CN112379282B - 提高基于安时积分法的动力电池soc估算精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法，在电流采样器件或处理电路存在故障时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；在负极继电器开路时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；在电流正负性方向有误时，对当前采样的电流正负性方向进行纠正；在外部充电或行车模式时的电流值超过理论极限值时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；将采样的电流值作为先验值，充放电过程中电压变化值与电池充放电直流内阻的比值得到的电流作为观测值，利用卡尔曼滤波得到电流逼真值参与安时积分运算，同时考虑估算周期以及SOC分辨率设置引发的估算误差，合适时机纠正SOC。本发明在不增加任何成本基础上能提高SOC估算精度。

Description

提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，更具体地，涉及一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法。

背景技术

随着环境污染的加重与石化能源危机的加深，节能、环保的新能源电动汽车得到了发展与普及。而作为电动汽车动力源的动力电池，需求与要求越来越大也越来越高。锂离子电池因具备能量密度高、功率大、电压平台高、自放电率低以及无记忆效应等优势，成为主流的车用动力电池。因为电动汽车的能量全部或大部分来自动力电池，所以动力电池性能状态直接影响到整车动力性经济性安全性。电池荷电状态(State of Charge，SOC)是动力电池的一个关键参数，它是电池剩余能量的衡量指标，是防止电池过充、过放以及整车能量控制的重要参考依据，因而SOC的估算显得非常重要。

目前动力电池SOC估算方法主要有放电法、开路电压法、电化学阻抗法、安时积分法、神经网络以及卡尔曼滤波法等，其中，安时积分法由于其原理简单而成为最常用的SOC估算方法。安时积分法的估算公式如下：

SOC₀为初始SOC，SOC为实时SOC，C为电池容量，I为电流、η为充放电效率。

当电池为充电状态时，I为负值，当电池为放电状态时I为正值。电池容量由厂家设计确定，同时跟电池温度与电池老化状态有关，因而公式中的：C＝C₀*ξ_T*ξ_A，C₀为电池额定容量，ξ_T为温度系数，ξ_A为老化系数。充放电效率可以通过做一系列的台架试验获取，电流通过电流采集电路或器件经电池管理系统的AD转换电路计算获得。

从安时积分法原理以及计算公式来看，基于安时积分的SOC估算精度高度依赖于电流精度。当电流出现偏差，SOC估算结果就会失真，同时随着运行时间的加长，失真度加剧，形成累计误差。现有技术完全信赖电流采样器件及电池管理系统AD转换电路，当电流采样器件或AD转化电路或安装位置、角度出现样品间差异时，或者电流采样器件出现“零漂”时，电流值就会有偏差，甚至出现正负性方向颠倒问题。现有技术无法识别电流值的真伪，也无法纠正标定电流值。

现有技术SOC估算周期为固定值，一般为10ms或100ms，即10ms或100ms计算更新一次SOC值。同时，为了提高BMS单片机运算速度及成本考虑，BMS软件一般将估算的SOC值分辨率设置为0.01％～1％范围区间。当运算周期内动力电池回路电流值较小、动力电池容量变化值与电池容量比值的余值不在SOC值分辨率设置区间时，这些值就会舍掉，久而久之就会出现SOC估算累计误差。现有技术未考虑估算周期以及SOC分辨率设置引发的估算误差问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法，可以解决电流采样及处理误差问题，包括电流采样器件的“零漂”、正负性方向颠倒以及数值偏差，和现有技术未考虑估算周期以及SOC分辨率设置引发的估算误差问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法，包括：

在BMS运行工作时实时监控电流采样器件及处理电路的故障状态，并在电流采样器件或处理电路存在故障时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

监控负极继电器的开路状态，并在负极继电器开路时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

监控电流正负性方向，并在电流正负性方向有误时，对当前采样的电流正负性方向进行纠正；

监控外部充电或行车模式时的电流值，在外部充电或行车模式时的电流值超过理论极限值时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；

将采样的电流值作为先验值，充放电过程中电压变化值与电池充放电直流内阻的比值得到的电流作为观测值，利用卡尔曼滤波原理不断迭代运算出电流逼真值参与安时积分运算，其中，估算周期内当前时刻的SOC等于上一时刻SOC值减去当前时刻的ΔSOC值，ΔSOC表示估算周期以及SOC分辨率设置引起的估算误差。

在一些可选的实施方案中，所述监控电流正负性方向，包括：

通过观察预设时间段内动力电池电压的升降情况，判定电流正负性方向的正确性，其中，动力电池充电时电压处于上升趋势，放电时电压则呈下降状态。

在一些可选的实施方案中，判断外部充电或行车模式时的电流值是否超过理论极限值的方式为：

在外部充电模式时电池充电电流理论极限值为OFC(或OBC)的输出电流(或输出功率/母线电压)*m，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算；

在行车回馈充电时电池充电电流理论极限值为GCU的输出电流(或扭矩*转速/(9550*母线电压))*n，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算；

在行车放电时电池放电电流理论极限值为MCU、DCDC、AC及PTC输出电流和(或总输出功率/母线电压)*q，大于该值则可判断该放电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算，其中，m,n,q为自然数。

在一些可选的实施方案中，ΔSOC的获取方式为：

由估算周期内得到的电流逼真值对估算周期进行积分，将积分值乘以充放电效率得到估算周期内的电池容量变化量ΔC；

对ΔC与a*C进行比较，如果ΔC小于a*C，则将该估算周期的ΔC/C值赋给估算周期电池容量的余量值ΔC_R，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一估算周期的ΔC，此时ΔSOC值为0，C为电池容量，a为SOC分辨率；

如果ΔC等于a*C则ΔC_R为0，ΔSOC值为a；

如果ΔC大于a*C，则将ΔC与C进行比值运算，ΔC_R＝ΔC/C-N*a，其中，N为整数，该估算周期ΔSOC＝N*a，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一周期的ΔC。

在一些可选的实施方案中，采样电流值的获取方式为：

在BMS唤醒工作后未收到整车控制器上电指令前，所有高压继电器都是切断状态，此时高压回路电流为0，此时BMS采集的电流非零值则为零漂，后续采样的电流值均需要减掉该零漂作为最终的采样电流值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明从安时积分原理出发，结合电池系统BMS应用场景，对采样电流进行精确标定，同时考虑估算周期以及SOC分辨率设置可能引起的ΔSOC估算误差。本发明在不增加任何成本基础上能提高SOC估算精度，提升用户体验，防止因SOC估算误差导致电池过充过放，增加了电池系统乃至整车安全性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电流采样及处理误差标定流程图；

图3是本发明实施例提供的一种考虑估算周期以及SOC分辨率设置的ΔSOC估算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

以下对本发明中的术语进行解释：

动力电池：能够提供动力源的二次蓄电池；

BMS：Battery Management System，电池管理系统；

SOC：State of Charge，电池荷电状态；

SOH：State of Health，电池健康状态；

OFC：Off-board Fast Charger，非车载快充充电机；

OBC：On-board Charger，车载充电机；

DCDC:Direct Current to Direct Current，高压(低压)直流电源变换为低压(高压)直流电源的转换器；

AC：Air Condition，空调压缩机；

PTC：Positive Temperature Coefficient，正温度系数热敏电阻；

GCU：Generator Controlled Unit，发电机控制单元；

MCU：Micro Controller Unit，微控制单元；

如图1所示是本发明实施例提供的一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法流程示意图，包括以下步骤：

S1：在BMS运行工作时实时监控电流采样器件及处理电路的故障状态，并在电流采样器件或处理电路存在故障时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

S2：监控负极继电器的开路状态，并在负极继电器开路时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

S3：监控电流正负性方向，并在电流正负性方向有误时，对当前采样的电流正负性方向进行纠正；

S4：监控外部充电或行车模式时的电流值，在外部充电或行车模式时的电流值超过理论极限值时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；

S5：将采样的电流值作为先验值，充放电过程中电压变化值与电池充放电直流内阻的比值得到的电流作为观测值，利用卡尔曼滤波原理不断迭代运算出电流逼真值参与安时积分运算，其中，估算周期内当前时刻的SOC等于上一时刻SOC值减去当前时刻的ΔSOC值，ΔSOC表示估算周期以及SOC分辨率设置引起的估算误差。

在本发明实施例中，在动力电池系统中，电流采样器件安装在高压回路上。BMS唤醒工作后未收到整车控制器上电指令前，所有高压继电器都是切断状态(继电器未粘连前提下)，这样高压回路电流应该为0，此时BMS采集的电流非零值则为“零漂”，后续电流值都减掉该“零漂”。在这个阶段，只需判断负极继电器状态即可，因为一般上电流程都是先进行负极继电器操作。

在安时积分法中，行业上定义电池充电时电流符号为负，放电时电流符号为正。根据电池的电压外特性，可以判断电流正负性方向。动力电池充电时电压处于上升趋势，放电时电压则呈下降状态。因而通过观察一段时间内动力电池电压的升降情况，可以判定电流正负性方向的正确性，同时进行纠正标定。

根据动力电池在整车上的使用环境，动力电池工作模式有外部充电、行车回馈充电、行车放电和静置。外部充电时与动力电池直接关联的用电设备有OFC(或OBC)、DCDC、AC、PTC，OFC(或OBC)为能量补给源，DCDC、AC、PTC为耗能源。因此，外部充电模式时电池充电电流极限值应为OFC(或OBC)的输出电流(或输出功率/母线电压)*1.1，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算。行车回馈充电时与动力电池直接关联的用电设备有GCU、DCDC、AC、PTC，GCU为能量补给源，DCDC、AC、PTC为耗能源。因此行车回馈充电时电池充电电流极限值应为GCU的输出电流(或扭矩*转速/(9550*母线电压))*1.1，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算。行车放电时与动力电池直接关联的用电设备有MCU、DCDC、AC、PTC，它们均为耗能源，因此，行车放电时电池放电电流极限值为它们(即MCU、DCDC、AC、PTC)输出电流和(或总输出功率/母线电压)*1.1，大于该值则可判断该放电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算。

在本发明实施例中，如图2所示，BMS运行工作时实时监控电流采样器件及处理电路的故障状态，这些故障会引起采样电流值偏差甚至严重失真，应将此时的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复。

根据电池外特性，电池充电或放电时电压会伴随上升或下降。同时，根据物理公式有：I＝ΔV/R，I为动力电池充电或放电电流值，ΔV为动力电池电压变化值，R为动力电池直流内阻，R分为充电直流内阻和放电直流内阻，对应在台架上充放电工况时得到的数据。

BMS采样的电流作为先验值，充放电过程中电压变化值与电池充放电直流内阻的比值得到的电流作为观测值，利用卡尔曼滤波原理不断迭代运算出电流逼真值。

其中，SOC估算周期越长，估算精度越差，用户体验就越差。估算周期越短，估算精度越高，但是也要结合电流采样周期。从现有电流采样传感水平以及估算精度要求，在本发明实施例中，SOC估算周期优选定为1ms。为了提高SOC分辨率同时兼顾单片机运算速度，SOC分辨率优选设置为0.01％。根据采集的电池温度、BMS估算的电池SOH状态以及电池的额定容量，即依据以下公式，得到任意时刻的电池容量。

C＝C₀*ξ_T*ξ_A

如图3所示，估算周期内的处理后电流对估算周期进行积分，将积分值乘以充放电效率得到任一估算周期内的电池容量变化量ΔC。对ΔC与(0.01％*C)进行比较，如果ΔC小于(0.01％*C)则将该周期的(ΔC/C)值赋给估算周期电池容量的余量值ΔC_R，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一周期的ΔC，ΔSOC值则为0；如果ΔC等于(0.01％*C)则ΔC_R为0，ΔSOC值为0.01％；如果ΔC大于(0.01％*C)，将ΔC与C进行比值运算，如下：

ΔC/C＝N*0.01％+ΔC_R

上式中N为最大整数(包括正、负整数)，该周期ΔSOC值为N*0.01％，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一周期的ΔC。估算周期内任意时刻的SOC就是等于上一时刻SOC值减去该时刻的ΔSOC值。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高基于安时积分法的动力电池SOC估算精度的方法，其特征在于，包括：

在BMS运行工作时实时监控电流采样器件及处理电路的故障状态，并在电流采样器件或处理电路存在故障时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

监控负极继电器的开路状态，并在负极继电器开路时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0，直至故障恢复；

监控电流正负性方向，并在电流正负性方向有误时，对当前采样的电流正负性方向进行纠正；

监控外部充电或行车模式时的电流值，在外部充电或行车模式时的电流值超过理论极限值时，将当前采样的电流值予以舍掉或置为0；

将采样的电流值作为先验值，充放电过程中电压变化值与电池充放电直流内阻的比值得到的电流作为观测值，利用卡尔曼滤波原理不断迭代运算出电流逼真值参与安时积分运算，其中，估算周期内当前时刻的SOC等于上一时刻SOC值减去当前时刻的ΔSOC值，ΔSOC表示估算周期以及SOC分辨率设置引起的估算误差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述监控电流正负性方向，包括：

通过观察预设时间段内动力电池电压的升降情况，判定电流正负性方向的正确性，其中，动力电池充电时电压处于上升趋势，放电时电压则呈下降状态。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，判断外部充电或行车模式时的电流值是否超过理论极限值的方式为：

在外部充电模式时电池充电电流理论极限值取OFC的输出电流*m、(OFC的输出功率/母线电压)*m、OBC的输出电流*m和(OBC的输出功率/母线电压)*m中的一种，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算；

在行车回馈充电时电池充电电流理论极限值为GCU的输出电流*n，或(GCU的输出扭矩*转速/(9550*母线电压))*n，大于该值则可判断该充电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算；

在行车放电时电池放电电流理论极限值为MCU、DCDC、AC及PTC输出电流和*q，或(MCU、DCDC、AC及PTC的总输出功率/母线电压)*q，大于该值则可判断该放电电流值为伪值，则将该值舍掉，不参与安时积分运算，其中，m,n,q为自然数；

其中，OFC为非车载快充充电机，AC为空调压缩机。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，ΔSOC的获取方式为：

由估算周期内得到的电流逼真值对估算周期进行积分，将积分值乘以充放电效率得到估算周期内的电池容量变化量ΔC；

对ΔC与a*C进行比较，如果ΔC小于a*C，则将该估算周期的ΔC/C值赋给估算周期电池容量的余量值ΔC_R，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一估算周期的ΔC，此时ΔSOC值为0，C为电池容量，a为SOC分辨率；

如果ΔC等于a*C则ΔC_R为0，ΔSOC值为a；

如果ΔC大于a*C，则将ΔC与C进行比值运算，ΔC_R＝ΔC/C-N*a，其中，N为整数，该估算周期ΔSOC＝N*a，同时将ΔC_R进行存储并累加到下一周期的ΔC。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采样电流值的获取方式为：

在BMS唤醒工作后未收到整车控制器上电指令前，所有高压继电器都是切断状态，此时高压回路电流为0，此时BMS采集的电流非零值则为零漂，后续采样的电流值均需要减掉该零漂作为最终的采样电流值。

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