CN112415409B - 估算电池容量的方法和装置、存储介质及车辆 - Google Patents

估算电池容量的方法和装置、存储介质及车辆 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种估算电池容量的方法和装置、计算机可读存储介质和车辆，其中，估算电池容量的方法包括：实时检测电池温度；根据所述电池温度和温度‑容量方程计算电池的实时容量，其中，所述温度‑容量方程基于阿伦尼乌斯方程获得。本发明的估算电池容量的方法和装置，考虑温度对电池容量的影响，通过运用温度‑容量的计算公式，对电池容量进行在线估算，提高估算的准确率和实用性。

Description

估算电池容量的方法和装置、存储介质及车辆
技术领域
本发明涉及车辆技术领域，尤其是涉及一种估算电池容量的方法和装置、计算机可读存储介质以及车辆。
背景技术
随着锂离子电池技术的进步，电动汽车得到了快速的发展，而提高锂离子电池的各种的性能是关注的问题。
电池作为电动汽车的关键部件影响电动汽车的技术研发水平，在快速发展电动汽车的同时，电池的安全性、可靠性、耐久性是要重点考虑的。这就需要电池的管理系统能够准确、快速的计算电池能量状态(SOE，State of Energy)、荷电状态(SOC，State ofCharge)、健康状态(SOH，State of Health)、功率状态(SOP，State of Power)等，而电池容量是这些参数计算过程中的基本参数，如何在不同的使用环境下和条件下对电池可用容量进行准确估算是电动车辆发展过程中所面临的重要问题。在电动车辆充放电过程中，电池容量不准确，会严重影响状态参数估算，进而影响到车辆的安全稳定运行和客户的使用体验。电动车辆放电过程中电池容量估算不准会导致电池系统放电功率、车辆续航里程等参数的误差，易引发车辆抛锚、电池损坏等问题，因此，提高电池容量估算的准确性非常重要。
在相关技术中，通过电池充放电试验测量电池的容量值，适用于离线计算，无法在车辆上实际使用；而使用查表法对电池容量进行估算，基于实验数据，无法解决个别数据波动造成的数据处理和误差的问题，计算结果不稳定。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种估算电池容量的方法，该方法可以实现在线估算，以及估算结果更加稳定。
本发明的第二个目的在于提出一种计算机可读存储介质。
本发明的第三个目的在于提出一种电池容量的装置。
本发明的第四个目的在于提出一种车辆。
为了达到上述目的，本发明的第一方面实施例提出了一种估算电池容量的方法，该方法包括：实时检测电池温度；根据所述电池温度和温度-容量方程计算电池的实时容量，其中，所述温度-容量方程基于阿伦尼乌斯方程获得。
根据本发明实施例的估算电池容量的方法，基于阿伦尼乌斯方程确定的温度-容量方程，其中，阿伦尼乌斯方程经过大量的实践证明其实际应用的准确性，并且适用于本发明实施例的电池容量的估算，可以提高估算结果的准确性，并且，只需检测电池温度，将实时电池温度作为输入，根据温度-容量方程即可得到电池的实时容量，实现电池容量的在线评估，以及，数据处理简单，无需存储大量实验数据，占用硬件存储空间小，也不会因数据离散性造成估算结果的波动，从而可以提高电池可用容量估算的稳定性。
在一些实施例中，所述温度-容量方程表达为：
Q＝ae-b/T·Q0+c；
其中，Q为实时容量，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c为待辨识参数。
在一些实施例中，所述温度-容量方程表达为：
Figure BDA0002177797830000021
其中，Q为实时容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c为待辨识参数。
在一些实施例中，所述温度-容量方程表达为：
Figure BDA0002177797830000022
其中，Q为电池的容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c、d为待辨识参数。
在一些实施例中，所述温度-容量方程表法为：
Q＝[a+b·(T-T0)]·Q0；
其中，Q为电池的容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b为待辨识参数。
在一些实施例中，所述待辨识参数根据以下方式确定：
获得不同放电倍率、不同电池温度下的电池容量；测量所述电池温度与所述电池容量满足的关系；根据所述电池温度与所述电池容量满足的关系进行曲线拟合，以确定所述待辨识参数。
在一些实施例中，所述温度-容量方程表达为：
Q＝[1.007+0.0058·(T-T0)]·Q0；
其中，Q为容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度。
为了达到上述目的，本发明的第二方面实施例提出的一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述任一项所述的估算电池容量的方法。
为了达到上述目的，本发明的第三方面实施例提出的一种估算电池容量的装置，包括温度采集模块，用于采集电池实时温度；至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行上面实施例所述的估算电池容量的方法。
根据本发明实施例的估算电池容量的装置，通过处理器执行所述估算电池容量的方法，将实时的电池温度作为输入，通过温度-容量方程得到电池的实时容量，可以更加简单快速地在线估算电池容量，以及数据处理简单，无需存储大量数据，占用硬件存储空间小，不会因为存储数据的离散性造成估算结果波动，可以提高电池可用容量估算的稳定性。
为了达到上述目的，本发明的第四方面实施例提出的一种车辆，包括电池和所述的估算电池容量的装置。
根据本发明实施例的车辆，通过采用上面实施例的估算电池容量的装置，可以实现电池可用容量的在线监测，提高估算结果的稳定性，为基于电池容量的控制策略提供支持。
本发明的附加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
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的估算电池容量的方法的流程图；
图2是根据本发明的一个实施例的电池放电容量测试方法的流程图；
图3是根据本发明的一个实施例的某款电芯在不同温度、不同放电倍率下的可用容量的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的估算电池容量的装置的框图；
图5是根据本发明一个实施例的一种车辆的框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
对于电池来说，对于其电池容量的估算方式有多种。
例如，通过电池充放电实验测量电池的容量值，要在常温条件下将电池充满电，在一定的温度条件下以一定的倍率对充满电的电池恒流放电，至电池放电截止电压，以这段放电时间内的安时积分数值作为电池的可用容量。这种方法虽然能准确测量电池容量，但是，充放电周期较长且过程非常繁琐，检测成本较高，通常适用于离线计算，无法在车辆上实际应用。
再例如，采用查表法来估算电池容量，具体地，通过电池充放电实验测得电池的容量值，得到离线状态下不同温度、不同充放电倍率条件下的电池容量的实验数据，进而，在进行电池容量计算时，通过线性插值的方法得到容量目标值，对当前容量进行修正。
但是，实验得到的数据呈离散分布，估算容量的精度越高，需要的数据量越大，同时硬件的存储空间也限制了数据的存储量；并且，存储数据表内两个数据点之间的值需要采用线性插值，而超过表格内的值需要进行数据的外插，都存在非线性估计误差；在实验过程中存在实验误差，需要多次进行实验，但表中个别实验点的数据波动较大，可能存在偶然的情况，导致相对误差的增加，估算结果不稳定。
为了解决上述问题，下面参考图1描述根据本发明实施例的第一方面实施的估算电池容量的方法，如图1所示，本申请实施例的估算电池容量的方法至少包括步骤S1和步骤S2。
步骤S1，实时检测电池温度。
在电池充放电过程中，温度对电池容量影响巨大，例如：当电池温度降低时，一方面锂离子的扩散速率快速下降，使浓度差极化产生的压降升高，另一方面负极表面锂离子的析出使SEI(Solid Electrolyte Interphase；固体电解质界面膜)膜阻抗增大，电解液中离子传送能力下降，欧姆内阻和电化学极化内阻也会使压降升高。因此，在本发明实施例中，以电池温度作为估算电池容量的输入量，例如，可以通过温度传感器实时采集电池温度。
步骤S2，根据电池温度和温度-容量方程计算电池的实时容量，其中，温度-容量方程基于阿伦尼乌斯方程获得。
其中，阿伦尼乌斯方程表达为：
Figure BDA0002177797830000051
k为反应速率常数，A为阿伦尼乌斯常数，Ea为反应活化能，R为气体常数，T为绝对温度。阿伦尼乌斯方程作为电池在电化学反应过程中确定温度与化学反应速率之间关系的理论基础，考虑到电池的充放电过程即为化学反应过程，并且电池的容量变化率可以表示为反应速率，即可以认为k＝Q/Q0，其中，Q为实时容量，Q0为在标准温度下的容量，并且对于电池来说，温度对其电池容量的影响相较于其它因素例如充放电倍率的影响更大，以及，阿伦尼乌斯方程经过大量的实践证明其实际应用的准确性，并且适用于本发明实施例的电池容量的估算。所以，基于阿伦尼乌斯方程可以推导、衍生出温度-容量之间的关系公式，在本发明实施例中，称为温度-容量方程。
具体地，在进行电池容量估算时，实时采集电池的电池温度，将实时的电池温度作为输入，通过温度-容量即可计算电池的实时容量。
根据本发明实施例的估算电池容量的方法，基于阿伦尼乌斯方程确定的温度-容量方程，其中，阿伦尼乌斯方程经过大量的实践证明其实际应用的准确性，并且适用于本发明实施例的电池容量的估算，可以提高估算结果的准确性，并且，只需检测电池温度，根据温度-容量方程即可得到电池的实时容量，相较于实验法估算电池容量，可以实现电池容量的在线估算；以及，相较于查表法，数据处理简单，无需存储大量的实验数据，占用硬件存储空间小，也不存在因数据离散性插值计算造成的估算结果的波动，从而可以提高电池容量估算的稳定性。
在实施例中，根据阿伦尼乌斯方程可以衍生、推导出多种形式的温度-容量方程。
例如，将可以通过实验数据辨识的参数对应为温度-容量方程的参数，例如，阿伦尼乌斯常数A对应为温度-容量方程中的参数a、将反应活化能Ea/RT对应为温度-容量方程中的参数b，并考虑到k＝Q/Q0，则可以得到一种温度-容量方程，其表达式可以表示如下：
公式一：Q＝ae-b/T·Q0+c；
其中，Q为实时容量，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c为待辨识参数。其中，在本实施例中，T为卡尔文温度，为了表达的准确性，C为补偿参数。
在另一些实施例中，基于上面实施例的方式，可以将电池温度以摄氏度表示，以及通过指数补偿，从而可以得到温度-容量的另一种表达方式，其表达式如下：
公式二：
Figure BDA0002177797830000061
其中，Q为实时容量，T0为标准温度例如20℃、25℃，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度(摄氏度表示)，a、b、c为待辨识参数。
在另一些实施例中，基于上面的公式，在一定温度范围内测量得到电池容量，经过曲线拟合得到温度-容量的关系曲线，其中，曲线拟合是指选用适当地曲线类型来拟合得到的数据，并用拟合的曲线方程分析电池温度与电池容量的关系，可以衍生出另一种温度-容量方程的表达，其表达式如下：
公式三：
Figure BDA0002177797830000062
其中，Q为电池的容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c、d为待辨识参数。
进一步地，基于上面实施例的公式三，可以进行简化得到再一种的温度-容量表达方式，其表达式如下：
公式四：Q＝[a+b·(T-T0)]·Q0
其中，Q为电池的容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b为待辨识参数。
其中，上面实施例公式中的待辨识参数可以通过实验数据确定。具体地，获得不同放电倍率、不同电池温度下的电池容量；测量电池温度与电池容量满足的关系，根据电池温度与电池容量满足的关系进行曲线拟合，确定待辨识参数。
具体来说，通过进行不同温度、放电倍率下的电池放电试验，测量得到电池容量与温度之间的关系。以常温条件下的计算过程为例，比如：在常温条件下，先将电池以标准恒流-恒压充电(CC-CV)充电至SOC为100％，然后将电池稳定至目标温度，以标称倍率对电池恒流放电至放电截止电压(SOC为0％)，再以放电过程中累积安时容量作为电池在此温度和放电倍率条件下的放电容量。如图2所示为电池容量测试方法的流程图，详细步骤如下：
S21：将电池温度调整至目标温度，并稳定一段时间；
S22：以标称倍率恒流放电至放电截止电压，此时SOC为0％；
S23：将电池静置一段时间；
S24：以标称倍率恒流恒压(CC-CV)充电至SOC为100％；
S25：将电池静置一段时间；
S26：以目标倍率恒流放电至放电截止电压；
S27：以放电累积安时容量作为电池在此温度和倍率条件下的放电容量Qd。
通过上述的步骤S21至步骤S27的实验得到不同温度、放电倍率下的放电容量，如图3所示为通过试验过程测量得到的某款电芯在不同温度条件下电池以不同倍率恒流放电的最大可用容量。
由图3中可知，温度的变化对电池容量产生了巨大的影响，在相同放电倍率下随着温度的不断降低，电池容量也随之大幅降。而在相同温度下，倍率对电池容量产生的影响相对较低，而且呈非线性变化。因此，本发明实施例的方法，主要考虑温度与容量的关系，基于不同温度、不同放电倍率下的容量，再通过曲线拟合得到放电过程中温度与电池容量之间的关系，经过参数辨识可以得到上述公式中的待辨识参数。
例如，如图3所示，基于上面测量的不同温度和放电倍率下的放电容量，通过曲线拟合可以近似确定公式四的待辨识参数，进而获得近似于如下的温度-容量方程：
公式五：Q＝[1.007+0.0058(T-T0)]·Q0
其中，Q为容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度。
进而，将确定的温度-容量方程进行存储，在估算电池容量时，确定标准温度T0例如25℃下的放电容量为Q0，将温度传感器实时采集的电池温度T作为公式五的输入参数，通过公式五即可计算出当前温度下电池在放电过程中的实时容量，简单快捷，估算结果温度。
以上为本发明给出的由阿伦尼乌斯方程推导、衍生的温度-容量方程的示例，本发明实施例的温度-容量方程不限于上面的表达方式，还可以包括基于阿伦尼乌斯方程衍生的其它形式的温度-容量方程。
概括来说，本发明实施例的估算电池容量的方法，基于阿伦尼乌斯方程，得到温度-容量的计算公式，将电池温度作为输入条件实现在线估算电池容量，并且可以提高电池容量估算的准确性和实用性。
本发明第二方面实施例的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被执行上述的估算电池容量的方法，为上述实施例的实现提供支持。
下面参照附图描述根据本发明第三方面实施例的估算电池容量的装置。
图4是根据本发明一个实施例的估算电池容量的装置的框图，如图4所示，本发明实施例的估算电池容量的装置40包括温度采集模块410、处理器420、存储器430。其中，温度采集模块410，用于采集电池实时温度；至少一个处理器420；以及与至少一个处理器420通信连接的存储器430；其中，存储器430存储有可被至少一个处理器420执行的指令，指令被至少一个处理器420执行时，使至少一个处理器420执行上述的估算电池容量的方法，其中，估算电池容量的方法可以参照上面实施例的说明。
根据本发明实施例的估算电池容量的装置40，通过处理器420执行上面实施例的估算电池容量的方法，将实时电池温度作为输入，通过温度-容量方程即可得到电池的实时容量，可以实现在线实时估算，并且计算结果更加准确，占用硬件存储空间小，可以提高电池可用容量估算的稳定性。
下面参照附图描述根据本发明第四方面实施例的车辆。
图5是根据本发明第四方面实施例的一种车辆的框图50，如图5所示，本发明实施例的一种车辆50，包括电池510和上面实施例的估算电池容量的装置40，其中，估算电池容量的装置40的构成及其估算电池容量的过程可以参照上面实施例的说明。
根据本发明实施例的车辆50，通过采用上面实施例的估算电池容量的装置40，可以提高电池510的估算的准确性，实现电池510的可用容量在线实时估算，提高估算结果的稳定性。
需要说明的是，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申请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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的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物限定。

Claims (5)

1.一种估算电池容量的方法，其特征在于，包括：
实时检测电池温度；
根据所述电池温度和温度-容量方程计算电池的实时容量，其中，所述温度-容量方程基于阿伦尼乌斯方程获得；
其中，所述温度-容量方程表达为：
Q＝ae-b/T·Q0+c；
其中，Q为实时容量，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c为待辨识参数；
或者，所述温度-容量方程表达为：
Figure FDA0003342835350000011
其中，Q为实时容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c为待辨识参数；
或者，所述温度-容量方程表达为：
Figure FDA0003342835350000012
其中，Q为电池的容量，T0为标准温度，Q0为在标准温度下的容量，T为电池温度，a、b、c、d为待辨识参数。
2.根据权利要求1所述的估算电池容量的方法，其特征在于，所述待辨识参数根据以下方式确定：
获得不同放电倍率、不同电池温度下的电池容量；
测量所述电池温度与所述电池容量满足的关系；
根据所述电池温度与所述电池容量满足的关系进行曲线拟合，以确定所述待辨识参数。
3.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被执行时实现如权利要求1或2所述的估算电池容量的方法。
4.一种估算电池容量的装置，其特征在于，包括：
温度采集模块，用于采集电池实时温度；
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器执行权利要求1或2所述的估算电池容量的方法。
5.一种车辆，其特征在于，包括电池和如权利要求4所述的估算电池容量的装置。
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