CN108646197B - 一种汽车电池电量状态动态监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种汽车电池电量状态动态监控方法，通过汽车使用过程中自动进行电池探底，获取电池实际可用电量，用电池实际工作时的放电量与之比较，获取电池的电量状态SOE(StateofEnergy)。本发明在保证汽车起动能力的基础上，对电池进行探底以获取电池可用电量，及老化状态。与传统SOC(StateofCharge)计算方法相比，本发明不受限于电池类型、型号及老化状态，不受限于电池的特性参数变化，不必进行大量、长时间的特性参数获取试验，可对电池在汽车使用过程中进行实时电量状态监测和全生命周期监控，且收敛性好。本发明使电池拥有较大的容量空间回收制动能量，为燃油轿车制动能量回收的实现提供了基础。

Description

一种汽车电池电量状态动态监控方法

技术领域

本发明涉及汽车电气技术领域，特别涉及一种用于燃油汽车电源系统的电池电量状态动态监控方法。

背景技术

蓄电池的传统电量状态定义(SOC，state of charge，荷电状态)，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与完全充满状态的容量比值(剩余容量、充满时容量，均要求是在一定放电倍率下所能放出的电量)。蓄电池的SOC计算一直是汽车行业研究领域中的热点和难点。目前，最为常用的方法有，开路电压法、安时积分法、内阻法、线性模型法、卡尔曼滤波法，以及近期提出的神经网络方法等等。每种方法均有其使用的条件和局限性。

以上传统的电池电量监测方法均是利用电池某小段的充放电过程推算出电池的总电量，因此，算法中需要目标电池的很多充放电特性参数。通常情况下，不同类型、不同型号，甚至同种型号不同批次的电池，充放电特性参数都不尽相同。另外，随着电池的不断老化，这些参数也会随之变化，其变化规律通常无法获得。因此，以这些参数为基础的传统电量监测算法无法摆脱电池类型、型号及老化状态的影响。目前的研究均未解决电量状态监测算法中这一最大瓶颈。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，提出一种全新的汽车电池电量状态动态监控方法，该方法首先对电池电量状态监测给出了全新的定义，该定义中以电池的可用电量为基础，用实际使用放电量与之比较，可用电量和实际放电量均非按照SOC定义所要求的标准放电倍率获取，可用电量是以探底的方式获取，实际放电量以汽车使用时实际负载电流进行累积计算。

可用电量是指电池在预留一定保护电量(能使车停置一段时间后能启动)的前提下，实际使用中可放出的电量即为电池的可用电量。

通过汽车使用过程中自动进行电池探底，获取电池实际可用电量，以该可用电量为基础，通过对电池工作中实际放电量的实时监测，实现对电池的电量状态SOE(StateofEnergy)的动态监测，电池的可用电量通过提出一种定期条件性“探底”的方法获取。该方法可实现在汽车行驶过程中自行获取电池电量状态(SOE)，并摆脱现有算法对电池大量特性参数的依赖。

该方法就此产生了一种新的概念——“可用电量”，所述“可用电量”是指，电池在预留一定保护电量的前提下，实际使用中可放出的电量即为电池的可用电量。探测可用电量时使电池从充满状态开始放电，放电至一定条件时(只剩下一定保护电量时)结束。

因此，该方法也由此产生了一种新的概念——“探底”，所述“探底”是指，以电池的充满状态为标准，使电池从充满状态放电至保护电压时结束，停止放电，从而获取电池的可用电量。设定该保护电压是为了保证汽车停驶一段时间(该时间自定义)后，电池仍有足够的电量使汽车启动的电压，这个“足够的电量”即指保护电量。

探底时电池放电至保护电压即可结束，使电池预留一定电量——保护电量，以保证汽车的启动能力。保护电压是通过实验进行获取的，实验中的放电电流取为汽车在最常见工况下工作时(城市路况下白天行驶)的用电负载电流，通过多次实验确认，在该放电电流下，当电池放电至某电压后，足以保证汽车停置自定义的一段时间后能顺利启动，则此时对应的电压值，即为保护电压。

所述“探底”是有条件的，当探底时用电负载电流与实验时(最常见工况下)放电电流相差不大时，可以对电池进行探底，否则不可以。探底可以定期进行，如，每周一次，或每月一次，这可一方面消除算法中电量测量的累积误差，另一方面监测电池的老化状态。

因此，本发明采取的技术方案是：

一种汽车电池电量状态动态监控方法，该方法在汽车使用过程中通过对电池探底获得电池的可用电量，以所述可用电量为基础，通过对电池实际工作时的放电量进行实时动态监测，与所述可用电量做比较，实现对电池电量状态的监控，表示为：

SOE表示电池电量状态，Q_A表示电池的可用电量，Q_e表示电池实际工作时的放电量；

其中，对电池探底获得电池可用电量的方法是，使电池从充满状态放电至保护电压时，测量所放出的电量即为可用电量；

所述保护电压是通过实验获得的，实验中放电电流取汽车在城市道路白天行驶工况下的用电负载电流，以该电流进行放电，至某电压后，可保证汽车在停置预设的一段时间后依然能顺利启动，对应的该电压即为保护电压。

所述电池的可用电量，按下式测量得到：

其中，t₁表示探底开始时间，t₂表示探底结束时间，I_e(t)表示探底过程中的电池放电电流。

进一步地，对电池的探底是有条件的，当车辆用电负载满足如下条件时，才能对电池进行探底，且探底全过程均需满足这一条件：

|I_e(t)-I_A|<ΔI,t∈[t₁,t₂](2)

|Ie(t)-IA|＜ΔI，t∈[t1，t2]

其中，I_e(t)表示电池探底过程中t时刻的放电电流；I_A表示电池实验时放电电流，取汽车在城市道路白天行驶工况下的负载电流，ΔI为自设定。

进一步地，所述电池实际工作时的放电量Q_e，是在对应的一次探底之后电池实际工作过程中获取的。

进一步地，对电池的探底定期进行，每进行一次探底之后，获得一次可用电量，对电池的电量状态的监控以最近一次探底获得的可用电量为基础。

本发明还可以以每次探底时获取的电池可用电量为基础，根据可用电量的变化表征电池的老化状态SOA(StateofAging)，即：

其中，SOA_k表示第k次探底时电池的老化状态，Q_A,k表示第k次探底测得的可用电量，Q_A,1表示初次探底测得的可用电量，Q_A,k越小，表征电池老化越严重。

本发明对电池的电量状态有了新的定义，还对电池的老化状态定义了新的判断依据。在汽车使用过程中，通过自动进行的电池探底过程获取电池当前的可用电量Q_A，利用实时监测的电池已放出电量Q_e，计算出电池的电量状态。探底过程是定期条件性执行，因此，Q_A将定期更新，即Q_A,1～Q_A,k，随着电池不断老化，Q_A将逐渐减小，即可计算出电池的老化状态。

该技术与现有技术的最大区别在于：现有定义中，SOC计算方法中是以电池按照标准放电电流完全放出的电量(比如10倍频放电率电流，60Ah铅酸蓄电池的10倍频放电率电流值为6A)，即总电量为基础；已放出电量也是按照标准放电电流，电池放出的电量。然而，以不同电流放电时，电池放出的电量不同，而汽车使用过程中放电电流是动态时变的，具有强不确定性，因此需要对放电电量进行实时修正，方可计算出SOC。

而本发明技术针对汽车实际使用特征，引入一种新的概念：“可用电量”，对电池电量和老化状态进行了全新定义。电池电量状态计算公式中以可用电量Q_A为基础，即预留了电池保护电量后，实际使用中可放出的电量，以汽车实际使用时的放电量为分子与之比较。本发明中可用电量和实际放电量均非按照SOC定义所要求的标准放电倍率获取，摒弃了传统算法中根据某小段充放电过程推算电池总电量的思想，本发明的方法更加真实准确。另外，该方法对电池的电压探底是定期条件性的，可消除算法中电量测量的累积误差。另外，该方法不受限于电池类型、型号及老化状态，不受限于电池的特性参数的变化等，可对电池进行全生命周期监控，且收敛性好，更加适用于汽车使用特性，更加真实准确。

另一方面，现有电池老化状态(SOH)计算公式中，分子为总电量，分母为全新电池按照标准放电电流放出的总电量(电池厂商提供的额定电量值，为固定值，不会随着电池老化而变化)，即额定电量。

现有大量的研究以及算法均是针对如何实时获得修正后的放电量，以及如何计算电池不断老化后的总电量。算法依赖大量的电池特性参数，这些特性参数需要长时间的实验进行获取，而电池类型、型号不同，电池的特性参数也不同，且随着电池老化，其特性参数也发生变化，导致整个算法复杂度高、收敛性差，且随着电池使用，计算误差增大。

而本发明通过不断获取的可用电量，提出了全新的监测电池的老化状态的方法，是基于现有电池状态(可能不是新电池)，阶段性更新Q_A，监测出电池老化状态，并非传统定义中所要求的以标准放电倍率将电池由充满状态放空，记录总电量的变化。

另外，该方法下使电池拥有较大的容量空间回收制动能量，为普通轿车制动能量回收的实现提供了重要的基础。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一个实施例的汽车电池电量状态监控的流程示意图；

图2为本发明一个实施例的汽车电池在一次探底过程的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示为本发明实施例的汽车电池电量状态监控的流程示意图。

该监测过程包括如下步骤：

1)在监测系统(该监测系统包括电池状态监测装置、发电机控制装置，电池状态监测装置用于实时测量电池工作电流、工作电压和工作温度，发电机控制装置用于控制发电机是否发电，以及发电电压)上电初始化后，首先控制发电机工作对外发电，向蓄电池充电，直到将电池充满。此过程中，通过分析电池充电特性(该过程是通过实验确认，即确认式(1)中的I_min和U_max)及实际充电过程中的电流电压曲线，估计电池是否进入充满状态，进入充满状态的判断条件为：

其中，I表示蓄电池充电电流，U表示蓄电池充电电压，I_min表示蓄电池充满的电流阈值、U_max表示蓄电池最大充电电压，I_min和U_max都是电池自身特性，通过试验可确定，I、U在充电过程中可测量。在针对某传统轿车的实施例中，取I_min＝1A，U_max＝14.5V。

2)当检测到式(1)满足时，可以认为，蓄电池进入充满状态。控制发电机停止发电，由蓄电池单独为整车电器供电。

3)在蓄电池单独为整车电器供电的过程中，可以开始对蓄电池电量状态监测，监测以对保护电压探底的形式进行。对蓄电池的“探底”是有条件的探底，当用电负载满足如下条件时，才对电池进行探底，否则不能探底，探底全过程均需满足如下条件，条件表述为：

|I_e(t)-I_A|<ΔI,t∈[t₁,t₂](2)

其中，I_e(t)表示电池探底过程中t时刻的放电电流；I_A表示电池实验时放电电流，取汽车在城市道路白天行驶工况下的负载电流，ΔI为自设定。为保证准确性，一般需要ΔI<0.1A，本发明实施例选取0.01A。

满足上述条件后，对电池进行探底，探底是针对电池的保护电压进行的。如前所述，保护电压是指电池预留一定电量保证汽车在停驶一段时间(自定义时间)后依然能启动，所对应的电池电压。保护电压可通过实验提前确定，该实验的电池放电电流是取汽车在最常见工况下工作时的用电负载放电电流，放电至某电压后仍可保证汽车停置一段时间后顺利启动，经多次试验确认出该电压值，即为保护电压。

电池放电至保护电压时探底结束，此时电池中还留有一定的电量，即保护电量，用电池充满时的总电量减去保护电量，即为电池的可用电量。

图2为本发明实施例的汽车电池一次探底过程示意图。图2中横轴Q表示放电量，在所有时刻均可实时监测蓄电池放电量；纵轴U表示电池电压，在探底过程中实时可测量电池电压；U_e表示将电池电量完全放空时(本发明避免该现象发生，因此该电压不会出现)的电池电压；U_p表示探底的保护电压，电池放电至电压为U_p时则探底结束，结束放电，因此，U_p也是蓄电池的探底结束电压；I₁～I_n表示不同时间内用电负载电流，电池的放电电流不同，电压下降的曲线不同；当电池停止放电时(如，车辆锁车)时，电池电压将回升；Q_p表示电池的保护电量，指汽车静置一段时间后仍可启动所需的电量，与保护电压U_p对应；Q_A表示电池的可用电量，指电池从充满状态放电至保护电压的总放电量，即电池预留保护电量后，实际使用中可放出的电量。

如图2所示，电池电量可分为两个区：可用电量区(Q_A)和保护电量区(Q_p)。其分区界线对应于保护电压U_p，保护电压是通过实验进行获取的，如前所述。

4)探底结束时，可获得电池可用电量Q_A，计算方法如下：

其中，t₁表示探底开始时间，t₂表示探底结束时间，I_e(t)表示探底过程中的电池放电电流。

5)电池在行车使用中，可进行实时的放电量监测，记录为Q_e，也通过式(3)的方式来计算，只是t₁指最近一次探底结束后电池重新充满的时刻，t₂指电池当前放电时刻，I_e(t)表示电池在实际行车使用过程中的放电电流。

6)根据上述条件，电池电量状态可表示为：

式中，Q_e表示电池实际工作中的放电量；Q_A表示电池在探底时测得的可用电量。

本发明对电池的电量状态有了新的定义。式(4)表达的是，在对电池进行一次探底，获得可用电量，之后以此为基础，在电池的实际使用中，通过对其放电状况进行实时监测，实时获取放电量，根据这两个参数判断电池的电量状态，这种监测是动态的，可持续到准备进行下一次探底时为止。在进行下一次探底后，又可以下一次探底的可用电量为基础，进行新一轮的监测，所以本发明的方法是一种动态的、持续性的周期监测。

通过定期持续的对电池进行探底，还可根据历次可用电量的变化表征电池的老化状态，即：

其中，Q_A,k表示第k次探底测得的可用电量，Q_A,1表示初次探底测得的可用电量。随着电池不断老化，SOA_k逐渐减小，即Q_A,k越小，表示电池老化越严重。

SOA(StateofAging)，非原始SOH定义要求的以标准放电倍率将电池由充满状态放空，记录总电量的变化。

探底可以定期进行，如，每周探底一次，每月一次。每次探底时，都要看设定的条件是否满足，如果不满足则本次探底无效，等待下次探底。探底结束后且未满足下次探底周期时，按照电源控制逻辑对汽车发电机进行控制即可。

系统实时监测电池的工作电流、工作电压和温度，根据式(3)、(4)、(5)计算电池电量状态(SOE)和老化状态(SOA)，并依据电池SOE、SOA，以及车辆行驶状态(加速、减速、匀速)，对发电机进行智能控制，保证电池电量的同时实现制动能量回收，提高能源利用率。满足探底周期后，如，一周后，进行下次蓄电池探底。

本发明提出一种新的汽车电池电量状态(SOE)的监控方法，以放电量为基础，从监控电池实际放电量的角度获取电池电量状态，摒弃了传统算法中根据某小段充放电过程推算电池总电量的思想，本发明的方法更加真实准确；该方法不受限于电池类型、型号及老化状态，不受限于电池的特性参数的变化等，可对电池进行全生命周期监控，且收敛性好；该方法对电池的探底是定期条件性的，一方面消除算法中电量测量的累积误差，另一方面监测电池的老化状态；此外，该发明使电池拥有较大的容量空间回收制动能量，为普通轿车制动能量回收的实现提供了重要的基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本领域普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (3)

1.一种汽车电池电量状态动态监控方法，其特征在于，该方法在汽车使用过程中通过对电池探底获得电池的可用电量，以所述可用电量为基础，通过对电池实际工作时的放电量进行实时动态监测，与所述可用电量做比较，实现对电池电量状态的监控，表示为：

SOE表示电池电量状态，Q_A表示电池的可用电量，Q_e表示电池实际工作时的放电量；

其中，对电池探底获得电池可用电量的方法是，使电池从充满状态放电至保护电压时，测量所放出的电量即为可用电量；

所述保护电压是通过实验获得的，实验中放电电流取汽车在城市道路白天行驶工况下的用电负载电流，以该电流进行放电，至某电压后，可保证汽车在停置预设的一段时间后依然能顺利启动，对应的该电压即为保护电压；

对电池的探底是有条件的，当车辆用电负载满足如下条件时，才能对电池进行探底，且探底全过程均需满足这一条件：

|I_e(t)-I_A|<ΔI,t∈[t₁,t₂] (2)

I_e(t)表示电池探底过程中t时刻的放电电流；I_A表示电池实验时放电电流，ΔI为自设定，t₁表示探底开始时间，t₂表示探底结束时间；

且对电池的探底定期进行，每进行一次探底之后，获得一次可用电量，且对电池的电量状态的监控以最近一次探底获得的可用电量为基础，所述电池实际工作时的放电量Q_e，是在对应的一次探底之后电池实际工作过程中获取的。

2.根据权利要求1所述的汽车电池电量状态动态监控方法，其特征在于，所述电池的可用电量，按下式测量得到：

3.一种电池老化状态表征方法，其特征在于，通过对电池探底获得的可用电量的变化来表征，表述如下：

其中，SOA_k表示第k次探底时电池的老化状态，Q_A,k表示第k次探底测得的电池可用电量，Q_A,1表示初次探底测得的电池可用电量，Q_A,k越小，表征电池老化越严重。

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