法以软件程序的方式加载在BMS中。由于在SOC估算时需要用到一些相关数据，那么，BMS中就事先存储有相关数据，本实施例给出这些数据的一种获取方式：

在前期通过大量的试验测试，获取电池不同温度、不同充放电倍率、不同荷电状态(SOC)以及不同断电静置时间所对应的开路电压数据。分析不同温度、不同充放电倍率、不同荷电状态条件下，选择不同温度及倍率组合，选择电池充放电曲线的线性区域对应的荷电状态，测试得到的静置不同时间的开路电压曲线趋势，分析开路电压随着断电静置时间的变化趋势，即断电静置时间与开路电压的对应关系，建立相应的函数模型，具体为指数函数模型，比如：V＝a*e^b*t+k，然后通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数，即a、b、k。本实施例中，采用拟合工具箱中Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行拟合，使得均方差最小，获得的拟合函数为最优拟合函数，对应的参数就为最优拟合函数的参数。由于根据Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行曲线拟合属于常规技术，这里就不再对具体过程进行详细描述。最后将得到的不同温度、不同充放电倍率以及相应的拟合函数的参数等数据存储在BMS中的数据存储单元内。因此，数据存储单元中的各参数根据相互对应关系可以形成一个数据关系表，在后续的SOC估算时，通过查表能够得到相关参数，表1给出一种具体的对应关系，为放电后，温度为25℃，放电倍率为1C，断电静置时间为5min的开路电压数据。

表1

静置时间/min	5	10	15	20	25	30
							开路电压/V	3.20077	3.20601	3.20858	3.21022	3.21137	3.21225
静置时间/min	35	40	45	50	55	60
							开路电压/V	3.21294	3.21351	3.21397	3.21437	3.2147	3.21497

SOC估算方法具体为：

当BMS上电后，获取系统上一次下电时，即静置前运行工况的电池运行状态(充电或者放电)、特征温度T_c、特征倍率R_c和断电静置时间t，并确定特征温度T_c所处的温度测试范围，以及特征倍率R_c所处的倍率测试范围，即确定T_c处于BMS中数据存储单元温度测试点的某个范围内，R_c处于充放电倍率测试点的某个范围内。假设数据存储单元中存储的温度测试点有T₁、T₂、……、T_m，任意两个相邻的温度测试点就构成一个温度测试范围，那么，根据特征温度T_c就能够确定所处的温度测试范围，如果T_c∈[T₁,T₂]，那么，特征温度T_c所处的温度测试范围为[T₁,T₂]。同理，假设数据存储单元中存储的倍率测试点有R₁、R₂、……、R_m，那么，根据特征倍率R_c就能够确定所处的倍率测试范围，如果R_c∈[R₁,R₂]，那么，特征温度R_c所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]。

由于电池在运行过程中，BMS采集的温度值为变化值，与试验温度存在差异，因此提出特征温度T_c的概念，同理提出特征倍率R_c的概念，其中，特征温度T_c的计算方法如下：

设定有N路温度测试点，t₁时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg1，则t₁时刻的特征温度T_c1为T_avg1；t₂时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg2，则t₂时刻的特征温度T_c2为t₃时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg3，则t₃时刻的特征温度T_c3为t_n时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avgn，t_n时刻的特征温度T_cn为

特征倍率R_c的计算方法如下：

t₁时刻的充放电倍率为R₁，则t₁时刻的特征倍率R_c1为R₁；t₂时刻的充放电倍率为R₂，则t₂时刻的特征倍率R_c2为t₃时刻的充放电倍率为R₃，则t₃时刻的特征倍率R_c3为t_n时刻的充放电倍率为R_n，t_n时刻的特征倍率R_cn为

另外，BMS可以仅需记录本次SOC估算所需的特征温度和特征倍率，无需记录整个过程中的温度和倍率值，提高系统的运算速度。

然后，判断断电静置时间t，当断电静置时间t大于消除极化电压的时间时，直接使用传统开路电压法查表估算电池SOC；当断电静置时间t小于消除极化电压的时间时，使用下述估算过程进行SOC估算，用以解决短时静置条件下传统开路电压法无法修正电池初始荷电状态的问题。

接着，根据特征温度T_c所处的温度测试范围能够得到该范围对应的边界值，设定特征温度T_c所处的温度测试范围为[T₁,T₂]，根据特征倍率R_c所处的倍率测试范围能够得到该范围对应的边界值，设定特征倍率R_c所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]，那么，特征温度T_c对应的边界值为T₁和T₂，特征倍率R_c对应的边界值为R₁和R₂。然后，根据数据存储单元中存储数据的对应关系，即通过查表得到特征温度T_c对应的任意一个边界值与特征倍率R_c对应的任意一个边界值的组合所对应的拟合函数的参数。由于T₁和T₂与R₁和R₂能够形成四个组合数据，分别是[T₁、R₁]、[T₂、R₁]、[T₁、R₂]和[T₂、R₂]，那么，根据数据存储单元中存储数据的对应关系能够分别得到数据组合[T₁、R₁]、[T₂、R₁]、[T₁、R₂]和[T₂、R₂]对应的开路电压。

然后，对求得的各数据组合对应的开路电压进行插值计算，本实施例给出一种求解过程，如下所述：数据组合[T₁、R₁]和对应的开路电压为OCV₁，[T₂、R₁]对应的开路电压为OCV₂，对OCV₁和OCV₂进行插值计算，得到第一开路电压OCV₃，该第一开路电压OCV₃对应的数据组合为[T′、R₁]，计算方式为：数据组合[T₁、R₂]对应的开路电压为OCV₄，[T₂、R₂]对应的开路电压为OCV₅，对OCV₄和OCV₅进行插值计算，得到第二开路电压OCV₆，该第二开路电压OCV₆对应的数据组合为[T′、R₂]，计算方式为：

接着对第一开路电压OCV₃和第二开路电压OCV₆进行插值计算，得到特征温度T_c和特征倍率R_c对应的开路电压OCV，将该开路电压OCV称为所需开路电压，开路电压OCV对应的数据组合为[T′、R′]，本实施例给出一种计算方式：

最后根据开路电压OCV，并结合特征温度、开路电压与SOC的对应关系得到SOC，具体如下：根据特征温度与OCV值结合数据存储单元中数据的对应关系得到[T₁、OCV]和[T₂、OCV]对应的荷电状态SOC₁和SOC₂，插值得到[T′、OCV]对应的SOC，计算方式为

图1是SOC估算方法的整体流程图。

基于上述技术方案，以下给出一种应用实例，以放电为例。

通过大量测试试验获取不同温度、不同放电倍率、不同荷电状态下，电池静置1h的开路电压数据，其中温度测试点为-10℃、0℃、25℃、45℃，倍率测试点为0.1C、0.5C、1.0C、1.5C、2C，SOC选择点为15％、25％，时间记录间隔为1min。分析开路电压数据随静置时间的变化趋势，建立拟合函数的模型为V＝a*e^b*t+k；采用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法对开路电压数据进行拟合，采用拟合算法获取函数参数。以试验温度25℃、放电倍率1C，15％SOC、电池静置1h数据为例，获得拟合函数的参数为a、b、k分别为-0.03、-0.14、3.21。

将上述不同温度、放电倍率及各相关拟合函数参数数据存储至BMS中。

BMS重新上电后，首先读取上次系统运行状态、特征温度和特征倍率，并计算特征温度T_c为30℃，特征倍率R_c为0.35C。

判断特征温度和特征倍率的边界值，25℃≤T_c≤45℃，0.1C≤R_c≤0.5C，首先获取[25℃、0.1C]、[45℃、0.1C]对应的开路电压OCV₁、OCV₂，插值运算得到[30℃、0.1C]的开路电压OCV₃为获取[25℃、0.5C]、[45℃、0.5C]对应的开路电压OCV₄、OCV₅，插值运算得到[30℃、0.5C]的开路电压OCV₆为根据OCV₃和OCV₆插值计算得到[30℃、0.35C]对应的开路电压OCV值，为特征温度T_c和特征倍率R_c对应的开路电压，计算方式为

根据特征温度和开路电压OCV值获得[25℃、OCV]、[45℃、OCV]对应的荷电状态SOC₁、SOC₂，插值计算得到[35℃、OCV]对应的SOC，为求得的SOC即为最终所需的SOC值。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

开路电压估算方法实施例

上述SOC估算方法实施例中的SOC估算方法可以理解为包括两大组成部分，第一组成部分用于估算开路电压，第二组成部分根据得到的开路电压，结合开路电压与SOC的对应关系得到SOC。本实施例提供一种开路电压估算方法，该开路电压估算方法就是SOC估算方法中的第一组成部分，该开路电压估算方法可以单独实施和保护，用于估算电池的开路电压。由于上述SOC估算方法实施例已对开路电压估算方法的具体过程进行了详细地描述，本实施例就不再具体说明。

Claims (6)

1.一种基于特征温度和倍率的短时静置SOC估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；

(2)根据特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围，结合相应的对应关系表得到所述温度测试范围的任意一个边界值和所述倍率测试范围的任意一个边界值构成的数据组合所对应的拟合函数的参数，根据得到的拟合函数的参数，并结合与开路电压的对应关系得到各数据组合对应的开路电压；

(3)插值计算所述特征温度和特征倍率对应的开路电压，为所需开路电压，根据所述所需开路电压及特征温度得到对应的SOC；

所述对应关系表的获取过程为：1)获取不同温度、不同充放电倍率、不同SOC以及不同断电静置时间所对应的开路电压；2)建立断电静置时间与开路电压的函数模型，并通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数；

设定特征温度所处的温度测试范围为[T₁,T₂]，特征倍率所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]，分别得到数据组合[T₁、R₁]和[T₂、R₁]对应的开路电压，插值计算得到第一开路电压；分别得到数据组合[T₁、R₂]和[T₂、R₂]对应的开路电压，插值计算得到第二开路电压；然后对所述第一开路电压和第二开路电压进行插值计算，得到所述所需开路电压；设定有N路温度测试点，t₁时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg1，则t₁时刻的特征温度T_c1为T_avg1；t₂时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg2，则t₂时刻的特征温度T_c2为t₃时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg3，则t₃时刻的特征温度T_c3为……；t_n时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avgn，t_n时刻的特征温度T_cn为

t₁时刻的充放电倍率为R₁，则t₁时刻的特征倍率R_c1为R₁；t₂时刻的充放电倍率为R₂，则t₂时刻的特征倍率R_c2为t₃时刻的充放电倍率为R₃，则t₃时刻的特征倍率R_c3为……；t_n时刻的充放电倍率为R_n，t_n时刻的特征倍率R_cn为

2.根据权利要求1所述的基于特征温度和倍率的短时静置SOC估算方法，其特征在于，利用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行曲线拟合处理，以得到相应的拟合函数的参数。

3.根据权利要求1所述的基于特征温度和倍率的短时静置SOC估算方法，其特征在于，判断断电静置时间，当断电静置时间小于消除极化电压的时间时，进行所述步骤(2)。

4.一种基于特征温度和倍率的短时静置开路电压估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取静置前运行工况的电池运行状态、特征温度、特征倍率和断电静置时间，并确定特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围；

(2)根据特征温度所处的温度测试范围，以及特征倍率所处的倍率测试范围，结合相应的对应关系表得到所述温度测试范围的任意一个边界值和所述倍率测试范围的任意一个边界值构成的数据组合所对应的拟合函数的参数，根据得到的拟合函数的参数，并结合与开路电压的对应关系得到各数据组合对应的开路电压；

(3)插值计算所述特征温度和特征倍率对应的开路电压；

所述对应关系表的获取过程为：1)获取不同温度、不同充放电倍率、不同SOC以及不同断电静置时间所对应的开路电压；2)建立断电静置时间与开路电压的函数模型，并通过曲线拟合处理得到相应的拟合函数的参数；

设定特征温度所处的温度测试范围为[T₁,T₂]，特征倍率所处的倍率测试范围为[R₁,R₂]，分别得到数据组合[T₁、R₁]和[T₂、R₁]对应的开路电压，插值计算得到第一开路电压；分别得到数据组合[T₁、R₂]和[T₂、R₂]对应的开路电压，插值计算得到第二开路电压；然后对所述第一开路电压和第二开路电压进行插值计算，得到所述特征温度和特征倍率对应的开路电压；

设定有N路温度测试点，t₁时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg1，则t₁时刻的特征温度T_c1为T_avg1；t₂时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg2，则t₂时刻的特征温度T_c2为t₃时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avg3，则t₃时刻的特征温度T_c3为……；t_n时刻N路温度测试点采集的温度值的平均值为T_avgn，t_n时刻的特征温度T_cn为

t₁时刻的充放电倍率为R₁，则t₁时刻的特征倍率R_c1为R₁；t₂时刻的充放电倍率为R₂，则t₂时刻的特征倍率R_c2为t₃时刻的充放电倍率为R₃，则t₃时刻的特征倍率R_c3为……；t_n时刻的充放电倍率为R_n，t_n时刻的特征倍率R_cn为

5.根据权利要求4所述的基于特征温度和倍率的短时静置开路电压估算方法，其特征在于，利用Levenberg-Marquardt算法和通用全局优化法进行曲线拟合处理，以得到相应的拟合函数的参数。

6.根据权利要求4所述的基于特征温度和倍率的短时静置开路电压估算方法，其特征在于，判断断电静置时间，当断电静置时间小于消除极化电压的时间时，进行所述步骤(2)。