CN113900026A

CN113900026A - 一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法

Info

Publication number: CN113900026A
Application number: CN202111110663.5A
Authority: CN
Inventors: 孙烨; 王晶晶; 郭文萍; 龚毅; 李建国; 邓先宝; 樊理山
Original assignee: Yancheng Institute of Industry Technology
Current assignee: Yancheng Institute of Industry Technology; Yancheng Vocational Institute of Industry Technology
Priority date: 2021-09-23
Filing date: 2021-09-23
Publication date: 2022-01-07
Also published as: CN114740367A

Abstract

本发明公开了一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其中，割草机电池组由多个电池单体经串联而成，通过将电池单体状态估计器得到的各个电池单体的荷电状态和健康状态作为输入，利用故障电池判别器能及时找出故障电池单体，并能根据故障电池单体信息来准确校正电池组标称容量以及电池组模型参数，一方面通过反馈前电池组荷电状态叠加电池组荷电状态反馈值，产生电池组荷电状态预估值，另一方面，由电池组荷电状态预估值结合电池组模型参数输入到电池状态反馈器中获得电池组荷电状态反馈值，如此循环，直到电池组放电结束从而提高电池组SOC预估精度，进一步提高电池组管理能力与电池寿命。

Description

一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法

技术领域

本发明涉及割草机电池组管理技术领域，具体为一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法。

背景技术

相对于油动割草机，电动割草机因其噪声小、污染少、使用方便等优点，成为了环艺割草机今后发展的主要方向，并已广泛应用于城市、尤其是公共绿地和家庭绿地等场合。

电池组作为环艺电动割草机的主要动力来源，其是否能安全、可靠运行直接决定着割草机经济性和稳定性；准确获得电池组的当前荷电状态(state of charge,SOC)，即电池组实际电量的多少，不仅可提升电池组安全、可靠运行能力，而且可提高电池组寿命、降低电池组运行成本。然而，因受电池材料、制造水平、使用环境等影响，电池组一般由多个电池单体串联而成，且电池组中各个电池单体的SOC、健康状态(state of health，SOH)等并不一致，导致电池组中电池单体提前放电结束或老化而损坏，即成为故障电池，进而严重影响了电池组SOC的准确获取。

目前国内外关于电池SOC预估研究和专利集中在电池单体方面，而对于电池组SOC预估方法还不成熟；专利(ZL2015104171032)公开了一种基于参数校正器的串联型电池系统建模方法，该方法在建模过程中考虑了电池系统端电压测量值对电池系统SOC的反馈作用，但未考虑各电池单体不一致性对其影响，导致由电池系统模型得到的SOC精度有限；专利(CN108090319A)公开了一种串联型锂离子电池系统建模方法，该方法在建模过程中考虑了电池单体端电压不一致对电池系统SOC的影响，其SOC改进方法为：根据已知锂离子电池单体模型，利用串联电路工作特性及筛选法，建立电池系统基本模型；再检测各电池单体端电压，并将其与基本模型输出端电压的1/N作为各单体SOC校正器的输入；再由N个单体SOC校正器得到N个单体SOC补偿值，通过加权得到电池系统SOC补偿值，再与电池系统模型输出的SOC叠加，得到校正后的SOC，从而更新电池系统基本模型。该方法考虑了电池单体端电压不一致对电池系统SOC 的影响，在一定程度上提高了电池系统SOC估计精度，但仍存在以下问题：一是只考虑了电池单体端电压不一致性对电池系统SOC偏差的影响，并未考虑因电池单体端电压不一致对电池系统容量变化的影响，导致其SOC精度有限；二是未考虑电池系统模型输出电压(虚拟值)与测量的电池系统端电压(实际值) 构成的反馈控制作用；三是在计算SOC补偿值时，由N个单体SOC校正器得到N 个单体SOC补偿值，通过加权得到电池系统SOC补偿值，当电池系统中串联的电池个数很多时，增加了控制难度及系统不稳定性；专利(CN2019110348358) 公开了一种并联型电池系统建模方法，该方法在建模过程中考虑了电池系统各支路电流的不一致对电池系统容量变化的影响，同时考虑了虑电池系统模型输出电压(虚拟值)与测量的电池系统端电压(实际值)构成的SOC反馈控制作用，提高了电池系统SOC精度和模型精度，但仍存在以下问题：一是未考虑因单个或多个电池单体放电结束或老化而产生的故障，特别是其对电池组标称容量变化的影响及具体计算表达式；二是更未考虑因具体单个或多个电池单体放电结束或老化而产生的故障，特别是其对电池组模型参数变化的影响及具体计算表达式；三是未将电池单体SOC与SOH、电池组的电压和电流、割草机电机工作特性等共同构建电池故障判定条件，因此急需一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法来解决上述问题。

发明内容

本发明提供一种能及时找出故障电池单体，提高电池组SOC预估精度，进一步提高电池组管理能力与电池寿命的环艺割草机电池组荷电状态预估方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其中，割草机电池组由多个电池单体经串联而成，具体步骤如下：

S1、检测并获取割草机电池组中各电池单体的荷电状态和健康状态数据；

S2、基于荷电状态和健康状态数据，由故障电池判别器找出故障电池单体，并获取故障信息；

S3、基于故障信息和单体的标称容量，利用电池组容量校正器得到校正后的电池组标称容量；

S4、基于电池组标称容量和电池组的电流，利用电池组状态预估器，得到反馈前电池组荷电状态；根据电池状态反馈器得到的电池组荷电状态反馈值，利用电池组模型参数器得到电池组模型参数；

S5、由反馈前电池组荷电状态叠加电池组荷电状态反馈值，产生电池组荷电状态预估值，由电池组荷电状态预估值结合电池组模型参数作为输入，经电池状态反馈器获得电池组荷电状态反馈值，如此循环，直到电池组放电结束。

优选的，割草机电池组由n个电池单体经串联而成，其中，n为大于等于1 的自然数。

优选的，在步骤S1中，将电池组电流检测值I_b及各电池单体当前容量C₁～C_n作为输入，利用电池单体状态估计器，产生割草机电池组中各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态SOH₁～SOH_n。

优选的，在电池单体状态估计器中，第i个电池单体的荷电状态由

获得，电池单体的健康状态由

获得，其中 SOC_0i、C_0i和C_i分别为第i个电池单体荷电状态初始值、标称容量和当前容量， i为大于等于1且小于等于n的自然数。

优选的，在步骤S2中，将各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态 SOH₁～SOH_n，以及电池组电流检测值I_b、电池组电压检测值输入U_b输入至故障电池判别器内进行判别，具体包括：

(1)、判断电池组电流I_b是否小于0，若小于0，则电池组处于充电状态，发出割草机电机停机指令，若大于0，则电池组处于放电状态；

(2)、在电池组处于放电状态下，判断电池组电压U_b是否小于等于割草机电机最小工作电压阀值U_g，若U_b小于等于U_g，则表示割草机电池组放电结束或故障电池单体过多，发出割草机电机停机指令，若U_b大于U_g，则进行一下判断；

(3)、判断各电池单体荷电状态SOC_i是否小于等于0.2，若SOC_i小于等于 0.2，则该电池单体放电结束，输出故障信息i＝k，即第k个电池单体发生故障，其中k为大于等于1且小于等于n的自然数，若SOC_i大于0.2，则进行一下判断；

(4)、判断各电池单体健康状态SOH_i是否小于等于0.8，若SOH_i小于等于 0.8，则表示该电池单体已老化，输出故障信息i＝k，即第k个电池单体发生故障，否则输出割草机电机开机指令。

优选的，基于第k个故障电池单体的故障信息的电池组标称容量C_b计算公式为：

优选的，在步骤S4中，反馈前电池组荷电状态SOC_g计算公式为：

其中，SOC₀为电池组荷电状态初值。

优选的，在步骤S4中，在所述的电池组模型参数器中，电池组模型参数包括：

电池组内阻R_b(SOC)，

电池组开路电压 U_b(SOC)，

其中R_i(SOC)和U_i(SOC)分别为第i 个电池单体的内阻及开路电压，以及；

电阻R_bs(SOC)，

电阻R_bl(SOC)，

电容C_bs(SOC)，

电容C_bl(SOC)，

其中，R_si(SOC)、R_li(SOC)、C_si(SOC)和C_li(SOC)分别为描述第i个电池单体暂态响应特性的对用的电阻和电压。

优选的，电池状态反馈器包括电池组等效电路模型和比例-积分PI调节器，其中，通过电池组等效电路模型获得电池组电压预测值，将电池组电压检测值与电池组电压预测值作差，其差值作为比例-积分PI调节器输入，从而得到电池组荷电状态馈值。

优选的，所述的电池组等效电路模型为含2个RC电路的等效模型或1个RC 电路的等效模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过将电池单体状态估计器得到的各个电池单体的荷电状态和健康状态作为输入，利用故障电池判别器能及时找出故障电池单体，并能根据故障电池单体信息来准确校正电池组标称容量以及电池组模型参数，一方面通过反馈前电池组荷电状态叠加电池组荷电状态反馈值，产生电池组荷电状态预估值，另一方面，由电池组荷电状态预估值结合电池组模型参数输入到电池状态反馈器中获得电池组荷电状态反馈值，如此循环，直到电池组放电结束从而提高电池组SOC预估精度，进一步提高电池组管理能力与电池寿命。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明环艺割草机电池组荷电状态预估方法流程图；

图2是本发明故障电池判别器设计流程图；

图3是本发明可自动切除故障电池的故障开关组图；

图4是本发明含2个RC电路或1个RC电路的电池组等效电路模型图；

图5是本发明当第3个电池单体发生故障时故障开关组实现自动切除电池单体3的电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：如图1所示，一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其中，割草机电池组由n个电池单体经串联而成，n为大于等于1的自然数，具体步骤如下：

S1、检测并获取割草机电池组中各电池单体的荷电状态和健康状态数据，具体为，将电池组电流检测值I_b及各电池单体当前容量C₁～C_n作为输入，利用电池单体状态估计器，产生割草机电池组中各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态SOH₁～SOH_n，其中，在电池单体状态估计器中，第i个电池单体的荷电状态由

获得，电池单体的健康状态由

获得，其中SOC_0i、C_0i和C_i分别为第i个电池单体荷电状态初始值、标称容量和当前容量， i为大于等于1且小于等于n的自然数；

S2、基于荷电状态和健康状态数据，由故障电池判别器找出故障电池单体，并获取故障信息，其中，故障信息是指用二进编码或十进编码表示的、可明确具体哪个电池单体发生故障的信息，参考图2，故障电池判别器流程图，具体为：将各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态SOH₁～SOH_n，以及电池组电流检测值I_b、电池组电压检测值输入U_b输入至故障电池判别器内进行判别，具体包括：

(4)、判断各电池单体健康状态SOH_i是否小于等于0.8，若SOH_i小于等于 0.8，则表示该电池单体已老化，输出故障信息i＝k，即第k个电池单体发生故障，否则输出割草机电机开机指令；

其中，故障信息还可被用于控制故障开关组，以实现故障电池的自动切除及冗余控制，参考图3，为可自动切除故障电池单体的故障开关组；

S3、基于故障信息和单体的标称容量，利用电池组容量校正器得到校正后的电池组标称容量，其中，基于第k个故障电池单体的故障信息的电池组标称容量C_b计算公式为：

S4、基于电池组标称容量和电池组的电流，利用电池组状态预估器，得到反馈前电池组荷电状态，具体为：以电池组标称容量C_b、电池组电流I_b作为输入，经电池组状态预估器，得到反馈前电池组荷电状态SOC_g，反馈前电池组荷电状态SOC_g计算公式为：

其中，SOC₀为电池组荷电状态初值。

利用电池状态反馈器得到的电池组荷电状态反馈值，其中，电池状态反馈器包括电池组等效电路模型和比例-积分PI调节器，通过电池组等效电路模型获得电池组电压预测值，将电池组电压检测值与电池组电压预测值作差，其差值作为比例-积分PI调节器输入，从而得到电池组荷电状态馈值ΔSOC；

参考图4，电池组等效电路模型为含2个RC电路的等效模型或1个RC电路的等效模型；

利用电池组模型参数器得到电池组模型参数，在所述的电池组模型参数器中，电池组模型参数包括：电池组内阻R_b(SOC)，

电池组开路电压U_b(SOC)，

其中R_i(SOC)和 U_i(SOC)分别为第i个电池单体的内阻及开路电压，以及；电阻R_bs(SOC)，

电阻R_bl(SOC)，

电容C_bs(SOC)，

电容C_bl(SOC)，

其中，R_si(SOC)、R_li(SOC)、C_si(SOC)和 C_li(SOC)分别为描述第i个电池单体暂态响应特性的对用的电阻和电压；

在一具体实施例中，参考图5，其中，割草机电池组由8个电池单体经串联而成，利用上述步骤，找出第3个电池单体的SOC₃为0.6、SOH₃为0.7，表明其已老化，为故障电池单体，其他电池单体正常，并基于第3个故障电池单体的故障信息，准确校正电池组标称容量以及电池组模型参数，并进行循环，直到电池组放电结束，提高电池组SOC预估精度。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其中，割草机电池组由多个电池单体经串联而成，其特征在于，具体步骤如下：

S4、基于校正后的电池组标称容量和电池组电流，利用电池组状态预估器，得到反馈前电池组荷电状态；根据电池状态反馈器得到的电池组荷电状态反馈值；以故障信息和电池单体模型参数作为输入，利用电池组模型参数器得到电池组模型参数；

2.根据权利要求1所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：割草机电池组由n个电池单体经串联而成，其中，n为大于等于1的自然数。

3.根据权利要求2所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：在步骤S1中，将电池组电流检测值I_b及各电池单体当前容量C₁～C_n作为输入，利用电池单体状态估计器，产生割草机电池组中各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态SOH₁～SOH_n。

4.根据权利要求3所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：在电池单体状态估计器中，第i个电池单体的荷电状态由

获得，电池单体的健康状态由

获得，其中SOC_0i、C_0i和C_i分别为第i个电池单体荷电状态初始值、标称容量和当前容量，i为大于等于1且小于等于n的自然数。

5.根据权利要求3所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：在步骤S2中，将各电池单体的荷电状态SOC₁～SOC_n及健康状态SOH₁～SOH_n，以及电池组电流检测值I_b、电池组电压检测值输入U_b输入至故障电池判别器内进行判别，具体包括：

(3)、判断各电池单体荷电状态SOC_i是否小于等于0.2，若SOC_i小于等于0.2，则该电池单体放电结束，输出故障信息i＝k，即第k个电池单体发生故障，其中k为大于等于1且小于等于n的自然数，若SOC_i大于0.2，则进行一下判断；

(4)、判断各电池单体健康状态SOH_i是否小于等于0.8，若SOH_i小于等于0.8，则表示该电池单体已老化，输出故障信息i＝k，即第k个电池单体发生故障，否则输出割草机电机开机指令。

6.根据权利要求5所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：基于第k个故障电池单体的故障信息的电池组标称容量C_b计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：在步骤S4中，反馈前电池组荷电状态SOC_g计算公式为：

其中，SOC₀为电池组荷电状态初值。

8.根据权利要求1所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：在步骤S4中，在所述的电池组模型参数器中，电池组模型参数包括：

电池组内阻R_b(SOC)，

电池组开路电压U_b(SOC)，

其中R_i(SOC)和U_i(SOC)分别为第i个电池单体的内阻及开路电压，以及；

电阻R_bs(SOC)，

电阻R_bl(SOC)，

电容C_bs(SOC)，

电容C_bl(SOC)，

9.根据权利要求1所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：电池状态反馈器包括电池组等效电路模型和比例-积分PI调节器，其中，通过电池组等效电路模型获得电池组电压预测值，将电池组电压检测值与电池组电压预测值作差，其差值作为比例-积分PI调节器输入，从而得到电池组荷电状态馈值。

10.根据权利要求9所述的一种环艺割草机电池组荷电状态预估方法，其特征在于：所述的电池组等效电路模型为含2个RC电路的等效模型或1个RC电路的等效模型。