CN111038328B - 一种基于辅助功率的sop控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于辅助功率的SOP控制方法。相比于常用的“峰值‑持续功率切换”方法计算SOP，本专利提出辅助功率概念以及计算方式，用辅助功率取代持续功率用于功率切换。该方法基于峰值功率表和持续功率表，计算辅助功率表；当电池输出功率超过辅助功率时，累积超出辅助功率的能量，同时计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量；当累积能量+预留能量大于一定能量阈值时，将电池输出功率逐步限制到辅助功率；汽车电池功率被限制后，开始计时，累计时间超过功率恢复时间时，将允许的最大功率恢复到峰值功率。相比于目前常用的“峰值‑持续功率切换”方法，本发明降低了电动汽车电池过充、过放的风险。

Description

一种基于辅助功率的SOP控制方法

技术领域

本发明涉及新能源BMS和大数据结合的技术领域，特别是一种基于辅助功率的SOP控制方法。

背景技术

随着国家对新能源汽车产业大力支持，新能源汽车产业不断发展。电池管理系统作为电动汽车的一个重要组成部分，其核心在于SOX的估算。SOX包括SOC(剩余电量)、SOH(电池健康程度)以及SOP(电池功率状态)。相比于SOC、SOH，对于SOP的关注度相对较少，但优秀的SOP算法可以优化电池运行工况、提高电池使用寿命、提升用户体验。

SOP表示电池的能力，即在不过充、过放情况下，当前汽车电池所能输入和输出的最大功率。运行过程中，过充、过放都会对电池造成不可逆转的损害，因此，电池实际输入和输出功率不能超过SOP值。汽车运行工况、SOC、温度、老化程度等因素都会对SOP产生影响，其中汽车运行工况对SOP影响最大。电池的SOP是随着工况不断变化的，由于电池存在极化现象，当电池大功率放电时，初始时电压可能并没有超过截止电压，但是持续十几秒后，过程中SOC和温度没变化多少，电压却会快速降低，以至于超过截止电压，造成过放。通过降功率后，持续一段时间，电池恢复，又可以进行大功率放电。

由于SOP的受工况、温度、SOC等多种因素影响，很难实时估算SOP值，目前绝大数厂家采用的方法是，依据峰值功率和持续功率切换来作为SOP近似值。峰值功率：固定周期时间T₁(10s-15s)，在指定SOC、温度条件下，电池以峰值功率持续放电T₁时刻，电池电压刚好到达截止电压。持续功率和峰值功率类似，固定周期时间T₂(30s-100s)，在指定SOC、温度条件下，电池以持续功率持续放电T₂时刻，电池电压刚好到达截止电压。回充功率的峰值和持续功率的测试截止条件是充电截止电压。

常用的SOP控制方法为“峰值-持续功率切换”方法，该方法采用“水箱原理”，基于实际累计消耗能量，将电池最大输出功率在峰值功率(P_peak)和持续功率(P_cont)之间动态调整。汽车运行时，电池允许的最大输出功率为峰值功率，当输出功率超过持续功率时，开始累加额外输出的能量Q＝∑(P_t-Pcont)*Δt，Δt是算法调用周期，P_t是电池实际输出的功率值，当累加能量Q超过Q_peak＝(P_t-P_peak)*T₁时，最大输出功率逐步调整为P_cont；当功率小于P_cont时，累加(P_cont-P)*Δt，当累加值Q大于等于Q_peak时，最大输出功率从P_cont变为P_peak。专利号为201910490123.0公开了一种电动汽车锂电池SOP估算方法，属于该类方法。

“峰值-持续功率切换”方法计算量不大，鲁棒性强，适合在乘用车中应用，但是该类方法却存在如下两个问题：

1、峰值功率和持续功率对功率都是具有限制作用，只不过相比于峰值功率，持续功率的测试周期时间更长，即持续功率属于长周期的功率限制，峰值功率属于短周期的功率限制。上述方法只注重峰值功率的限制作用，忽略了持续功率的功率限制。鉴于过充、过放都会对电池造成不可逆的影响，因此需要充分利用持续功率的限制作用。

2、当最大输出功率从峰值功率切换到持续功率时，没有考虑逐步降低的过程中，输出功率依然可以大于持续功率情况，增加了过放过充的风险。

除上述方法外，目前也有些根据等价电池模型、Kalman滤波等方法在线估算当前电芯SOP的手段，专利号为201810044771.9公开了一种电动汽车锂电池SOP估算方法，基于等价电池模型来预估SOP，但这类方法理论复杂，计算量也大，不适合目前的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够降低电动汽车电池过充、过放风险的基于辅助功率的SOP控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于辅助功率的SOP控制方法，包括以下步骤：

步骤1、实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak；

步骤2、确定降功率的速率为H；

步骤3、查峰值功率表获得当前峰值功率，查持续功率表获得当前持续功率，查辅助功率表获得当前辅助功率；

步骤4、当电池输出功率小于辅助功率P_w时则不作处理，当电池输出功率超过辅助功率P_w时，根据“能量＝功率*时间”开始累积超出辅助功率的能量Q_w，并实时限制输出功率不超过峰值功率；

步骤5、计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H；

步骤6、当累加功率差值Q_W+Q_H＜Q′_peak时，不作处理，最大输出功率为峰值功率；

步骤7、当累加功率差值Q_W+Q_H≥Q′_peak时，开始按照速率H将当前功率逐步降为辅助功率P_w；

步骤8、当功率限制到辅助功率后，开始计时，当累计时间超过功率恢复时间，按照速度H逐步将功率限制从辅助功率恢复到峰值功率。

进一步地，步骤1所述的实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak，具体如下：

步骤1.1、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₁的峰值功率表，T₁取值为10s～20s；

步骤1.2、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₂的持续功率表，T₂取值为30s～100s；

步骤1.3、基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表。

进一步地，步骤1.3所述的基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，具体如下：

步骤1.3.1、输出功率为峰值功率时，在不能过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_peak＝(P_peak-P_w)·T₁，其中，P_peak为峰值功率，P_w为辅助功率；基于峰值功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_peak时，电池有过放风险；

步骤1.3.2、输出功率为持续功率时，在不过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_cont＝(P_cont-P_w)·T₂，其中，P_cont为持续功率，P_w为辅助功率；基于持续功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_cont时，电池有过放风险；

步骤1.3.3、将Q′_peak和Q′_cont两个限制条件结合在一起：

(P_peak-P_w)·T₁＝k·(P_cont-P_w)·T₂

式中，k表示峰值功率相对于持续功率的影响，k越大，表示峰值功率比持续功率的限制力越强，k的取值为1～10；

步骤1.3.4、根据上式计算辅助功率：

。

进一步地，步骤2所述确定降功率的速率为H，H取值范围为2～15kW/s。

进一步地，步骤5所述的计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H，公式为：

式中，P为汽车当前实际的输出功率值。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)用辅助功率替代持续功率，通过辅助功率和持续功率的动态切换来近似计算SOP值，同时考虑到降功率需要逐步变化的情况，添加预留能量，降低了电动汽车电池过充、过放的风险；(2)具有计算量小、鲁棒性强的优点，适合目前的工程应用。

附图说明

图1是本发明基于辅助功率的SOP控制方法中能量限制阈值的示意图。

图2是本发明中功率限制阈值的示意图。

图3是本发明实施例中不同SOP算法的实施示意图，其中(a)为某车辆在某一段时间的没有功率限制情况下汽车电池输出的功率值，(b)为在本发明限制下汽车电池输出的功率值。

具体实施方式

SOP算法中分为放电功率控制和回充功率控制，前者防止过放，后者防止过充，本发明中两者控制方法完全相同，因此为了描述方便，仅仅以放电功率控制为例说明。

本发明基于辅助功率的SOP控制方法，包括以下步骤：

步骤1、实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak；

步骤2、确定降功率的速率为H；

步骤3、查峰值功率表获得当前峰值功率，查持续功率表获得当前持续功率，查辅助功率表获得当前辅助功率；

步骤4、当电池输出功率小于辅助功率P_w时则不作处理，当电池输出功率超过辅助功率P_w时，根据“能量＝功率*时间”开始累积超出辅助功率的能量Q_w，并实时限制输出功率不超过峰值功率；

步骤5、计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H；

步骤6、当累加功率差值Q_W+Q_H<Q′_peak时，不作处理，最大输出功率为峰值功率；

步骤7、当累加功率差值Q_W+Q_H≥Q′_peak时时，开始按照速率H将当前功率逐步降为辅助功率P_w；

步骤8、当功率限制到辅助功率后，开始计时，当累计时间超过功率恢复时间，按照速度H逐步将功率限制从辅助功率恢复到峰值功率。

进一步地，步骤1所述的实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak，具体如下：

步骤1.1、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₁的峰值功率表，T₁取值为10s～20s；

步骤1.2、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₂的持续功率表，T₂取值为30s～100s；

步骤1.3、基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表。

进一步地，步骤1.3所述的基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，具体如下：

步骤1.3.1、输出功率为峰值功率时，在不能过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_peak＝(P_peak-P_w)·T₁，其中，P_peak为峰值功率，P_w为辅助功率；基于峰值功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_peak时，电池有过放风险；

步骤1.3.2、输出功率为持续功率时，在不过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_cont＝(P_cont-P_w)·T₂，其中，P_cont为持续功率，P_w为辅助功率；基于持续功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_cont时，电池有过放风险；

步骤1.3.3、将Q′_peak和Q′_cont两个限制条件结合在一起：

(P_peak-P_w)·T₁＝k·(P_cont-P_w)·T₂

式中，k表示峰值功率相对于持续功率的影响，k越大，表示峰值功率比持续功率的限制力越强，k的取值为1～10；

步骤1.3.4、根据上式计算辅助功率：

。

进一步地，步骤2所述确定降功率的速率为H，H取值范围为2～15kW/s。

进一步地，步骤5所述的计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H，公式为：

式中，P为汽车当前实际的输出功率值。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

结合图1、图2，本发明一种基于辅助功率的SOP控制方法，分为两部分，实验准备部分和实际运行部分，具体如下：

一、实验准备部分

步骤1、实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，具体如下：

步骤1.1、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₁(10～20s)的峰值功率表；

步骤1.2、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₂(30～100s)的持续功率表；

步骤1.3、基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，具体如下：

步骤1.3.1、输出功率为峰值功率时，在不能过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为(P_peak-P_w)·T₁，记为Q′_peak＝(P_peak-P_w)·T₁，其中，P_peak为峰值功率，P_w为辅助功率；基于峰值功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_peak时，电池有过放风险；

步骤1.3.2、输出功率为持续功率时，在不过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_cont＝(P_cont-P_w)·T₂，其中，P_cont为持续功率，P_w为辅助功率；基于持续功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_cont时，电池有过放风险。也就是说，Q′_peak和Q′_cont都是限制条件。

步骤1.3.3、将Q′_peak和Q′_cont两个限制条件结合在一起，Q′_peak、Q′_c0nt计算示意图如图1所示：

(P_peak-P_w)·T₁＝k·(P_cont-P_w)·T₂ (1)

式中，k表示峰值功率相对于持续功率的影响，k越大，表示峰值功率比持续功率的限制力越强，k的取值为1～10；

步骤1.3.4、根据公式(1)计算辅助功率：

从上式可以看出，k值取无穷大时，则P_w＝P_cont，此时本发明退化成背景中描述的传统SOP方法。根据实验结果k一般取值为1。

设定k＝1，则计算辅助功率的公式如下：

步骤2、确定降功率的速率为H；

根据实际电池情况，确定当功率达到降功率条件时，降功率速率H的值，为保证舒适的用户体验一般H＝2～15kW/s，本实施例取H＝4kW/s。

二、实际运行部分

步骤3、查峰值功率表获得当前峰值功率，查持续功率表获得当前持续功率，查辅助功率表获得当前辅助功率；初始电池最大输出功率为峰值功率，即电池能输出的最大功率不能超过峰值功率；

步骤4、当电池输出功率小于辅助功率P_w时则不作处理，当电池输出功率超过辅助功率P_w时，根据“能量＝功率*时间”开始累积超出辅助功率的能量Q_w，并实时限制输出功率不超过峰值功率；

步骤5、根据当前功率值，实时计算从当前功率位置按照速度H降功率到辅助功率时，需要预留的累计能量Q_H，如图2所示，t时刻当前输出功率为P_t，根据P_t的值，计算需要预留的累计能量Q_H，由于该面积为三角形，则Q_H的计算公式为：

式中，P为汽车当前实际的输出功率值。

步骤6、当累加功率差值Q_W+Q_H<Q′_peak时，不作处理，最大输出功率为峰值功率；

步骤7、当累加功率差值Q_W+Q_H≥Q′_peak时，开始按照速率H将当前功率逐步降为辅助功率P_w；

图3(a)中细黑线是汽车电池打算输出的功率，粗黑线是本专利针对于该工况允许的输出功率，汽车电池功率超过辅助功率时，累计超出的能量Q_W，同时按照公式(4)计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H，如图3(a)所示，时间到达t3时刻之前，累加功率差值Q_W+Q_H<Q′_peak，功率不作处理，最大输出功率为峰值功率；时间到达t3时刻时，累加功率差值Q_W+Q_H≥Q′_peak，这时图3(a)中运行的输出功率从当前功率值逐步降为辅助功率；如图3(b)所示，曲线是在本发明方法限制下，汽车实际输出的功率值，在t3时刻，Q_W+Q_H≥Q′_peak，汽车功率开始按照速率H将当前功率逐步降为辅助功率P_w。

步骤8、当功率限制到辅助功率后，开始计时，当累计时间超过功率恢复时间，按照速度H逐步将功率限制从辅助功率恢复到峰值功率。

回充功率限制和放电功率的操作相同，也需要测试回充的峰值功率、持续功率，然后按照公式(1)计算辅助功率，最后按照实时运行部分进行操作，区别是，回充功率限制是为了防止过充，而放电的功率限制是为了防止过放。

图3是不同SOP算法的实施示意图，其中图3(a)中的细线描述是某车辆在某一段时间的长加速工况下，汽车会输出的功率值。若是没有限制，电池按照细线描述的功率输出，那么汽车一定会发生过放的情况，此时若按照传统的“峰值-持续功率切换”方法，功率只能被逐渐将为持续功率值，那么在图中标记的T2时间段内，汽车平均输出功率依然超过会持续功率，这时电池依然会过。图3(a)中的粗黑线是本算法在该过程中汽车允许输出最大功率值，图3(b)的曲线是在本发明方法限制下，汽车实际输出的功率值。本专利用辅助功率替代持续功率，同时预留能量Q_H用于降功率过程的额外输出，这样的设计，使得在T2时间段内，电池平均输出功率小于持续功率，降低了电池的过放风险。

Claims (5)

1.一种基于辅助功率的SOP控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak；

步骤2、确定降功率的速率为H；

步骤3、查峰值功率表获得当前峰值功率，查持续功率表获得当前持续功率，查辅助功率表获得当前辅助功率；

步骤4、当电池输出功率小于辅助功率P_w时则不作处理，当电池输出功率超过辅助功率P_w时，根据“能量＝功率*时间”开始累积超出辅助功率的能量Q_w，并实时限制输出功率不超过峰值功率；

步骤5、计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H；

步骤6、当Q_W+Q_H<Q′_peak时，不作处理，最大输出功率为峰值功率；

步骤7、当Q_W+Q_H≥Q′_peak时，开始按照速率H将当前功率逐步降为辅助功率P_w；

步骤8、当功率限制到辅助功率后，开始计时，当累计时间超过功率恢复时间，按照速率H逐步将功率限制从辅助功率恢复到峰值功率。

2.根据权利要求1所述的基于辅助功率的SOP控制方法，其特征在于，步骤1所述的实验室测得周期为T₁的峰值功率表以及周期为T₂的持续功率表，基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，并确定降功率需要的能量阈值条件Q′_peak，具体如下：

步骤1.1、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₁的峰值功率表，T₁取值为10s～20s；

步骤1.2、实验室测得不同温度下、不同SOC下，周期为T₂的持续功率表，T₂取值为30s～100s；

步骤1.3、基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表。

3.根据权利要求2所述的基于辅助功率的SOP控制方法，其特征在于，步骤1.3所述的基于峰值功率表和持续功率表计算辅助功率表，具体如下：

步骤1.3.1、输出功率为峰值功率时，在不能过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_peak＝(P_peak-P_w)·T₁，其中，P_peak为峰值功率，P_w为辅助功率；基于峰值功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_peak时，电池有过放风险；

步骤1.3.2、输出功率为持续功率时，在不过放条件下，输出功率和辅助功率差值最大累计量为Q′_cont＝(P_cont-P_w)·T₂，其中，P_cont为持续功率，P_w为辅助功率；基于持续功率为限制阈值角度，当超出辅助功率的能量累计量大于Q′_cont时，电池有过放风险；

步骤1.3.3、将Q′_peak和Q′_cont两个限制条件结合在一起：

(P_peak-P_w)·T₁＝k·(P_cont-P_w)·T₂

式中，k表示峰值功率相对于持续功率的影响，k越大，表示峰值功率比持续功率的限制力越强，k的取值为1～10；

步骤1.3.4、根据上式计算辅助功率：

。

4.根据权利要求3所述的基于辅助功率的SOP控制方法，其特征在于，步骤2所述确定降功率的速率为H，H取值范围为2～15kW/s。

5.根据权利要求3所述的基于辅助功率的SOP控制方法，其特征在于，步骤5所述的计算从当前功率降到辅助功率时需要的预留能量Q_H，公式为：

式中，P为汽车当前实际的输出功率值。

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