CN111537902A - 一种基于实时容量动态变化模型的soc估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，包括如下步骤：建立被测电池二阶RC Thevenin模型；采用脉冲功率测试识别模型参数；计算被测电池循环圈数、运行温度和放电电流对电池容量衰减的影响，以计算实际电池容量；根据建立的二阶RC Thevenin模型获取的参数，采用扩展卡尔曼算法调整参数并估算被测电池SOC，本发明对SOC的预测考虑到温度、循环圈数、放电倍率等因素，大幅提高了SOC的预测精度。

Description

一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法
技术领域
本发明涉及电池SOC估算领域，特别涉及一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法
技术背景
SOC估算精度受到电芯容量的参数设置的影响，现有SOC估算方法的准确度较低，主要原因包括：在电池的循环过程中会出现电芯容量衰减的状况，会对后期的SOC估算精度产生影响，另外电池充放电倍率、电池运行温度等因素对电芯容量产生一定的影响，进一步会对SOC估算精度产生一定的影响，而现有技术方案中对上述参数较少考虑，从而导致对SOC估算精度较低。
发明内容
本发明其中一个主要目的在于提供一种基于实时容量动态变化模型的SOC 估算方法，所述SOC估算方法采用二阶RC Thevenin模型，在模型中加入多个电芯容量的影响参数，并通过扩展卡尔曼滤波算法对荷电状态(SOC)进行估算。
本发明其中一个目的在于提供一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，所述SOC估算方法计算温度参数对电芯容量的影响，用于修正SOC估算方法。
本发明其中一个目的在于提供一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，所述SOC估算方法将电池循环寿命纳入影响参数，用于提高SOC估算方法的精度。
本发明其中一个目的在于提供一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，所述SOC估算方法将电池充放电倍率纳入估算SOC的影响参数，以提高 SOC估算方法精度。
为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，包括如下步骤：
建立被测电池二阶RC Thevenin模型；
采用脉冲功率测试识别模型参数；
计算被测电池循环圈数、运行温度和放电电流对电池容量衰减的影响，以计算实际电池容量；
根据建立的二阶RC Thevenin模型获取的参数，采用扩展卡尔曼算法调整参数并估算被测电池SOC。
根据本发明其中一个较佳实施例，测量二阶RC Thevenin模型中每一RC环路电压U1和U2，获取首次放电下降段电压差△U，测量电池电压U，求出RC 电路电压：URC＝VSOC-△U-U；Vsoc为不同状态下的开路电压，根据公式 URC＝IR1e-t/τ1+IR2e-t/τ2，利用最小二乘拟合法求出τ1、τ2。
根据本发明另一个较佳实施例，测量不同循环圈数和电池容量之间的关系，建立电池容量和循环圈数的衰减公式。
根据本发明另一个较佳实施例，计算放电倍率对电池容量的影响，方法包括如下步骤：测量不同放电电流I1和I2以及对应放电电流的放电时间t1和t2，采用普克特方程表示电流随时间的变化：Int＝K，其中，n为与电线有关的参数，K 为活性物质有关常数，根据普克特方程求出n以及K：n＝(lgt2-lgt1)/(lgI2-lgI1)，并获取电池容量随着电流大小的关系：C(I)＝It1-n。
根据本发明另一个较佳实施例，计算温度对电池容量的影响，包括如下步骤：计算不同温度下电池放电容量，采用matelab对数据进行拟合，以获取影响电池容量的温度系数：ηT＝aT3－bT2+cT+d，并获取不同温度以及电流的电池容量关系方程：C(I,T)＝kηTI1-n。
根据本发明另一个较佳实施例，根据测试结果计算电池实时容量相对于电池循环圈数的关系，根据上述脉冲功率测试得知电池实时容量相对于电池循环圈数线性衰减：μn，μ为衰减系数，n为循环圈数，则实际电池容量计算方程为： C(I,T,n)＝kηTI1-n-μn，采用按时积分计算电池实时SOC，并通过扩展卡尔曼滤波算法状态参数调整以修正SOC。
根据本发明另一个较佳实施例，将所述URC总电压、电流、电池温度、循环圈数作为状态参数输入所述扩展卡尔曼算法，并输出SOC。
附图说明
请参考图1显示的是二阶RC Thevenin模型示意图；
请参考图2显示的是扩展卡尔曼算法输入输出参数调整流程示意图；
请参考图3显示的是本发明一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法具体流程框图。
具体实施方式
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
请参考图3显示的本发明一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，包括如下步骤：
建立被测电池二阶RC Thevenin模型；
采用脉冲功率测试识别模型参数；
计算被测电池循环圈数、运行温度和放电电流对电池容量衰减的影响，以计算实际电池容量；
根据建立的二阶RC Thevenin模型获取的参数，采用扩展卡尔曼算法调整参数并估算被测电池SOC。
其中脉冲功率测试识别模型参数的方法包括：将电池充至满电状态，以0.1C 的电流将电池电量放电至95％状态，之后将电池静置1小时，然后对电池以1.5C 电流大小将电池放电10秒，静置40秒后对电池进行1C电流大小的充电。测量上述充放电的RC电路的电压变化，进一步地，采用上述方法分别测量电池容量为90％，85％，80％，75％…5％的模型状态，并计算相关的参数，其中电池的输出电压为：U＝Vsoc(t)-(R0+R1+R2)I(t)-[R1(t)-U1(0)]e-t/τ1-[R2(t)-U2(0)]e-t/τ2，Vsoc(t) 为电池在不同SOC下的开路电压，U1(0)和U2(0)分别为二阶RC电路的初始电压，R1(t)和R2(t)分别为二阶RC电路电压快速变化和缓慢变化的参量，R0为电池欧姆内阻。其中RC电路的总电压为：URC＝U1(0)e-t/τ1-U2(0)e-t/τ2，根据测试获取电池不同SOC状态的开路电压Vsoc，由于RC电路总电压URC无法通过直接测量获取，但可以计算获取，计算公式为：URC＝VSOC-△U-U，△U为在每一SOC状态脉冲功率测试中电池放电导致电压下降部分，举例来说：在上述95％容量状态下以1.5C电流大小将电池放电10秒后的电池压差为△U，U为电池的测试电压，通过计算获取URC的具体数值。
值得一提的是，根据公式URC＝U1(0)e-t/τ1-U2(0)e-t/τ2，计算和测量获取不同 SOC状态下URC和U1(0)和U2(0)，采用二阶零输入响应和matlab软件提供的最小二乘拟合法计算公式中τ1、τ2。需要说明的是，在电池静态下，RC电路中的电阻相对来说是稳定的，RC电路的总电压相对稳定，因此可采用公式：URC＝IR1e-t/τ1+IR2e-t/τ2计算RC电路在不同SOC状态下的静态电压。
进一步地，本发明考虑放电倍率对电池容量的影响，具体方法如下：测量不同放电电流以及对应的放电终止时间，比如在上述95％容量状态下可以测量 1.5C和2C的放电电流以及放电终止时间，采用普克特方程Int＝K计算系数n和常数K，举例来说：以电流I1和I2对电池进行放电，并分别记录电池完全放电的时间为t1和t2，根据普克特公式变换计算系数n:n＝(lgt2-lgt1)/(lgI2-lgI1)，并进一步计算常数K，需要说明的是，n为和电线相关的参数，K为和电池活性物质相关的常数。
进一步地，测量不同温度对电容量的影响，比如25℃、35℃、45℃，在不同温度下测试的结果采用matelab软件进行拟合，得出影响电池容量的温度系数为：ηT＝aT3－bT2+cT+d，则电池容量的温度公式为：C(I,T)＝kηTI1-n，其中k 为温度和放电量相关系数，不同放电量和温度对应的k值不同，n为电池循环圈数。
进一步地，测量不同循环圈数对电池容量的影响，经过测试拟合发现，电池容量和循环圈数呈现线性相关，即通过C＝C0-μn公式计算循环圈数对应的衰减系数μ，n为对应的循环圈数，C0为电池的初始容量。根据上述获取的公式进一步推导获得电池实际容量和温度、放电倍率、循环圈数之间的关系：C(I,T,n) ＝kηTI1-n-μn。
值得一提的是，请参考图2，采用按时积分法对电池SOC进行预测，通过推导获得的电池实际容量，将电压(URC、U1和U2)、电流I、电池温度T以及电池循环圈数n作为状态参数输入到扩展卡尔曼算法中，输出预测的SOC，根据之前的状态参数预测下一状态参数和SOC，需要说明的是，扩展卡尔曼算法为现有技术，控制卡尔曼算法的状态参数输入可控制SOC的预测并输出，本发明对此不再赘述。
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明，本发明的目的已经完整并有效地实现，本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (6)

1.一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，通过建立被测电池二阶RCThevenin模型，并采用脉冲功率测试识别模型参数，其特征在于，包括如下步骤：
测量和计算被测电池循环圈数、运行温度和放电电流对电池容量衰减的影响，以计算实际电池容量；
根据建立的二阶RC Thevenin模型获取的参数，采用扩展卡尔曼算法调整参数并估算被测电池SOC。
2.根据权利要求1所述的一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，其特征在于，测量二阶RC Thevenin模型中每一RC环路电压U1和U2，获取首次放电下降段电池电压差△U，测量电池电压U，求出RC电路总电压：URC＝VSOC-△U-U，Vsoc为不同状态下的开路电压；根据公式URC＝U1(0)e-t/τ1-U2(0)e-t/τ2，利用最小二乘拟合法求出τ1、τ2，并根据公式URC＝IR1e-t/τ1+IR2e-t/τ2求静态URC。
3.根据权利要求2所述的一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，其特征在于，计算放电倍率对电池容量的影响，方法包括如下步骤：测量不同放电电流I1和I2以及对应放电电流的放电时间t1和t2，采用普克特方程表示电流随时间的变化：Int＝K，其中，n为与电线有关的参数，K为活性物质有关常数，根据普克特方程求出n以及K：n＝(lgt2-lgt1)/(lgI2-lgI1)，并获取电池容量随着电流大小的关系：C(I)＝It1-n。
4.根据权利要求3所述的一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，其特征在于，计算温度和电流对电池容量的影响，包括如下步骤：计算不同温度下电池放电容量，采用matelab对数据进行拟合，以获取影响电池容量的温度系数：ηT＝aT3－bT2+cT+d，建立温度、电流和电池容量方程：C(I,T)＝kηTI1-n，其中k为温度和电流相关系数，n为电池循环圈数。
5.根据权利要求4所述的一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，其特征在于，测量不同循环圈数和电池容量之间的关系，建立电池容量和循环圈数的衰减公式，根据上述脉冲功率测试得知电池容量相对于电池循环圈数线性衰减：μn，μ为衰减系数，n为循环圈数，则实际电池容量计算方程为：C(I,T,n)＝KηTI1-n-μn，采用按时积分计算电池实时SOC，并通过扩展卡尔曼滤波算法状态参数调整以修正SOC。
6.根据权利要求5所述的一种基于实时容量动态变化模型的SOC估算方法，其特征在于，将URC、U1、U2、电流I、电池温度T、循环圈数n作为状态参数输入所述扩展卡尔曼算法，用于修正电池SOC。
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