CN115728643A - 电池soc校准方法、系统、存储介质及终端 - Google Patents

电池soc校准方法、系统、存储介质及终端 Download PDF

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CN115728643A
CN115728643A CN202211431599.5A CN202211431599A CN115728643A CN 115728643 A CN115728643 A CN 115728643A CN 202211431599 A CN202211431599 A CN 202211431599A CN 115728643 A CN115728643 A CN 115728643A
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周国鹏
宋佩
陈晓华
赵恩海
严晓
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Abstract

本发明提供一种电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端，所述方法包括以下步骤：获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量；构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线；获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线；将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点；根据
Figure DDA0003944378090000011
计算充电时刻n对应的校准SOC。本发明的种电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端基于电池的充电数据的拟合，实现对电池SOC的有效校准。

Description

电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端
技术领域
本发明涉及电池的剩余电量(State of Charge，SOC)的技术领域，特别是涉及一种电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端。
背景技术
随着新能源领域的飞速发展，锂电池以能量密度高、循环寿命长等特点，成为新能源汽车和储能电站的首选能量来源。
SOC是蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1。当SOC＝0时表示电池放电完全；当SOC＝1时表示电池完全充满。电池SOC决定了设备还剩下多少电量，是否足够继续正常工作以及是否需要充电。因此，准确估计电池的SOC具有重要意义。
现有技术中，通常采用安时积分法、卡尔曼滤波法等进行电池的SOC估算方法。然而，上述方法在预测SOC时均会存在一定误差，尤其在接近满充或者满放时，SOC误差会更大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端，基于电池的充电数据的拟合，实现对电池SOC的有效校准。
第一方面，本发明提供一种电池SOC校准方法，所述方法包括以下步骤：获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量；构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线；获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线；将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点；根据
Figure BDA0003944378070000011
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000012
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure BDA0003944378070000013
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
在第一方面的一种实现方式中，还包括根据
Figure BDA0003944378070000014
计算所述充电结束点对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000015
表示所述延长线上电压为电池最大电压值的点对应的累积充电容量，
Figure BDA0003944378070000016
表示所述拟合曲线上充电结束点对应的累积充电容量。
在第一方面的一种实现方式中，获取电池充电时的累积充电容量采用以下任一方式：
获取电池充电时的电流，基于安时积分法获取所述累积充电容量；
获取电池充电时的电流，基于卡尔曼滤波法获取所述累积充电容量；
采用仪器测量所述累积充电容量。
在第一方面的一种实现方式中，所述拟合曲线为Qj＝m1×Uj+m0，其中m1和m0均表示线性方程的系数，其中Uj表示j时刻的电压，Qj表示充电至j时刻的累积充电容量。
在第一方面的一种实现方式中，
Figure BDA0003944378070000021
设置为1。
在第一方面的一种实现方式中，还包括比对所述校准SOC和测量SOC，分析所述测量SOC的误差。
在第一方面的一种实现方式中，还包括当电池开始进行放电时，采用所述充电结束点对应的校准SOC作为放电初始的SOC。
第二方面，本发明提供一种电池SOC校准系统，包括获取模块、构建模块、拟合模块、延长模块和校准模块；
所述获取模块用于获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量；
所述构建模块用于构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线；
所述拟合模块用于获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线；
所述延长模块用于将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点；
所述校准模块用于根据
Figure BDA0003944378070000022
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000023
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure BDA0003944378070000024
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
第三方面，本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的电池SOC校准方法。
第四方面，本发明提供一种电池SOC校准终端，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电池SOC校准终端执行上述的电池SOC校准方法。
如上所述，本发明的电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端，具有以下有益效果：
(1)通过充电池电时电压与累积容量变化关系来实现电池SOC的校准，准确性高；
(2)无需额外的测试条件及设备，只依赖于电池的采样数据，大大增加了应用场景和范围，实用性强；
(3)可应用于电池的每次充电过程中，确保SOC在多次充放电循环中仍然准确，且不要求电池是从电量为0时开始充电，在电池电量为20％，30％都可以用于进行SOC校准；
(4)随着电池使用，电池出现老化内阻增大，导致电池电压会因内阻增大的升高；故老化后电池充满电后的最高电圧肯定大于规格书要求的最大单体电压Umax。本发明要求在电池电压为Umax时的电池SOC为100％，使得老化后电池电压超过Umax时便不应再充电，从而保护了电池。
附图说明
图1显示为本发明的电池SOC校准方法于一实施例中的流程图；
图2显示为电池充电时累积容量与电压于一实施例中的随时间变化示意图；
图3显示为电池充电时累积容量与电压于一实施例中的随时间变化拟合图；
图4显示为本发明的电池SOC校准方法得到的SOC校正值与SOC测量值于一实施例中的对比示意图；
图5显示为本发明的电池SOC校准系统于一实施例中的结构示意图；
图6显示为本发明的电池SOC校准终端于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
51 获取模块
52 构建模块
53 拟合模块
54 延长模块
55 校准模块
61 处理器
62 存储器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
在实际应用场景中，电池都是从某一较低的容量充电至满电或接近满电，本发明的电池SOC校准方法、系统、存储介质及终端基于电池的充电数据的拟合来实现SOC校准，从而大大扩展了应用场景及范围。需要说明的是，不采用电池的放电数据是因为在大部分真实场景下，为保证电池安全，电池使用时基本不会满放或者接近满放，导致拟合结果的误差偏大。
如图1所示，于一实施例中，本发明的电池SOC校准方法包括以下步骤：
步骤S1、获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量。
具体地，当电池处于充电状态时，每间隔预设时间间隔采集电池的电压、电流、SOC和温度等信息；同时获取电池从充电时刻起的累积充电容量。例如，第j次采样时对应的累计充电容量可表示为
Figure BDA0003944378070000041
其中Δtk为第k次与第k-1次采样的时间间隔，ik为第k次采样的电流，ik-1为第k-1次采样的电流，其中k≤j。
于本发明的一实施例中，获取电池充电时的累积充电容量采用以下任一方式：
11)获取电池充电时的电流，基于安时积分法获取所述累积充电容量。
12)获取电池充电时的电流，基于卡尔曼滤波法获取所述累积充电容量；
13)采用仪器测量所述累积充电容量。
步骤S2、构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线。
具体地，如图2所示，以累积充电容为横轴，电压为纵轴，基于获取的累积充电容量和电压构建二者的关联曲线，其中P2点表示充电结束点。
步骤S3、获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线。
具体地，从图2可知，电池接近满充时，电压在4.00V附近时关联曲线出现拐点P1。在所述关联曲线上，以所述拐点为起点，充电结束点为终点，进行线性拟合，得到拟合曲线Qj＝m1×Uj+m0，其中m1和m0均表示线性方程的系数，其中Uj表示j时刻的电压，Qj表示充电至j时刻的累积充电容量。优选地，拟合优度为0.9947。
步骤S4、将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点。
具体地，如图3所示，沿着横轴增大的方向延长所述拟合曲线，直至所述拟合曲线与电池规格书要求的单体电池最大电压所在直线相交于点P3。优选地，P3对应的SOC为100％，表示电池满电。
步骤S5、根据
Figure BDA0003944378070000051
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000052
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure BDA0003944378070000053
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
具体地，首先根据
Figure BDA0003944378070000054
计算所述充电结束点对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000055
表示所述延长线上电压为电池最大电压值的点对应的累积充电容量，
Figure BDA0003944378070000056
表示所述拟合曲线上充电结束点对应的累积充电容量。
接着，基于反向安时积分法计算从充电结束时刻起到充电时刻n之间的反向累积充电容量
Figure BDA0003944378070000057
需要说明的是，整个充电的采样过程中，以最后一次采样(即第end次采样)为反向安时积分计算的起点，计算实际第n次采样时对应的反向累积容量。其中，Δtk为反向第k次与第k-1次采样的时间间隔，ik为反向第k次采样的电流，
Figure BDA0003944378070000058
表示从充电结束点开始到第n次采样时反向安时积分计算的反向累积容量，其中end≥k≥n。
故在计算完成
Figure BDA0003944378070000059
后，充电时刻n对应的校准SOC为
Figure BDA00039443780700000510
于本发明一实施例中，本发明的电池SOC校准方法还包括比对所述校准SOC和测量SOC，分析所述测量SOC的误差，从而判断测量SOC是偏大还是偏小，为更准确地估算SOC提供方向。如图4所示，在充电的大部分阶段，测量SOC与校准SOC的差别不大，几乎重合。但是在电池接近满充时，测量SOC的误差逐渐增大，相较于校准SOC偏大约2.5％左右。若测量SOC不校准，则电池无法充满，导致电池能量无法充分利用，同时在放电时可能会出现过放。
当电池开始进行放电时，采用所述充电结束点对应的校准SOC作为放电初始的SOC，保证电池在放电期间的SOC更准确。在放电结束后的下一次充电时，依旧按照本发明的电池SOC校准方法，从而保证SOC随着电池充放电循环依然还有很高的准确性。
本发明实施例所述的电池SOC校准方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本发明的保护范围内。
本发明实施例还提供一种电池SOC校准系统，所述电池SOC校准系统可以实现本发明所述的电池SOC校准方法，但本发明所述的电池SOC校准系统的实现装置包括但不限于本实施例列举的电池SOC校准系统的结构，凡是根据本发明的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本发明的保护范围内。
如图5所示，于一实施例中，本发明的电池SOC校准系统包括获取模块51、构建模块52、拟合模块53、延长模块54和校准模块55。
所述获取模块51用于获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量。
具体地，当电池处于充电状态时，每间隔预设时间间隔采集电池的电压、电流、SOC和温度等信息；同时获取电池从充电时刻起的累积充电容量。例如，第j次采样时对应的累计充电容量可表示为
Figure BDA0003944378070000061
其中Δtk为第k次与第k-1次采样的时间间隔，ik为第k次采样的电流，ik-1为第k-1次采样的电流，其中k≤j。
于本发明的一实施例中，获取电池充电时的累积充电容量采用以下任一方式：
11)获取电池充电时的电流，基于安时积分法获取所述累积充电容量。
12)获取电池充电时的电流，基于卡尔曼滤波法获取所述累积充电容量；
13)采用仪器测量所述累积充电容量。
所述构建模块52与所述获取模块51相连，用于构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线。
具体地，如图2所示，以累积充电容为横轴，电压为纵轴，基于获取的累积充电容量和电压构建二者的关联曲线，其中P2点表示充电结束点。
所述拟合模块53与所述构建模块52相连，用于获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线。
具体地，从图2可知，电池接近满充时，电压在4.00V附近时关联曲线出现拐点P1。在所述关联曲线上，以所述拐点为起点，充电结束点为终点，进行线性拟合，得到拟合曲线Qj＝m1×Uj+m0，其中m1和m0均表示线性方程的系数，其中Uj表示j时刻的电压，表示Qj充电至j时刻的累积充电容量。优选地，拟合优度为0.9947。
所述延长模块54与所述拟合模块53相连，用于将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点。
具体地，如图3所示，沿着横增大的方向延长所述拟合曲线，直至所述拟合曲线与电池规格书要求的单体电池最大电压所在直线相交于点P3。优选地，P3对应的SOC为100％，表示电池满电。
所述校准模块55与所述延长模块54相连，用于
根据
Figure BDA0003944378070000071
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000072
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure BDA0003944378070000073
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
具体地，首先根据
Figure BDA0003944378070000074
计算所述充电结束点对应的校准SOC，其中
Figure BDA0003944378070000075
表示所述延长线上电压为电池最大电压值的点对应的累积充电容量，
Figure BDA0003944378070000076
表示所述拟合曲线上充电结束点对应的累积充电容量。
接着，基于反向安时积分法计算从充电结束时刻起到充电时刻n之间的反向累积充电容量
Figure BDA0003944378070000077
需要说明的是，整个充电的采样过程中，以最后一次采样(即第end次采样)为反向安时积分计算的起点，计算实际第n次采样时对应的反向累积容量。其中，Δtk为反向第k次与第k-1次采样的时间间隔，ik为反向第k次采样的电流，
Figure BDA0003944378070000078
表示从充电结束点开始到第n次采样时反向安时积分计算的反向累积容量，其中end≥k≥n。
故在计算完成
Figure BDA0003944378070000079
后，充电时刻n对应的校准SOC为
Figure BDA00039443780700000710
于本发明一实施例中，本发明的电池SOC校准系统还包括比对模块，用于比对所述校准SOC和测量SOC，分析所述测量SOC的误差，从而判断测量SOC是偏大还是偏小，为更准确地估算SOC提供方向。如图4所示，在充电的大部分阶段，测量SOC与校准SOC的差别不大，几乎重合。但是在电池接近满充时，测量SOC的误差逐渐增大，相较于校准SOC偏大约2.5％左右。若测量SOC不校准，则电池无法充满，导致电池能量无法充分利用，同时在放电时可能会出现过放。
当电池进行放电时，采用所述充电结束点对应的校准SOC作为放电初始的SOC，保证电池在放电期间的SOC更准确。在放电结束后的下一次充电时，依旧按照本发明的电池SOC校准方法，从而保证SOC随着电池充放电循环依然还有很高的准确性。
需要说明的是，应理解以上装置的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际实现时可以全部或部分集成到一个物理实体上，也可以物理上分开。且这些模块可以全部以软件通过处理元件调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，还可以部分模块通过处理元件调用软件的形式实现，部分模块通过硬件的形式实现。例如：x模块可以为单独设立的处理元件，也可以集成在上述装置的某一个芯片中实现。此外，x模块也可以以程序代码的形式存储于上述装置的存储器中，由上述装置的某一个处理元件调用并执行以上x模块的功能。其它模块的实现与之类似。这些模块全部或部分可以集成在一起，也可以独立实现。这里所述的处理元件可以是一种集成电路，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤或以上各个模块可以通过处理器元件中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。以上这些模块可以是被配置成实施以上方法的一个或多个集成电路，例如：一个或多个特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称ASIC)，一个或多个微处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)，一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)等。当以上某个模块通过处理元件调度程序代码的形式实现时，该处理元件可以是通用处理器，如中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)或其它可以调用程序代码的处理器。这些模块可以集成在一起，以片上系统(System-on-a-chip，简称SOC)的形式实现。
本发明的存储介质上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的电池SOC校准方法。优选地，所述存储介质包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
如图6所示，于一实施例中，本发明的电池SOC校准终端包括：处理器61和存储器62。
所述存储器62用于存储计算机程序。所述存储器62包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
所述处理器61与所述存储器62相连，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电池SOC校准终端执行上述的电池SOC校准方法。
优选地，所述处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种电池SOC校准方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量；
构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线；
获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线；
将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点；
根据
Figure FDA0003944378060000011
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure FDA0003944378060000012
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure FDA0003944378060000013
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
2.根据权利要求1所述的电池SOC校准方法，其特征在于：还包括根据
Figure FDA0003944378060000014
计算所述充电结束点对应的校准SOC，其中Qp3表示所述延长线上电压为电池最大电压值的点对应的累积充电容量，Qp2表示所述拟合曲线上充电结束点对应的累积充电容量。
3.根据权利要求1所述的电池SOC校准方法，其特征在于：获取电池充电时的累积充电容量采用以下任一方式：
获取电池充电时的电流，基于安时积分法获取所述累积充电容量；
获取电池充电时的电流，基于卡尔曼滤波法获取所述累积充电容量；
采用仪器测量所述累积充电容量。
4.根据权利要求1所述的电池SOC校准方法，其特征在于：所述拟合曲线为Qj＝m1×Uj+m0，其中m1和m0均表示线性方程的系数，其中Uj表示j时刻的电压，Qj表示充电至j时刻的累积充电容量。
5.根据权利要求1或2所述的电池SOC校准方法，其特征在于：SOCp3设置为1。
6.根据权利要求1所述的电池SOC校准方法，其特征在于：还包括比对所述校准SOC和测量SOC，分析所述测量SOC的误差。
7.根据权利要求1所述的电池SOC校准方法，其特征在于：还包括当电池开始进行放电时，采用所述充电结束点对应的校准SOC作为放电初始的SOC。
8.一种电池SOC校准系统，其特征在于：包括获取模块、构建模块、拟合模块、延长模块和校准模块；
所述获取模块用于获取预设时间间隔下的电池充电时的电压和累积充电容量；
所述构建模块用于构建所述累积充电容量和所述电压的关联曲线；
所述拟合模块用于获取电池接近满充时所述关联曲线的拐点，并基于所述关联曲线构建所述拐点至充电结束点之间的累积充电容量与电压的拟合曲线；
所述延长模块用于将所述拟合曲线延长以获取延长线，确定所述延长线上电压为电池最大电压值的点；
所述校准模块用于根据
Figure FDA0003944378060000021
计算充电时刻n对应的校准SOC，其中
Figure FDA0003944378060000022
表示所述充电结束点到充电时刻n之间的反向累积充电容量，Qcap表示电池的额定容量，
Figure FDA0003944378060000023
表示所述充电结束点对应的校准SOC。
9.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的电池SOC校准方法。
10.一种电池SOC校准终端，其特征在于，包括：处理器及存储器；
所述存储器用于存储计算机程序；
所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电池SOC校准终端执行权利要求1至7中任一项所述的电池SOC校准方法。
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