CN115792669A - 电池电量计量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池电量计量装置，包括：电压及温度测量电路，其被配置为对电池的电压和温度进行测量；以及电荷状态SOC估计运算单元，其被配置为对电池电量进行估计以生成估计的SOC值，并且包括：PID控制器，其被配置为从电压及温度测量电路接收电压信息，并且向OCV到SOC映射器提供经过纠正的电池电压；OCV到SOC映射器，其被根据纠正的电池电压，来将开路电压OCV映射为电池的估计的SOC值；以及参数映射器，其被配置为根据估计的SOC值，配置映射到PID控制器的函数。
Description
技术领域
本发明涉及电池电量测量领域，并且具体地，涉及用于一种基于电压测量的电池电量计量装置和方法。
背景技术
在现代的移动式电子设备中通常采用电池供电，准确的估计电池的剩余电量可以确保电子系统的稳定运行，提升用户的使用体验。
一般而言，可以通过电压法、电流法或者电压和电流相结合的方法来估计电池电量。在其中，电压法通过测量电池的端电压来估计电池电量；电流法(库仑计、安时法)通过测量系统的电流，将测量值经过积分以后获得电池的剩余电量；并且电压和电流组合的方法通过同时测量电池的电压和电流，综合二者的关系来估计电池的剩余电量。
当采用电压法来估计电池电量时，由于电池存在内阻，所以当系统工作、电池有电流流入流出的时候，电池的端电压随负载变化，使得准确不能反映电池电量。相反，如果要获得电池的开路电压(OCV)，则必须将电池静置数小时以上才能获得准确的结果，这造成了电压法的应用场景受限。
当采用电流法来估计电池电量时，由于任何的电流测量都有一定的测量误差和偏移，无论这种误差有多小，随着时间的积分都会累积，从而造成比较大的累积误差。所以电流式的电量计都需要定期对系统电量进行重新标定(例如，对电池充满电以后，将剩余电量标定成100％)，这样也造成了使用场景受限，累计误差无法控制(例如，如果在系统缺少电池充满或者放空的时刻，造成电池无法标定)。
当采用电压和电流组合的方法来估计电池电量时，由于通过将电压法和电流法结合来进行测量，因此造成了系统成本、功耗与复杂度的提升。另外，即使结合了电压法和电流法，也无法在系统中保证电池能够达到休息状态(电池静置数小时)从而得到准确的电量标定。
发明内容
本发明是一种电池电量计量装置和方法，可以以较低的成本和功耗来准确的估计电池的剩余电量的装置。
本发明的目的在于提出一种基于电压测量的电池电量估计装置和方法，根据本发明实施例的电池电量估计装置改进了传统电压法的估计速度问题，同时避免了传统电流法的累积误差问题，从而实现低成本、功耗的精确电池电量估计装置和方法。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，包括：电压及温度测量电路，其被配置为对电池的电压和温度进行测量；以及电荷状态SOC估计运算单元，其被配置为对电池电量进行估计以生成估计的SOC值，并且包括：PID控制器，其被配置为从电压及温度测量电路接收电压信息，并且向OCV到SOC映射器提供经过纠正的电池电压；OCV到SOC映射器，其被根据纠正的电池电压，来将开路电压OCV映射为电池的估计的SOC值；以及参数映射器，其被配置为根据估计的SOC值，配置映射到PID控制器的函数。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，PID控制器包括积分项系数参数、微分项系数参数以及比例项系数参数。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，OCV到SOC映射器被配置为参考OCV-SOC曲线来将OCV映射为估计的SOC值。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，OCV到SOC映射器被配置为通过查找表将OCV映射为估计的SOC值。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，映射到PID控制器的函数包括查找表。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，参数映射器被配置为当估计的SOC值处于第一阈值范围内时，为PID控制器配置第一函数。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，还包括充电/放电状态估计模块，其被配置为根据估计的SOC值来为参数映射器提供电池的充电/放电状态输入。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，参数映射器还被配置为根据电池温度的输入或者电池的充电/放电状态的输入来配置映射到PID控制器的函数。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，其中，通过对电池在不同的环境温度下进行充放电测试，并同时记录电池的信息，来生成参考OCV-SOC曲线。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，还包括理想SOC计算器，其被配置为通过对电池施加测试电流，来计算理想的SOC值。
本发明的一方面提供一种电池电量计量装置，还包括参数优化单元，其被配置为：当为PID控制器提供初始参数时，根据理想的SOC值与估计的SOC值之间的误差值，利用非线性估计算法来对参数映射器进行优化迭代，直至估计SOC的值与理想SOC的值的误差最小，并且当估计SOC的值与理想SOC的值的误差最小时，确定估计的SOC值到PID控制器的映射关系。
附图说明
图1是示出了根据本发明实施例的电池电量估计装置的示意图；
图2是示出了根据本发明实施例的电荷状态(SOC)估计运算单元的示意图；
图3是示出了根据本发明的一个实施例的电池电量估计装置的示意图；
图4示出了电池的充放电电流及电压曲线的示意图；以及
图5是示出了根据本发明实施例的电池电量估计装置的估计SOC和实际SOC的示意图。
具体实施方式
在进行下面的详细描述之前，阐述贯穿本专利文件使用的某些单词和短语的定义可能是有利的。术语“耦接”“连接”及其派生词指两个或多个元件之间的任何直接或间接通信或者连接，而无论那些元件是否彼此物理接触。术语“传输”、“接收”和“通信”及其派生词涵盖直接和间接通信。术语“包括”和“包含”及其派生词是指包括但不限于。术语“或”是包含性的，意思是和/或。短语“与……相关联”及其派生词是指包括、包括在……内、互连、包含、包含在……内、连接或与……连接、耦接或与……耦接、与……通信、配合、交织、并列、接近、绑定或与……绑定、具有、具有属性、具有关系或与……有关系等。术语“控制器”是指控制至少一个操作的任何设备、系统或其一部分。这种控制器可以用硬件、或者硬件和软件和/或固件的组合来实施。与任何特定控制器相关联的功能可以是集中式的或分布式的，无论是本地的还是远程的。短语“至少一个”，当与项目列表一起使用时，意指可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可能只需要列表中的一个项目。例如，“A、B、C中的至少一个”包括以下组合中的任意一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、A和B和C。
贯穿本专利文件提供了其他特定单词和短语的定义。本领域普通技术人员应该理解，在许多情况下，即使不是大多数情况下，这种定义也适用于这样定义的单词和短语的先前和将来使用。
在本专利文件中，模块的应用组合以及子模块的划分层级仅用于说明，在不脱离本公开的范围内，模块的应用组合以及子模块的划分层级可以具有不同的方式。
虽然在本申请的附图中示出了关于本发明实施例的示例，但是本领域技术人员应该理解，可以在不脱离本发明范围的情况下对附图中的模块和组件进行修改，例如，可以将附图中的单个组件划分为分离的多个组件，或者或者可以将附图中的多个组件组合为单个组件。此外，在不脱离本发明范围的情况下，将不同实施例中的组件进行组合也是可能的。
图1是示出了根据本发明实施例的电池电量估计装置的示意图。
参考图1，根据本发明实施例的电池电量估计装置包括：电压及温度测量电路以及电荷状态(SOC)估计运算单元。在其中，电压及温度测量电路用于对电池的电压以及温度进行测量；并且电荷状态(SOC)估计运算单元用于对电池电量进行估计，以生成估计的SOC值。
图2是示出了根据本发明实施例的电荷状态(SOC)估计运算单元的示意图。
参考图2，SOC估计运算单元包括：PID控制器、OCV到SOC映射器、以及参数映射器。在其中，PID控制器被配置为控制系统中的比例积分微分控制器，并且连接在电压及温度测量电路和OCV到SOC映射器之间，以向OCV到SOC映射器提供经过纠正的电池的开路电压OCV值。根据本发明的实施例，PID控制器也可以被配置为比例积分PI控制器、比例微分PD控制器、积分微分ID控制器等不同结构的组合。PID控制器的参数包括：积分项系数、微分项系数以及比例项系数。
根据本发明的实施例，PID控制器包括：比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)。其输出u(t)和输入v(t)可以通过如下的公式1来表示：
其中KP，KI，KD分别为比例项、积分项和微分项的系数，其通过参数映射器配置，以根据配置的参数映射函数，来从SOC值配置系数KP，KI和KD。
根据本发明实施例，当在离散时间域来实现PID控制器时，其输出u(t)和输入v(t)可以通过如下的公式2来表示：
其中，ΔT为采用(采样)间隔。
OCV到SOC映射器被配置为根据测量的电池电压，参考OCV-SOC曲线来将OCV映射为SOC。根据本发明实施例，OCV到SOC映射器也可以被配置为通过查找表将OCV映射到SOC，以生成估计的SOC的值。
参数映射器被配置为根据估计SOC的值，配置映射到PID控制器的函数(或者查找表)。例如，根据本发明实施例，可以当估计SOC的值处于第一阈值范围内时，为PID控制器配置第一函数(或者第一查找表)。
根据本发明的实施例，SOC估计运算单元还可以包括充电/放电状态估计模块，其被配置为根据估计的SOC值来为参数映射器提供电池的充电/放电状态输入。参数映射器被配置为还可以根据电池温度的输入或者电池的充电/放电状态的输入来配置映射到PID控制器的函数(或者查找表)。例如，根据本发明实施例，可以当电池温度处于第一温度阈值范围内时，为PID控制器配置第二函数(或者第二查找表)；或者当电池处于充电状态时，为PID控制器配置第三函数(或者第三查找表)；以及当电池处于放电状态时，为PID控制器配置第四函数(或者第四查找表)。
图3是示出了根据本发明的一个实施例的电池电量估计装置的示意图。
参考图3，根据本发明实施例的电池电量估计装置包括：电压及温度测量电路以及SOC估计运算单元，其中，SOC估计运算单元包括PID控制器、OCV到SOC映射器、以及参数映射器。
根据本发明实施例，通过对电池在不同的环境温度下进行充放电测试，并同时用仪器记录电池的电压、电流、温度等信息，可以从测量可以得出OCV到SOC的映射曲线(或者相应的OCV到SOC的映射曲线查找表)。
根据本发明实施例，通过对电池施加测试电流，可以通过理想SOC计算器来计算理想的SOC值，例如，理想的SOC的时间序列值。
通过为PID控制器提供一组初始参数，例如，当输入为电池电压的时间序列时，SOC估计运算单元会输出一组估计SOC的时间序列值。
根据理想SOC与估计SOC的误差值，通过参数优化单元，根据理想的SOC值与估计的SOC值之间的误差值，利用非线性估计算法来对PID控制器的参数映射器进行优化迭代，直至估计SOC与理想SOC的时间序列的误差最小。当估计SOC的值与理想SOC的值的误差最小时，确定估计的SOC值到PID控制器的映射关系。
此时得到的估计的SOC值到PID控制器的映射关系(函数)可以用于配置系统中实际使用的参数，对给定实际的电池电压输入，系统可以得到SOC的估计值。
图4示出了电池的充放电电流及电压曲线的示意图。
参考图4，当电池充电时，电流为正值，当电池放电时，电流值为负值。
图5是示出了根据本发明实施例的电池电量估计装置的估计SOC和实际SOC的示意图。
参考图5，根据本发明实施例的电池电量估计装置估计得到的估计剩余电量值(SOC)与理想SOC之间的估计误差处于很小范围内。
尽管已经用示例性实施例描述了本公开，但是可以向本领域技术人员建议各种改变和修改。本公开旨在涵盖落入所附权利要求范围内的这种改变和修改。
本发明中的任何描述都不应被理解为暗示任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围内的必要元件。专利主题的范围仅由权利要求限定。
Claims (11)
1.一种电池电量计量装置，包括：
电压及温度测量电路，其被配置为对电池的电压和温度进行测量；以及
电荷状态SOC估计运算单元，其被配置为对电池电量进行估计以生成估计的SOC值，并且包括：
PID控制器，其被配置为从电压及温度测量电路接收电压信息，并且向OCV到SOC映射器提供经过纠正的电池电压；
OCV到SOC映射器，其被根据纠正的电池电压，来将开路电压OCV映射为电池的估计的SOC值；以及
参数映射器，其被配置为根据估计的SOC值，配置映射到PID控制器的函数。
2.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，其中，PID控制器包括积分项系数参数、微分项系数参数以及比例项系数参数。
3.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，其中，OCV到SOC映射器被配置为参考OCV-SOC曲线来将OCV映射为估计的SOC值。
4.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，其中，OCV到SOC映射器被配置为通过查找表将OCV映射为估计的SOC值。
5.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，其中，映射到PID控制器的函数包括查找表。
6.根据权利要求5所述的电池电量计量装置，其中，参数映射器被配置为当估计的SOC值处于第一阈值范围内时，为PID控制器配置第一函数。
7.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，还包括充电/放电状态估计模块，其被配置为根据估计的SOC值来为参数映射器提供电池的充电/放电状态输入。
8.根据权利要求7所述的电池电量计量装置，其中，参数映射器还被配置为根据电池温度的输入或者电池的充电/放电状态的输入来配置映射到PID控制器的函数。
9.根据权利要求3所述的电池电量计量装置，其中，通过对电池在不同的环境温度下进行充放电测试，并同时记录电池的信息，来生成参考OCV-SOC曲线。
10.根据权利要求1所述的电池电量计量装置，还包括理想SOC计算器，其被配置为通过对电池施加测试电流，来计算理想的SOC值。
11.根据权利要求10所述的电池电量计量装置，还包括参数优化单元，其被配置为：当为PID控制器提供初始参数时，根据理想的SOC值与估计的SOC值之间的误差值，利用非线性估计算法来对参数映射器进行优化迭代，直至估计SOC的值与理想SOC的值的误差最小，并且当估计SOC的值与理想SOC的值的误差最小时，确定估计的SOC值到PID控制器的映射关系。
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Cited By (1)
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| CN116430255A (zh) * | 2023-03-27 | 2023-07-14 | 广州通则康威智能科技有限公司 | 一种电池电量自适应显示方法、装置、存储介质以及系统 |
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| CN116430255A (zh) * | 2023-03-27 | 2023-07-14 | 广州通则康威智能科技有限公司 | 一种电池电量自适应显示方法、装置、存储介质以及系统 |
| CN116430255B (zh) * | 2023-03-27 | 2024-02-09 | 广州通则康威科技股份有限公司 | 一种电池电量自适应显示方法、装置、存储介质以及系统 |
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