CN116087817A - 一种船舶电池的荷电状态评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池组维护技术领域，具体涉及一种船舶电池的荷电状态评估方法及系统，包括：步骤S1：获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；步骤S2：根据荷电状态估测值匹配预先划分的多个电池组状态区间，各区间所对应的荷电状态值依次递增；步骤S3：根据电池组状态区间和运行状态调用对应的修正方法生成对应于待评估电池组的荷电状态评估结果。有益效果在于：针对现有技术中对电池荷电状态计算可能存在偏差的问题，本方案通过在对待评估电池组进行荷电状态评估之前，预先对待评估电池组提取荷电状态估测值并匹配电池组状态区间，结合运行状态来调用相应的修正方法得到较为准确的荷电状态评估结果，以此来实现较为准确的估测效果。
Description
技术领域
本发明涉及电池组维护技术领域，具体涉及一种船舶电池的荷电状态评估方法及系统。
背景技术
近几年，随着电力电子传动技术以及电池储能技术的不断发展，新能源电动汽车技术得到大力发展，成为运输领域不可或缺的重要部分。以储能电池为电能存储载体，以电动机为动力单元的新能源电动船舶也逐渐替代传统船舶，成为水上运输的一种新兴发展趋势。电动船舶以电机及电池组替代了传统船舶的内燃机，不仅极大程度上解决了水上运输的环保问题，同时能够提升能量的利用效率，具有较大的发展潜力。
现有技术中，为实现对船舶动力电池组较好的控制效果，通常需要获取电池组的荷电状态值（State of charge，SOC）。常见的荷电状态值生成方法包括安时积分法、内阻计算法、放电试验法等。
但是，在实际实施过程中，发明人发现，在船舶工作时，电池的电量和工况经常会发生改变，这导致了部分计算方法因测量条件苛刻、耗时较长等原因使得实际测量效果不佳的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种船舶电池的荷电状态评估方法；另一方面，还提供应用该方法的船舶电池荷电状态评估系统。
具体技术方案如下：一种船舶电池的荷电状态评估方法，包括：步骤S1：获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；步骤S2：根据所述荷电状态估测值匹配电池组状态区间；所述电池组状态区间包括根据荷电状态值划分的第一区间、第二区间和第三区间，所述第一区间、所述第二区间和所述第三区间所对应的所述荷电状态值依次递增；步骤S3：根据所述电池组状态区间和所述运行状态调用对应的修正方法生成对应于所述待评估电池组的荷电状态评估结果。
另一方面，当所述电池组状态区间位于第一区间或第三区间，且所述运行状态为待机状态时，所述步骤S4中，采用第一修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第一修正方法包括：步骤A1：获取所述待评估电池组的电池组电压；步骤A2：根据所述电池组电压和电池特性曲线查找得到所述荷电状态评估结果。
另一方面，当所述电池组状态区间位于第一区间或第三区间，且所述运行状态为充放电状态时，所述步骤S4中，采用第二修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第二修正方法包括：步骤B1：获取所述待评估电池组的平均电压，根据所述平均电压和预先生成的荷电状态参数生成电压修正值；步骤B2：采用所述待评估电池组的安时积分荷电状态值和所述电压修正值生成所述荷电状态评估结果。
另一方面，所述步骤B1中，所述第一修正值的生成方法包括：
式中：
为所述电压修正值，
为所述平均电压与所述荷电状态参数的正比例关系，
为所述平均电压。
另一方面，所述步骤B2中，所述荷电状态评估结果的生成方法包括：
式中：
为所述荷电状态评估结果，
为所述安时积分荷电状态值，
为所述安时积分荷电状态值的第一权重，
为所述电压修正值，
为所述电压修正值的第二权重。
另一方面，当所述电池组状态区间位于第二区间时，采用第三修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第三修正方法包括：
式中：
为所述荷电状态评估结果，
为安时积分荷电状态值；
为输入变量，i=1,2,3；其中，
为电池温度值；
为电池电压值；
为电池可用有效容量；
为第i个输入变量对应的权重因数。
一种船舶电池的荷电状态评估系统，用于实施上述的荷电状态评估方法，包括：信息采集模块，所述信息采集模块获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；区间匹配模块，所述区间匹配模块连接所述信息采集模块，所述区间匹配模块根据所述荷电状态估测值匹配电池组状态区间；调用模块，所述调用模块分别连接所述信息采集模块和所述区间匹配模块，所述调用模块根据所述电池组状态区间和所述运行状态调用对应的修正方法生成对应于所述待评估电池组的荷电状态评估结果。
另一方面，还包括第一修正模块，所述第一修正模块包括：电压获取模块，所述电压获取模块获取所述待评估电池组的电池组电压；查找模块，所述查找模块连接所述电压获取模块，所述查找模块根据所述电池组电压和电池特性曲线查找得到所述荷电状态评估结果。
另一方面，还包括第二修正模块，所述第二修正模块包括：电压修正模块，所述电压修正模块获取所述待评估电池组的平均电压，根据所述平均电压和荷电状态参数生成电压修正值；第一生成模块，所述第一生成模块连接所述电压修正模块，所述第一生成模块采用所述待评估电池组的安时积分荷电状态值和所述电压修正值生成所述荷电状态评估结果。
另一方面，还包括第三修正模块，所述第三修正模块包括：参数采集模块，所述参数采集模块分别获取所述待评估电池组的电池温度值、电池电压值、电池可用有效容量和安时积分荷电状态值；第二生成模块，所述第二生成模块根据所述电池温度值、所述电池电压值、所述电池可用有效容量和所述安时积分荷电状态值生成所述荷电状态评估结果。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：针对现有技术中对电池荷电状态计算可能存在偏差的问题，本方案通过在对待评估电池组进行荷电状态评估之前，预先对待评估电池组提取荷电状态估测值并匹配电池组状态区间，结合运行状态来调用相应的修正方法得到较为准确的荷电状态评估结果，以此来实现较为准确的估测效果。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明实施例中荷电状态评估方法示意图；
图2为本发明实施例中第一修正方法示意图；
图3为本发明实施例中第二修正方法示意图；
图4为本发明实施例中荷电状态评估系统示意图；
图5为本发明实施例中第一修正模块示意图；
图6为本发明实施例中第二修正模块示意图；
图7为本发明实施例中第三修正模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括：一种船舶电池的荷电状态评估方法，如图1所示，包括：步骤S1：获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；步骤S2：根据荷电状态估测值匹配电池组状态区间；电池组状态区间包括根据荷电状态值划分的第一区间、第二区间和第三区间，第一区间、第二区间和第三区间所对应的荷电状态值依次递增；步骤S3：根据电池组状态区间和运行状态调用对应的修正方法生成对应于待评估电池组的荷电状态评估结果。
具体地，针对现有技术中的荷电状态测量方法效果不佳的问题，本实施例中，在待评估电池组工作的过程中，预先采集待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态，并采用荷电状态估测值匹配待评估电组当前的电池组状态区间，随后结合待评估电池组当前的运行状态来调用对应的修正方法生成荷电状态评估结果，以此来实现对各类工况下的船舶动力电池较好的适应性，提高了测量的准确性。
在实施过程中，上述荷电状态评估方法作为软件实施例设置在相应的计算机设备中，用于通过软件接口采集相关数据并输出荷电状态评估结果，从而辅助相关的电池管理系统对船舶电池组进行控制。荷电状态估测值为基于预先采集到的电池信息，包括剩余可用容量和初始标定的额定容量，进而通过上述步骤计算得到的荷电状态估测值。电池组状态区间为对应于电池组的不同荷电状态设置的连续区间。在一个实施例中，电池组状态区间的数量为三个，分别为SOC<10%的第一区间，10%≤SOC≤90%的第二区间和SOC≥90%的第三区间。运行状态指当前的待评估电池组的工作状态，比如充电、放电和待机。
在一个实施例中，当电池组状态区间位于第一区间或第三区间，且运行状态为待机状态时，步骤S4中，采用第一修正方法生成荷电状态评估结果；图2所示，第一修正方法包括：步骤A1：获取待评估电池组的电池组电压；步骤A2：根据电池组电压和电池特性曲线查找得到荷电状态评估结果。
具体地，为实现较快的评估效率，本实施例中，在对电池组的状态进行评估之前，预先通过实验测得了电池组在荷电状态位于第一区间或第三区间时，空载电压与实际荷电状态之间的对照关系，从而建立了电压和电池特性曲线。随后，在实际测量的过程中，当判定电池组状态区间位于较低的第一区间或较高的第三区间，且电池组处于待机状态时，可以通过在曲线上查找对应点位的方式来快速获取到荷电状态评估结果。
在一个实施例中，当电池组状态区间位于第一区间或第三区间，且运行状态为充放电状态时，步骤S4中，采用第二修正方法生成荷电状态评估结果；
如图3所示，第二修正方法包括：步骤B1：获取待评估电池组的平均电压，根据平均电压和荷电状态估测值生成电压修正值；步骤B2：采用待评估电池组的安时积分荷电状态值和电压修正值生成荷电状态评估结果。
在该实施例中，步骤B1中，第一修正值的生成方法包括：
式中：
为电压修正值，
为平均电压与荷电状态参数的正比例关系，
为平均电压。
在该实施例中，步骤B2中，荷电状态评估结果的生成方法包括：
式中：
为荷电状态评估结果，
为安时积分荷电状态值，
为安时积分荷电状态值的第一权重，
为电压修正值，
为电压修正值的第二权重。
具体地，针对现有技术中的电池荷电状态估计方法在实际应用过程中效果不佳的问题，本实施例中通过在对待评估电池组的荷电状态进行计算时，基于待评估电池组中多个电池单体的平均电压结合荷电状态参数进行初步计算，从而得到电压修正值。其中，荷电状态参数为在构建电池组电压和电池特性曲线过程中计算得到的该待评估电池组的电压与荷电状态的对应关系。随后，在电压修正值的基础之上，进一步地结合安时积分法计算得到的安时积分荷电状态值来进行加权计算得到较为准确的荷电状态评估结果，实现了较好的测量效果。
在实施过程中，由于电池组在运行于接近充满的第一区间与接近放空的第三区间时，电池组系统滑出平台区，其荷电状态值与电池组电压存在一种较强的关联性。经过历史数据积累，可分别获得待评估电池组在第一区间与第三区间时荷电状态与电池组电压的关联，并采用上述公式计算得到电压修正值。随后，在基于安时积分法求得了安时积分荷电状态值后，采用电压修正值通过加权计算的方式对安时积分荷电状态值进行进一步的修正，以此来实现较为准确的测量效果。由于在第一区间与第三区间中，其电压影响因素对估算结果影响较为关键，故
=0.85~0.9，
=0.15~0.1。根据实施例的不同，第一权重和第二权重的取值可进行修正。
在一个实施例中，当电池组状态区间位于第二区间时，采用第三修正方法生成荷电状态评估结果；第三修正方法包括：
式中：
为荷电状态评估结果，
为安时积分荷电状态值；
为输入变量，i=1,2,3；其中，
为电池温度值；
为电池电压值；
为电池可用有效容量；
为第i个输入变量对应的权重因数。
具体地，针对现有技术中对电池的荷电状态测量效果不佳的问题，本实施例中，当判定了电池组状态区间为第二区间时，即，电池组介于充满状态和放空状态之间时，采用神经元算法来实现较好的估计效果。在该过程中，通过采集电池温度值、电池电压值和电池可用有效容量这三个输入变量，并配置相应的权重因数，随后输入估算函数中对安时积分荷电状态值进行修正，以此来实现较快的测量速度。
在实施过程中，为实现较好的估计效果，激励函数为变系数正比例激励，在储能电池充电过程中，其电压上升较为明显，故激励函数的正比例系数设置为0.9~0.95区间内，可基于不同类型电池特性进行调整；在储能电池充电过程中，其电压下降较为明显，故激励函数的正比例系数设置为1.05~1.1区间内。对比传统的基于神经网络的学习方法，基于神经元算法的动态SOC估算方法省去了较为长时间的学习过程，且在若干个充放电周期后，对系统SOC进行重新矫正，同步修正神经元算法中激励函数的正比例系数，确保SOC估算的正确性。
一种船舶电池的荷电状态评估系统，用于实施上述的荷电状态评估方法，如图4所示，包括：信息采集模块1，信息采集模块1获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；区间匹配模块2，区间匹配模块2连接信息采集模块1，区间匹配模块2根据荷电状态估测值匹配电池组状态区间；调用模块3，调用模块3分别连接信息采集模块1和区间匹配模块2，调用模块3根据电池组状态区间和运行状态调用对应的修正方法生成对应于待评估电池组的荷电状态评估结果。
具体地，针对现有技术中的荷电状态测量方法效果不佳的问题，本实施例中，在待评估电池组工作的过程中，通过信息采集模块1预先采集待评估电池组的荷电状态估测值，并由区间匹配模块2根据荷电状态估测值匹配待评估电组当前的电池组状态区间，随后，调用模块3根据待评估电池组当前的运行状态和电池组状态区间来调用对应的修正方法生成荷电状态评估结果，以此来实现对各类工况下的船舶动力电池较好的适应性，提高了测量的准确性。
在一个实施例中，还包括第一修正模块41，如图5所示，第一修正模块41包括：电压获取模块411，电压获取模块411获取待评估电池组的电池组电压；查找模块412，查找模块412连接电压获取模块411，查找模块412根据电池组电压和电池特性曲线查找得到荷电状态评估结果。
具体地，为实现较快的评估效率，本实施例中，在对电池组的状态进行评估之前，预先通过实验测得了电池组在荷电状态位于第一区间或第三区间时，空载电压与实际荷电状态之间的对照关系，从而建立了电压和电池特性曲线。随后，在实际测量的过程中，当调用模块3判定电池组状态区间位于较低的第一区间或较高的第三区间，且电池组处于待机状态时，电压获取模块411采集电池组电压，随后由查找模块412通过在曲线上查找对应点位的方式来快速获取到荷电状态评估结果。
在一个实施例中，还包括第二修正模块42，如图6所示，第二修正模块42包括：电压修正模块421，电压修正模块421获取待评估电池组的平均电压，根据平均电压和荷电状态估测值生成电压修正值；第一生成模块422，第一生成模块422连接电压修正模块421，第一生成模块422采用待评估电池组的安时积分荷电状态值和电压修正值生成荷电状态评估结果。
具体地，针对现有技术中的电池荷电状态估计方法在实际应用过程中效果不佳的问题，本实施例中通过在对待评估电池组的荷电状态进行计算时，在电压修正模块421中对待评估电池组中多个电池单体的平均电压结合荷电状态参数进行初步计算，从而得到电压修正值。其中，荷电状态参数为在构建电池组电压和电池特性曲线过程中计算得到的该待评估电池组的电压与荷电状态的对应关系。随后，在电压修正值的基础之上，由第一生成模块422进一步地结合安时积分法计算得到的安时积分荷电状态值来进行加权计算得到较为准确的荷电状态评估结果，实现了较好的测量效果。
在一个实施例中，还包括第三修正模块43，如图7所示，第三修正模块43包括：参数采集模块431，参数采集模块431分别获取待评估电池组的电池温度值、电池电压值、电池可用有效容量和安时积分荷电状态值；第二生成模块432，第二生成模块432根据电池温度值、电池电压值、电池可用有效容量和安时积分荷电状态值生成荷电状态评估结果。
具体地，针对现有技术中对电池的荷电状态测量效果不佳的问题，本实施例中，当判定了电池组状态区间为第二区间时，即，电池组介于充满状态和放空状态之间时，于第二生成模块432中采用神经元算法来实现较好的估计效果。在该过程中，通过参数采集模块431采集电池温度值、电池电压值和电池可用有效容量并配置相应的权重因数，随后由第二生成模块432输入估算函数中对安时积分荷电状态值进行修正，以此来实现较快的测量速度。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种船舶电池的荷电状态评估方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；步骤S2：根据所述荷电状态估测值匹配电池组状态区间；所述电池组状态区间包括根据荷电状态值划分的第一区间、第二区间和第三区间，所述第一区间、所述第二区间和所述第三区间所对应的所述荷电状态值依次递增；步骤S3：根据所述电池组状态区间和所述运行状态调用对应的修正方法生成对应于所述待评估电池组的荷电状态评估结果。
2.根据权利要求1所述的荷电状态评估方法，其特征在于，当所述电池组状态区间位于所述第一区间或所述第三区间，且所述运行状态为待机状态时，所述步骤S3中，采用第一修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第一修正方法包括：步骤A1：获取所述待评估电池组的电池组电压；步骤A2：根据所述电池组电压和电池特性曲线查找得到所述荷电状态评估结果。
3.根据权利要求1所述的荷电状态评估方法，其特征在于，当所述电池组状态区间位于所述第一区间或所述第三区间，且所述运行状态为充放电状态时，所述步骤S3中，采用第二修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第二修正方法包括：步骤B1：获取所述待评估电池组的平均电压，根据所述平均电压和预先生成的荷电状态参数生成电压修正值；步骤B2：采用所述待评估电池组的安时积分荷电状态值和所述电压修正值生成所述荷电状态评估结果。
4.根据权利要求3所述的荷电状态评估方法，其特征在于，所述步骤B1中，所述电压修正值的生成方法包括：
式中：
为所述电压修正值，
为所述平均电压与所述荷电状态参数的正比例关系，
为所述平均电压。
5.根据权利要求3所述的荷电状态评估方法，其特征在于，所述步骤B2中，所述荷电状态评估结果的生成方法包括：
式中：
为所述荷电状态评估结果，
为所述安时积分荷电状态值，
为所述安时积分荷电状态值的第一权重，
为所述电压修正值，
为所述电压修正值的第二权重。
6.根据权利要求1所述的荷电状态评估方法，其特征在于，当所述电池组状态区间位于所述第二区间时，采用第三修正方法生成所述荷电状态评估结果；所述第三修正方法包括：
式中：
为所述荷电状态评估结果，
为安时积分荷电状态值；
为输入变量，i=1,2,3；其中，
为电池温度值；
为电池电压值；
为电池可用有效容量；
为第i个所述输入变量对应的权重因数。
7.一种船舶电池的荷电状态评估系统，其特征在于，用于实施如权利要求1-6任意一项所述的荷电状态评估方法，包括：信息采集模块，所述信息采集模块获取待评估电池组的荷电状态估测值和运行状态；区间匹配模块，所述区间匹配模块连接所述信息采集模块，所述区间匹配模块根据所述荷电状态估测值匹配电池组状态区间；调用模块，所述调用模块分别连接所述信息采集模块和所述区间匹配模块，所述调用模块根据所述电池组状态区间和所述运行状态调用对应的修正方法生成对应于所述待评估电池组的荷电状态评估结果。
8.根据权利要求7所述的荷电状态评估系统，其特征在于，还包括第一修正模块，所述第一修正模块包括：电压获取模块，所述电压获取模块获取所述待评估电池组的电池组电压；查找模块，所述查找模块连接所述电压获取模块，所述查找模块根据所述电池组电压和电池特性曲线查找得到所述荷电状态评估结果。
9.根据权利要求7所述的荷电状态评估系统，其特征在于，还包括第二修正模块，所述第二修正模块包括：电压修正模块，所述电压修正模块获取所述待评估电池组的平均电压，根据所述平均电压和荷电状态参数生成电压修正值；第一生成模块，所述第一生成模块连接所述电压修正模块，所述第一生成模块采用所述待评估电池组的安时积分荷电状态值和所述电压修正值生成所述荷电状态评估结果。
10.根据权利要求7所述的荷电状态评估系统，其特征在于，还包括第三修正模块，所述第三修正模块包括：参数采集模块，所述参数采集模块分别获取所述待评估电池组的电池温度值、电池电压值、电池可用有效容量和安时积分荷电状态值；第二生成模块，所述第二生成模块根据所述电池温度值、所述电池电压值、所述电池可用有效容量和所述安时积分荷电状态值生成所述荷电状态评估结果。
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