CN110949174B - 纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法 - Google Patents

纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法。通过实时采集动力电池系统的电流、电压、温度、电荷状态，计算极限充电电流、极限放电电流、极限充电电压、极限放电电压、持续充电限制电流和持续放电限制电流等数据，同时通过整车控制器来判断整车状态，结合实际使用的不同工况来综合计算动力电池系统当下的SOP，摆脱了传统的仅根据动力电池系统厂家提供的持续和瞬间充放电电流表进行查表计算SOP的局限性，使得纯电动汽车在不同工况下可以真实有效的在线计算获取动力电池系统的实时功率状态，在保证动力电池系统安全使用的同时，最大效率的发挥动力电池系统的作用。

Description

纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法
技术领域
本发明属于纯电动汽车电池系统状态估算技术领域，尤其涉及一种纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法。
背景技术
纯电动汽车主要是以动力锂离子电池作为动力源的清洁汽车，是当下传统燃油汽车的替代者之一，发展纯电动汽车符合时代发展的趋势和要求。
动力电池系统的功率状态(SOP，state of power)是电池系统状态的重要参数，是纯电动汽车整车动力性设计的一个关键参数，一定程度上决定了电机电控系统设计选型。在纯电动汽车行驶过程中，准确估算电池系统的SOP，对于延长电池系统寿命、提高电池系统安全性和整车综合性能具有重要的作用。
电池系统的SOP受很多因素影响，无法通过传感器直接测算获取，必须要通过实时测量整车电池系统的电压、温度、电流、电荷状态(SOC，State of charge)等数据，结合电池系统大量的实验室测算数据，采用一定的数学模型和算法估计得到，结合大量的调研和项目实例发现目前普遍的估算方法是插值查表法，借助专业的实验室设备测试获取电芯在不同温度和SOC下的可允许的持续充电电流值和放电电流值以及可允许的瞬间放电电流和瞬间充电电流值，组成一个二维矩阵表，可允许的瞬间业内主要有两种定义≤10s和≤30s，但该方法受限于实验数据，不能在线、动态、全生命周期估算电池系统的SOP。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，包括：
通过电池管理系统读取动力电池系统实时状态数值，设置电池的极限充电电压及极限放电电压；
依据读取的动力电池系统实时状态数值获取动力电池系统的实时的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流；
建立电池等效电路模型，计算电池内阻；
通过整车控制器判定整车状态，获得当前整车状态下的电流变化值，并依据所述电流变化值计算出电流极限值，每0.5s对所述电流极限值进行一次滤波处理，计算出连续5个计数点的电流极限值并取平均值得到平均限定极值作为电流极值输出。
在一些可选的实施例中，所述通过整车控制器判定整车状态的过程包括：
整车控制器通过采集档位信号、油门踏板开度信号、制动踏板开度信号以及电池管理系统反馈的动力电池系统是否在充电的状态信号，判断整车是否处于行车放电状态，若未处于行车放电状态，则判断整车是否处于行车回馈状态；
若整车处于行车放电状态，则整车控制器通过车速计算整车加速度，若整车加速度大于等于预设定值，则判定整车处于急加速状态，否则判定整车处于非急加速行驶状态。
在一些可选的实施例中，所述的纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，还包括：
当整车处于急加速状态时，判断当前采样点的电池电压值与所述极限放电电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述极限放电电流中较小的数值作为最终电流极值输出，否则取所述极限放电电流作为最终电流极值输出；
当整车处于非急加速行驶状态时，判断当前采样点的电池电压值与所述极限放电电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述持续放电限制电流中较小的数值作为最终电流极值输出，否则取所述持续放电限制电流作为最终电流极值输出；
当整车处于行车回馈状态时，判断所述极限充电电压值与当前采样点的电池电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述极限充电电流中较大的数值作为最终电流极值输出，否则取所述极限充电电流作为最终电流极值输出；
当整车未处于行车回馈状态时，判断所述极限充电电压值与当前采样点的电池电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述持续充电限制电流中较大的数值作为最终电流极值输出，否则取所述持续充电限制电流作为最终电流极值输出。
在一些可选的实施例中，所述依据读取的动力电池系统实时状态数值获取动力电池系统的实时的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的过程包括：
构建动力电池系统的温度与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵，以及电荷状态与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵；
通过电池管理系统获得动力电池系统当前采样点的电池电压、电流、温度、电荷状态的数值；
根据所获得的当前采样点的电池温度与电荷状态的数值通过所述数据矩阵获取动力电池系统的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值。
在一些可选的实施例中，所述温度与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵是指动力电池系统在-25℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、40℃、55℃不同温度下所对应的可允许的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值所组成的矩阵表；
所述电荷状态与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵是指电荷状态分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％下所对应的可允许的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值所组成的矩阵表。
在一些可选的实施例中，所述建立电池等效电路模型，计算电池内阻的过程包括：
获取电压变化值，所述电压变化值为当前采样点的电池电压值与前一个采样点的电池电压值的差值；
获取电流变化值，所述电流变化值为当前采样点的电池电流值与前一个采样点的电池电流值的差值；
获取电池内阻，所述电池内阻的数值为所述电压变化值除以所述电流变化值所得到的数值。
本发明所带来的有益效果：通过实时采集检测电池系统的实时状态，结合整车实时运行状态，分别估算不同工况状态下电池系统的实时SOP，摆脱了传统的仅根据动力电池系统厂家提供的持续和瞬间充放电电流表进行查表计算SOP的局限性，使得纯电动汽车在不同工况下可以真实有效的在线计算获取动力电池系统的实时功率状态，在保证动力电池系统安全使用的同时，最大效率的发挥动力电池系统的作用；实时在线计算结果与大量的实验测试数据冗余计算保证电池系统运行安全；实时在线计算的SOP比传统的二维插值查表结果更加准确；可以结合不同整车运行工况全生命周期估算电池系统的SOP。
附图说明
图1是本发明纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法的流程示意图；
图2是当判定为处于行车放电状态后的流程图；
图3是当判定为未处于行车放电状态后的流程图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1至3所示，在一些说明性的实施例中，提供一种纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，实现纯电动汽车在不同工况状态下的动力电池系统SOP在线实时准确估算，包括：
101：根据电池类型设置电池的极限充电电压Vlcihmarge及极限放电电压Vldiimscharge，获取动力电池系统的极限和持续充放电限制电流。
其中，极限和持续充放电限制电流包括：极限充电电流
Figure BDA0002260844480000061
极限放电电流
Figure BDA0002260844480000062
持续充电限制电流
Figure BDA0002260844480000063
及持续放电限制电流
Figure BDA0002260844480000064
可根据电池厂家的说明书中获取。
其中，依据电池的类型，结合电池厂家产品参数要求确定电池最低电压为Vmin和最高电压为Vmax，例如：动力电池三元类型的动力电池极限电压值为Vmin＝2.85V、Vmax＝4.2V，磷酸铁锂类型的动力电池极限电压值为Vmin＝2.65V，Vmax＝3.85V。
102：通过电池管理系统读取动力电池系统实时状态数值，实时状态数值包括：电池的电压、电流、温度及电荷状态，即通过电池管理系统获得动力电池系统当前采样点的电池电压Vt、电流it、温度Tt、电荷状态SOCt的数值。
其中计算周期为100ms，即t-t1＝100ms。
103：建立电池等效电路模型，计算电池内阻。具体过程如下：
首先，获取电压变化值DeltaV，电压变化值DeltaV为当前采样点的电池电压值Vt与前一个采样点的电池电压值Vt-1的差值，即DeltaV＝Vt-Vt-1；
然后，获取电流变化值DeltaI，电流变化值DeltaI为当前采样点的电池电流值it与前一个采样点的电池电流值it-1的差值，即DeltaI＝it-it-1；
最后，获取电池内阻R，电池内阻R的数值为电压变化值DeltaV除以电流变化值DeltaI所得到的数值，即R＝DeltaV/DeltaI。
其中，电池等效电路模型为一个电压源Voc、一个欧姆电阻R串联，即Rint模型。
104：依据读取的动力电池系统实时状态数值获取动力电池系统的实时的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流，即根据Tt和SOCt查表获取t时刻的极限充电电流
Figure BDA0002260844480000071
极限放电电流
Figure BDA0002260844480000072
持续充电限制电流
Figure BDA0002260844480000073
及持续放电限制电流
Figure BDA0002260844480000074
具体过程如下：
首先，构建动力电池系统的温度与极限充电电流
Figure BDA0002260844480000075
极限放电电流
Figure BDA0002260844480000076
持续充电限制电流
Figure BDA0002260844480000077
及持续放电限制电流
Figure BDA0002260844480000078
的数据矩阵，以及电荷状态与极限充电电流
Figure BDA0002260844480000079
极限放电电流
Figure BDA00022608444800000710
持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800000711
及持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000712
的数据矩阵；
然后，通过电池管理系统获得动力电池系统当前采样点的电池电压、电流、温度、电荷状态的数值；
最后，通过插值法查表，根据所获得的当前采样点的电池温度与电荷状态的数值通过数据矩阵获取动力电池系统的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值。
其中，温度与极限充电电流
Figure BDA00022608444800000713
极限放电电流
Figure BDA00022608444800000714
持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800000715
及持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000716
的数据矩阵是指动力电池系统在-25℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、40℃、55℃不同温度下所对应的可允许的极限充电电流
Figure BDA00022608444800000717
极限放电电流
Figure BDA00022608444800000718
持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800000719
及持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000720
的数值所组成的矩阵表；
电荷状态与极限充电电流
Figure BDA00022608444800000721
极限放电电流
Figure BDA00022608444800000728
持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800000722
及持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000723
的数据矩阵是指电荷状态分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％下所对应的可允许的极限充电电流
Figure BDA00022608444800000724
极限放电电流
Figure BDA00022608444800000725
持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800000726
及持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000727
的数值所组成的矩阵表。
105：整车控制器监测整车状态。
106：判断整车是否处于行车放电状态。整车控制器通过采集档位信号、油门踏板开度信号、制动踏板开度信号以及电池管理系统反馈的动力电池系统是否在充电的状态信号，判断整车是否处于行车放电状态。
107：若未处于行车放电状态，则判断整车是否处于行车回馈状态。
108：若处于行车放电状态，则判断整车是否处于急加速状态，整车控制器通过车速计算整车加速度a，若整车加速度a大于等于预设定值，则判定整车处于急加速状态。
109：若整车加速度a小于预设定值，则判定整车处于非急加速行驶状态。
110：当整车处于急加速状态时，依据下式获得当前整车状态下的电流变化值Δi：
Figure BDA0002260844480000081
111：依据下式计算出电流极限值
Figure BDA0002260844480000082
Figure BDA0002260844480000083
其中，i即为当前采样点的电池电流it。
112：采用平均值滤波方法，每0.5s对
Figure BDA0002260844480000084
进行一次滤波处理，计算连续5个计数点的电流极限值并取平均值，从而得到平均限定极值
Figure BDA0002260844480000085
113：判断当前采样点的电池电压值Vt与极限放电电压值
Figure BDA0002260844480000086
的差值是否小于等于阈值K，即判断
Figure BDA0002260844480000087
114：若
Figure BDA0002260844480000088
取平均限定极值
Figure BDA0002260844480000089
与极限放电电流
Figure BDA00022608444800000810
中较小的数值作为最终电流极值iSoP输出，即
Figure BDA00022608444800000811
否则进行步骤115。
115：取极限放电电流
Figure BDA00022608444800000812
作为最终电流极值iSoP输出。
116：当整车处于非急加速行驶状态时，依据下式获得当前整车状态下的电流变化值Δi：
Figure BDA0002260844480000091
117：依据下式计算出电流极限值
Figure BDA0002260844480000092
Figure BDA0002260844480000093
其中，i即为当前采样点的电池电流it。
118：采用平均值滤波方法，每0.5s对
Figure BDA0002260844480000094
进行一次滤波处理，计算连续5个计数点的电流极限值并取平均值，从而得到平均限定极值
Figure BDA0002260844480000095
119：判断当前采样点的电池电压值Vt与极限放电电压值
Figure BDA0002260844480000096
的差值是否小于等于阈值K，即判断
Figure BDA0002260844480000097
120：若
Figure BDA0002260844480000098
取平均限定极值
Figure BDA0002260844480000099
与持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000910
中较小的数值作为最终电流极值iSoP输出，即
Figure BDA00022608444800000911
否则进行步骤121。
121：取持续放电限制电流
Figure BDA00022608444800000912
作为最终电流极值iSoP输出。
122：当整车处于行车回馈状态时，依据下式获得当前整车状态下的电流变化值Δi：
Figure BDA00022608444800000913
123：依据下式计算出电流极限值
Figure BDA00022608444800000914
Figure BDA00022608444800000915
其中，i即为当前采样点的电池电流it。
124：采用平均值滤波方法，每0.5s对
Figure BDA00022608444800000916
进行一次滤波处理，计算连续5个计数点的电流极限值并取平均值，从而得到平均限定极值
Figure BDA00022608444800000917
125：判断极限充电电压值
Figure BDA00022608444800000918
与当前采样点的电池电压值Vt的差值是否小于等于阈值K，即判断
Figure BDA00022608444800000919
126：若
Figure BDA0002260844480000101
取平均限定极值
Figure BDA0002260844480000102
与极限充电电流
Figure BDA0002260844480000103
中较大的数值作为最终电流极值iSoP输出，即
Figure BDA0002260844480000104
否则进行步骤127。
127：取极限充电电流
Figure BDA0002260844480000105
作为最终电流极值iSoP输出。
128：当整车未处于行车回馈状态时，依据下式获得当前整车状态下的电流变化值Δi：
Figure BDA0002260844480000106
129：依据下式计算出电流极限值
Figure BDA0002260844480000107
Figure BDA0002260844480000108
其中，i即为当前采样点的电池电流it。
130：采用平均值滤波方法，每0.5s对
Figure BDA0002260844480000109
进行一次滤波处理，计算连续5个计数点的电流极限值并取平均值，从而得到平均限定极值
Figure BDA00022608444800001010
131：判断极限充电电压值
Figure BDA00022608444800001011
与当前采样点的电池电压值Vt的差值是否小于等于阈值K，即判断
Figure BDA00022608444800001012
132：若
Figure BDA00022608444800001013
取平均限定极值
Figure BDA00022608444800001014
与持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800001015
中较大的数值作为最终电流极值iSoP输出，即
Figure BDA00022608444800001016
否则进行步骤133。
133：取持续充电限制电流
Figure BDA00022608444800001017
作为最终电流极值iSoP输出。
步骤119至步骤121、步骤113至步骤115、步骤125至步骤127、步骤131至步骤133可避免平均限定极值的计算值失真，经过冗余计算后获得电池系统电流实时极限值iSoP。
其中，K为预设定值，因电池类别不同而有差异。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (5)

1.纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，其特征在于，包括：
通过电池管理系统读取动力电池系统实时状态数值，设置电池的极限充电电压及极限放电电压；
依据读取的动力电池系统实时状态数值获取动力电池系统的实时的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流；
建立电池等效电路模型，计算电池内阻；
通过整车控制器判定整车状态，获得当前整车状态下的电流变化值，并依据所述电流变化值计算出电流极限值，每0.5s对所述电流极限值进行一次滤波处理，计算出连续5个计数点的电流极限值并取平均值得到平均限定极值作为电流极值输出；
还包括：
当整车处于急加速状态时，判断当前采样点的电池电压值与所述极限放电电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述极限放电电流中较小的数值作为最终电流极值输出，否则取所述极限放电电流作为最终电流极值输出；
当整车处于非急加速行驶状态时，判断当前采样点的电池电压值与所述极限放电电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述持续放电限制电流中较小的数值作为最终电流极值输出，否则取所述持续放电限制电流作为最终电流极值输出；
当整车处于行车回馈状态时，判断所述极限充电电压值与当前采样点的电池电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述极限充电电流中较大的数值作为最终电流极值输出，否则取所述极限充电电流作为最终电流极值输出；
当整车未处于行车回馈状态时，判断所述极限充电电压值与当前采样点的电池电压值的差值是否小于等于阈值，若小于等于阈值，则取所述平均限定极值与所述持续充电限制电流中较大的数值作为最终电流极值输出，否则取所述持续充电限制电流作为最终电流极值输出。
2.根据权利要求1所述的纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，其特征在于，所述通过整车控制器判定整车状态的过程包括：
整车控制器通过采集档位信号、油门踏板开度信号、制动踏板开度信号以及电池管理系统反馈的动力电池系统是否在充电的状态信号，判断整车是否处于行车放电状态，若未处于行车放电状态，则判断整车是否处于行车回馈状态；
若整车处于行车放电状态，则整车控制器通过车速计算整车加速度，若整车加速度大于等于预设定值，则判定整车处于急加速状态，否则判定整车处于非急加速行驶状态。
3.根据权利要求2所述的纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，其特征在于，所述依据读取的动力电池系统实时状态数值获取动力电池系统的实时的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的过程包括：
构建动力电池系统的温度与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵，以及电荷状态与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵；
通过电池管理系统获得动力电池系统当前采样点的电池电压、电流、温度、电荷状态的数值；
根据所获得的当前采样点的电池温度与电荷状态的数值通过所述数据矩阵获取动力电池系统的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值。
4.根据权利要求3所述的纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，其特征在于，
所述温度与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵是指动力电池系统在-25℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、40℃、55℃不同温度下所对应的可允许的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值所组成的矩阵表；
所述电荷状态与极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数据矩阵是指电荷状态分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％下所对应的可允许的极限充电电流、极限放电电流、持续充电限制电流及持续放电限制电流的数值所组成的矩阵表。
5.根据权利要求4所述的纯电动汽车多工况下电池系统功率状态在线估算方法，其特征在于，所述建立电池等效电路模型，计算电池内阻的过程包括：
获取电压变化值，所述电压变化值为当前采样点的电池电压值与前一个采样点的电池电压值的差值；
获取电流变化值，所述电流变化值为当前采样点的电池电流值与前一个采样点的电池电流值的差值；
获取电池内阻，所述电池内阻的数值为所述电压变化值除以所述电流变化值所得到的数值。
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