CN108181589A - 一种阀控式铅酸电池综合soc检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，包括以下步骤：1)根据电流实时数据采用安时法计算SOCi；2)根据电压实时数据用电动势法计算SOCv；3)根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr；4)根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值。本发明能够让阀控式铅酸蓄电池在任何复杂工况下随时准确计算出准确SOC值，解决了单独安时计量法检测的电流采样累计误差问题、电动势法需要静止状态下才能测量出准确SOC以及内阻法在容量很高情况测量不准确问题，有利于使用维护设备人员提前对阀控式铅酸蓄电池采取相应措施，避免阀控式铅酸蓄电池故障给设备带来影响。

Description

一种阀控式铅酸电池综合SOC检测方法

技术领域

本发明涉及一种铅酸电池检测技术，具体为一种阀控式铅酸电池综合SOC检测方法。

背景技术

阀控式铅酸蓄电池具有容量大、价格低、免维护等优点，因此被广泛应用于交通、通信、军工、电力、金融等领域。

然而，阀控式铅酸蓄电池的储能、充点、放电是一个复杂的电化学反应系统。在实际运行时，不同负载条件、使用时间、充放电次数、以及温度等多方面的原因会使得阀控式铅酸蓄电池容量降低，性能下降，进一步会影响阀控式铅酸蓄电池供电系统的正常工作，现有阀控式铅酸电池SOC检测手段比较单一，而且检测误差很大，因此，对阀控式铅酸蓄电池剩余容量的精确预测，不仅可以监测蓄电池剩余电量，还可对蓄电池的健康状况进行评估，有利于使用维护设备人员提前对阀控式铅酸蓄电池采取相应措施，避免阀控式铅酸蓄电池故障给设备带来影响。

而目前，能够满足对阀控式铅酸蓄电池剩余容量的精确预测的技术方案尚未见报道。

发明内容

针对现有技术中阀控式铅酸电池SOC检测存在手段单一，检测误差很大等不足，本发明要解决的问题是提供一种。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，包括以下步骤：

1)根据电流实时数据采用安时法计算SOCi；

2)根据电压实时数据用电动势法计算SOCv；

3)根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr；

4)根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值。

步骤1)中，根据电流实时数据采用安时法计算SOCi为：

对实时电流采集数据进行分析处理，通过查表方式获得计算公式里的系数，进而计算获得安时计量法的SOC值，其公式如下：

其中，SOC(t₀)为初始t₀时刻SOC值，k_I为电流等效系数，k_T为温度补偿系数，k_L为电池健康修正系数，t为被检测电池使用时间，i为被检测电池工作电流，Q₀为当前电池实际容量，τ为积分相对时间的变化系数。

步骤2)中，根据电压实时数据用电动势法计算SOCv为：

根据不同型号对应不同电动势与SOC_v关系曲线建立关系表格，对实时电压电流采集数据进行分析处理，通过公式(2-1)计算出电动势：

其中，E(t)为电池电动势，i(t)为t时刻电池工作电流，V_c(t)为电池等效极化电容两端电压，V(t)为电池端电压，R₁为电池等效电阻，R₂为电池等效极化电阻，C为极化电容；

通过公式(2-2)获得计算公式里的系数a和b，进而计算获得电动势法的SOCv值，电动势数学等效模型建立电动势公式2-1如下：

SOC_v＝a×E(t)+b (2-2)

其中，系数a和b由电动势与SOC关系曲线，通过一次曲线拟合获得。

根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr为：

根据内阻与SOC关系曲线，通过分段式一次曲线方式获得内阻法SOC_r值：

SOC_r＝a×R_nol+b (3-1)

其中，系数a和b为SOC_r关系曲线系数，通过一次曲线拟合获得，R_nol为电池内阻值。

所述一次曲线拟合为：将SOC_r关系曲线进行分段，即按一次曲线系数a的不同值进行分段，根据不同型号铅酸电池的实际内阻选取数据。

本发明还包括以下步骤：当电池SOC值降到规定阀值时，根据内阻与SOCr关系曲线，通过公式(3-1)采用内阻法检测SOC值；所述规定阀值根据实际内阻与电池容量曲线获得，也可通过查表得到，范围为电池容量的60％。

步骤4)中，根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值，计算公式如下：

SOC(k)＝[SOC(k-1)+ΔSOC_v(k)]×w+SOC_i(k)×(1-w)

其中，SOC(k)为第k次检测的SOC值，SOC(k-1)为k-1时刻SOC值，ΔSOC_v(k)为用电动势法计算得到的当前节拍SOCv增量，SOC_i(k)为第k次安时计量法算得SOCi值，w为加权系数。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明能够让阀控式铅酸蓄电池在任何复杂工况下随时准确计算出准确SOC值，解决了单独安时计量法检测的电流采样累计误差问题、电动势法需要静止状态下才能测量出准确SOC以及内阻法在容量很高情况测量不准确问题，可以准确监测蓄电池剩余电量，有利于使用维护设备人员提前对阀控式铅酸蓄电池采取相应措施，避免阀控式铅酸蓄电池故障给设备带来影响。

附图说明

图1为应用本发明方法的硬件结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本发明方法采用的电动势数学等效模型；

图4为本发明方法涉及的电动势与SOCv关系曲线图；

图5为本发明方法涉及的内阻与SOCr关系曲线图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

本发明方法通过硬件结构运行实现，硬件结构如图1所示，阀控式铅酸蓄电池硬件主要包括电压采样模块、电流采样模块、内阻采样模块、温度采样模块以及主控制器，其中电压采样模块并联安装在电池正负两端，电流采样模块串联安装在电池与负载之间，内阻采样模块也并联安装在电池正负极两端，主控制器与各个模块相连，上位机与主控制器进行通讯连接。

如图2所示，为本发阀控式铅酸蓄电池SOC计算流程图，本发明阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，包括以下步骤：

1)根据电流实时数据采用安时法计算SOCi；

2)根据电压实时数据用电动势法计算SOCv；

3)根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr；

4)根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值。

步骤1)中，根据电流实时数据采用安时法计算SOCi为：

对实时电流采集数据进行分析处理，通过计算获得安时计量法的SOCi值，其公式如下：

其中，SOC(t₀)为初始t₀时刻SOC值，k_I为电流等效系数，k_T为温度补偿系数，k_L为电池健康修正系数，t为被检测电池使用时间，i为被检测电池工作电流，Q₀为当前电池实际容量，τ为积分相对时间的变化系数。

步骤2)中，根据电压实时数据用电动势法计算SOCv为：

对实时电压电流采集数据进行分析处理，通过公式2-1计算出电动势，通过公式2-2查表方式获得计算公式里的系数a和b，进而计算获得电动势法的SOCv值。

通过如图3电动势数学等效模型建立电动势公式2-1如下：

其中，E(t)为电池电动势，i(t)为t时刻电池工作电流，V_c(t)为电池等效极化电容两端电压，V(t)为电池端电压，R₁为电池等效电阻，R₂为电池等效极化电阻，C为极化电容。

通过图4，即电动势与SOC_v关系曲线图建立电动势与SOC_v关系公式2-2，可以获得电动势法SOC_v值。

SOC_v＝a×E(t)+b(2-2)

其中，系数a和b由图4中电动势与SOC关系曲线，通过一次曲线拟合获得。

图4中得到的电动势与SOC_v关系曲线只是针对一种型号阀控式铅酸蓄电池，对于不同型号阀控式铅酸蓄电池必须从新测得电动势与SOC_v关系曲线，这样通过电动势与SOC_v关系曲线获得的系数a和b才能最准确。测得的SOC_v才能误差最小。针对这种情况建立起一个不同型号对应不同电动势与SOC_v关系曲线的关系表格，在主控制器初始化时只要输入电池型号就可以查找与其对应的电动势与SOC_v关系曲线所获得系数a和b值。

图4只是其中一种型号电池的电动势与SOC_v关系曲线图，其他型号电池就的电动势与SOC_v关系曲线不一一列举。

步骤3)中，根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr为：

通过图5，即内阻与SOC_r关系曲线图，可以获得电动势法SOC_r值。

SOC_r＝a×R_nol+b (3-1)

其中，系数a和b由图5中内阻与SOC_r关系曲线，通过一次曲线拟合获得，R_nol为电池内阻值。

由于内阻与SOC_r关系曲线直接通过SOC_r值0到100进行一次曲线拟合会有很大误差，为了误差最小，一般在曲线拟合时候都采取分段式曲线拟合。例如SOC_r值为10到20采用一次曲线拟合，20到30采用一次曲线拟合，30到40采用一次曲线拟合，40到100采用一次曲线拟合。具体分段曲线拟合分几段以及数据选取根据不同型号实际内阻与SOC_r关系曲线来划分。

图5中得到的内阻与SOC_r关系曲线只是针对一种型号阀控式铅酸蓄电池，对于不同型号阀控式铅酸蓄电池必须从新测得电动势与SOC_r关系曲线，这样通过电动势与SOC_r关系曲线获得的系数a和b才能最准确。测得的SOC_r才能误差最小。针对这种情况建立起一个不同型号对应不同内阻与SOC_r关系曲线的关系表格，在主控制器初始化时只要输入电池型号就可以查找与对应的电动势与SOC_r关系曲线所获得系数a和b值。

图5只是其中一种型号电池的内阻与SOC_r关系曲线图，其他型号电池的内阻与SOC_r关系曲线就不一一列举。

步骤4)中，根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值。

根据三种检测方法的优缺点(单独安时计量法检测的电流采样累计误差问题、电动势法需要静止状态下才能测量出准确SOC、内阻法在容量很高情况测量不准确问题)，以及根据电动势与SOCv关系曲线和内阻与SOCr关系曲线数据分析，可以得出以下结论：想检测出准确的SOC，必须根据实际工作情况出发来分析出有效方法。

在电池SOC值很高的情况下安时计量法和电动势法起到绝对作用。故而在SOC值很高的时候采用两种方法并联加权反馈处理方式，可获得准确SOC。

SOC值的计算公式如下：

SOC(k)＝[SOC(k-1)+ΔSOC_v(k)]×w+SOC_i(k)×(1-w)

其中，SOC(k)为第k次检测的SOC值，SOC(k-1)为k-1时刻SOC值(历史反馈)，ΔSOC_v(k)为用电动势法计算得到的当前节拍SOCv增量，SOC_i(k)为第k次安时计量法算得SOCi值，w为加权系数。

加权系数根据实际工作调整。例如电池处于产时间静态备用状态时w系数为1，此时所估算出的SOC(k)会收敛于电动势法SOC_v(k)；如果电池处于大电流放电状态时w系数为0，此时所估算出的SOC(k)会收敛于安时计量法SOC_i(k)；当0<w<1时，为两种方法处于一种反馈加权状态。

当电池SOC值降到规定阀值时，由于长时间放电和非静止状态等影响，在采用并联加权算法会有很大误差，故而根据内阻与SOCr关系曲线分析可以得出，在电池SOC值降到规定阀值时采用内阻检测SOC值会更可靠准确。公式见3-1。SOC阀值可根据实际内阻与电池容量曲线获得，也可通过查表得到，一般范围为电池容量的60％左右。

另外，在实际电池使用过程中，随着使用时间增长，充放电次数增加，环境变化等都会对使电池的SOC值出现不可逆的下降。当SOC值降到规定阀值后，在采用安时计量法或电动势法测得SOC值都会受到非常大的影响，故而在此种情况下也必须采用内阻法检测SOC，所用公式见(3-1)。

Claims (7)

1.一种阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据电流实时数据采用安时法计算SOCi；

2)根据电压实时数据用电动势法计算SOCv；

3)根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr；

4)根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值。

2.按权利要求1所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于步骤1)中，根据电流实时数据采用安时法计算SOCi为：

对实时电流采集数据进行分析处理，通过查表方式获得计算公式里的系数，进而计算获得安时计量法的SOC值，其公式如下：

其中，SOC(t₀)为初始t₀时刻SOC值，k_I为电流等效系数，k_T为温度补偿系数，k_L为电池健康修正系数，t为被检测电池使用时间，i为被检测电池工作电流，Q₀为当前电池实际容量，τ为积分相对时间的变化系数。

3.按权利要求1所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于步骤2)中，根据电压实时数据用电动势法计算SOCv为：

根据不同型号对应不同电动势与SOC_v关系曲线建立关系表格，对实时电压电流采集数据进行分析处理，通过公式(2-1)计算出电动势：

其中，E(t)为电池电动势，i(t)为t时刻电池工作电流，V_c(t)为电池等效极化电容两端电压，V(t)为电池端电压，R₁为电池等效电阻，R₂为电池等效极化电阻，C为极化电容；

通过公式(2-2)获得计算公式里的系数a和b，进而计算获得电动势法的SOCv值，电动势数学等效模型建立电动势公式2-1如下：

SOC_v＝a×E(t)+b (2-2)

其中，系数a和b由电动势与SOC关系曲线，通过一次曲线拟合获得。

4.按权利要求1所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于根据内阻实时数据采用内阻法计算SOCr为：

根据内阻与SOC关系曲线，通过分段式一次曲线方式获得内阻法SOC_r值：

SOC_r＝a×R_nol+b (3-1)

其中，系数a和b为SOC_r关系曲线系数，通过一次曲线拟合获得，R_nol为电池内阻值。

5.按权利要求4所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于所述一次曲线拟合为：将SOC_r关系曲线进行分段，即按一次曲线系数a的不同值进行分段，根据不同型号铅酸电池的实际内阻选取数据。

6.按权利要求4所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于还包括以下步骤：当电池SOC值降到规定阀值时，根据内阻与SOCr关系曲线，通过公式(3-1)采用内阻法检测SOC值；所述规定阀值根据实际内阻与电池容量曲线获得，也可通过查表得到，范围为电池容量的60％。

7.按权利要求1所述的阀控式铅酸电池综合SOC检测方法，其特征在于步骤4)中，根据电压、电流、内阻以及历史数据综合分析，通过混合计算方法获得最终电池SOC值，计算公式如下：

SOC(k)＝[SOC(k-1)+ΔSOC_v(k)]×w+SOC_i(k)×(1-w)

其中，SOC(k)为第k次检测的SOC值，SOC(k-1)为k-1时刻SOC值，ΔSOC_v(k)为用电动势法计算得到的当前节拍SOCv增量，SOC_i(k)为第k次安时计量法算得SOCi值，w为加权系数。