CN116973767A - 一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组soc估算方法 - Google Patents

一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组soc估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车用动力电池组技术领域，具体公开了一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，包括：获取电池组中每个电池单体的SOC，并根据电池组中每个电池单体的SOC，确定出最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC和所有电池单体的平均SOC；获取电池组SOC的当前窗口显示值，将电池组SOC的窗口分为多个SOC区间，判断电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间；根据当前窗口显示值所在的SOC区间，确定出电池组SOC的当前估算策略；依据最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC、所有电池单体的平均SOC以及电池组SOC的当前估算策略，确定电池组SOC的当前实际值。本发明可有效避免电芯一致性差时电池的过充/过放风险。

Description

一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法
技术领域
本发明涉及车用动力电池组技术领域，更具体地，涉及一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法。
背景技术
车用动力电池组由几十至成百上千个单体电芯组成，而单体之间存在不一致性，表现为电池内部状态参数和外部特性的差异。其中，内部状态参数的差异包括各单体电芯的容量不一致性、荷电状态(SOC)不一致性、阻抗参数不一致性；外部特性的差异主要表征为端电压不一致性。电芯的不一致性在电池充放电过程中不断累积和放大，可能导致电池组的过充、过放，加速电池组的性能衰退和电池老化。电芯的不一致性来源于生产制造工艺等导致的电芯初始不一致性以及使用环境导致不一致性。对于前者，可通过提高提高制造工艺水平和采用合适的分选技术进行挑选配组，以减少电池组中单体电池的初始性能差异。对于后者，可通过电池管理系统控制电池组状态，减小电池性能差异。合理地定义动力电池组SOC对于电池安全、稳定使用至关重要。特别是当单体电芯一致性较差时，电池组SOC的定义更为关键。
当前BMS系统评估电池组SOC时主要采用的方案为：充电模式下，认为电池单体的最大SOC达到上限表示电池无法再继续充电，故采用最大单体SOC作为电池组的实际SOC。放电模式下，认为电池单体的最小SOC达到下限表示电池无法再继续放电，故采用最小单体SOC作为电池组的实际SOC；此方案比较片面，根据充放电模式只使用某一节电池单体的SOC(最大单体SOC或者最大单体SOC)来表示电池组的实际SOC，无法全面评估整个电池组的电荷水平，并且受限于充放电模式的判断和切换。且在车辆运行及制动能量回收过程中电流方向若发生变化，则可能导致电池组SOC数值突变，影响电池使用的稳定性。另一种常见的电池组SOC估算方案为始终以平均单体SOC作为电池组SOC。这种方案极有可能造成电芯将有过充或者过放的风险，影响电池使用的安全性。
所以，本文旨在提出一种合理的电池组SOC评估策略，特别是考虑电池组内电芯一致性较差的情况，避免电芯过充/过放风险及电池组SOC不稳定的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，以解决现有技术中存在的电芯过充/过放风险及电池组SOC不稳定的问题。
作为本发明的第一个方面，提供一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，所述电池组包括多个电池单体，所述考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法包括如下步骤：
步骤S1：获取所述电池组中每个电池单体的SOC，并根据所述电池组中每个电池单体的SOC，确定出最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC和所有电池单体的平均SOC；
步骤S2：获取电池组SOC的当前窗口显示值，将电池组SOC的窗口分为多个SOC区间，判断所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间；
步骤S3：根据所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间，确定出电池组SOC的当前估算策略；
步骤S4：依据所述最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC、所有电池单体的平均SOC以及所述电池组SOC的当前估算策略，确定电池组SOC的当前实际值。
进一步地，所述步骤S2-步骤S4中，还包括：
将所述电池组SOC的窗口分为5个SOC区间，所述5个SOC区间分别为第一SOC区间、第二SOC区间、第三SOC区间、第四SOC区间和第五SOC区间；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第一SOC区间时，根据所述最小电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第二SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最小电池单体的SOC、所述第二SOC区间的上下限值以及第一预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第三SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第四SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最大电池单体的SOC、所述第四SOC区间的上下限值以及第二预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第五SOC区间时，根据所述最大电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值。
进一步地，所述第一SOC区间为0到低SOC警戒值的范围；所述第二SOC区间为低SOC警戒值到电压平台区左端的范围；所述第三SOC区间为电压平台区范围；所述第四SOC区间为电压平台区右端到高SOC警戒值的范围；所述第五SOC区间为电池组的充电功率逐步减小至零点的范围；其中，预先设定电池组对应的OCV-SOC曲线的电压平台区。
进一步地，在第二SOC区间，所述第一预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVLow为第二SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，SOCLimMin为第二SOC区间的下限值，CellSOCMin为所述最小电池单体的SOC，其中，CellSOCMin≤PackSOC≤CellSOCAvg。
进一步地，在第四SOC区间，所述第二预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVHigh为所述第四SOC区间的下限值，SOCLimMax为所述第四SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，CellSOCMax为所述最大电池单体的SOC，其中，CellSOCAvg≤PackSOC≤CellSOCMax。
本发明提供的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法具有以下优点：
(1)可有效避免电芯一致性差时电池的过充/过放风险；
(2)考虑电芯一致性较差的情况，综合考虑最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC、所有电池单体的平均SOC，避免电池组SOC偏离电池包平均荷电状态水平，使得电池包可充分发挥电池包的性能，避免给用户带来里程焦虑或者电池包存在“虚电”的现象；
(3)充分考虑电芯不一致性对电池组SOC的影响，避免在电池充放电过程中电池组SOC数值突变，提高电池组SOC的稳定性；
(4)充分考虑磷酸铁锂电芯的OCV特性，分段评估电池组SOC，在不同的SOC区间内采取不同的电池组SOC估算策略，综合考虑电芯一致性较差时最“差”电芯的短板效应和电池组SOC稳定性。
附图说明
附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1为本发明提供的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法的流程图。
图2为本发明提供的根据磷酸铁锂电池OCV特性划分SOC区间的示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本实施例中提供了一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，所述电池组包括多个电池单体，如图1所示，所述一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法包括：
步骤S1：获取所述电池组中每个电池单体的SOC，并根据所述电池组中每个电池单体的SOC，确定出最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC和所有电池单体的平均SOC；
需要说明的是，最大电池单体的SOC指的是电压最大的电池单体的SOC；最小电池单体的SOC指的是电压最小的电池单体的SOC；所有电池单体的平均SOC指的是电池组中所有电池单体的平均电压对应的SOC。
步骤S2：获取电池组SOC的当前窗口显示值，将电池组SOC的窗口分为多个SOC区间，判断所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间；
步骤S3：根据所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间，确定出电池组SOC的当前估算策略；
步骤S4：依据所述最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC、所有电池单体的平均SOC以及所述电池组SOC的当前估算策略，确定电池组SOC的当前实际值。
优选地，所述步骤S2-步骤S4中，还包括：
将所述电池组SOC的窗口分为5个SOC区间，所述5个SOC区间分别为第一SOC区间、第二SOC区间、第三SOC区间、第四SOC区间和第五SOC区间；
具体地，所述第一SOC区间为0到低SOC警戒值的范围；所述第二SOC区间为低SOC警戒值到电压平台区左端的范围；所述第三SOC区间为电压平台区范围；所述第四SOC区间为电压平台区右端到高SOC警戒值的范围；所述第五SOC区间为电池组的充电功率逐步减小至零点的范围；其中，预先设定电池组对应的OCV-SOC曲线的电压平台区。
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第一SOC区间时，根据所述最小电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第二SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最小电池单体的SOC、所述第二SOC区间的上下限值以及第一预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
具体地，在第二SOC区间，所述第一预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVLow为第二SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，SOCLimMin为第二SOC区间的下限值，CellSOCMin为所述最小电池单体的SOC，其中，CellSOCMin≤PackSOC≤CellSOCAvg。
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第三SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第四SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最大电池单体的SOC、所述第四SOC区间的上下限值以及第二预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
具体地，在第四SOC区间，所述第二预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVHigh为所述第四SOC区间的下限值，SOCLimMax为所述第四SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，CellSOCMax为所述最大电池单体的SOC，其中，CellSOCAvg≤PackSOC≤CellSOCMax。
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第五SOC区间时，根据所述最大电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值。
以图2为例，对磷酸铁锂电芯的电池组SOC的估算方法进行说明。
电芯成组后，受短板效应、不一致性影响，原则上放电时以单体最低电压、充电时以单体最高电压为判断依据，同时考虑避免电芯过充、过放，平台区变化小、非平台区变化大等特性，将磷酸铁锂电芯的OCV曲线进行划分为5个区间，并针对不同区间制定不同SOC估算策略，如下表1所示：
表1
第一SOC区间：当最小单体SOC处于第一SOC区间(低SOC警戒区)时，将最小单体SOC作为电池组SOC，虽然估算的电池组整体荷电状态偏低，但可有效避免电池过放风险。
第二SOC区间：当平均单体SOC在第二SOC区间时，用平均单体SOC、最小单体SOC在第二SOC区间内线性插值计算得到电池组SOC。根据所述第一预设数学模型，即使电芯的一致性较差，电池组SOC估算值将在最小单体SOC和平均单体SOC之间，既在一定程度上考虑了放电时最小单体SOC的短板效应，又不至于将电池组SOC估算得过低，减轻用户的里程焦虑。
假设电池组在放电，根据所述第一预设数学模型，电池组SOC≤平均单体SOC，即电池组SOC低于电池包的整体平均水平，为电池组放电进入低SOC警戒区提前预警。当放电至第一SOC区间(低SOC警戒区)时，最“差”电芯(SOC最小的单体)即将进入放电末端，此时再充分考虑最“差”电芯的短板效应，令电池组SOC等于最小单体SOC，避免电池的过放。
假设电池组在充电，当充电至第三SOC区间时，电池组SOC能快速切换到平均单体SOC。
第三SOC区间：当平均单体SOC在第三SOC区间(OCV平台区)时，电池组SOC等于平均单体SOC。由于磷酸铁锂电芯的OCV特性，在电压平台区各单体的SOC差异可能比较大。那么用最大单体SOC或者最小单体SOC作为电池组SOC都可能偏差较大。比如，假设充电时用最大单体SOC作为电池组SOC，放电时用最小单体SOC作为电池组SOC。在平台区进行充放电循环，当电流方向发生变化时，若各单体SOC差异较大，电池组SOC的数值可能在切换电流方向时发生突变。相对应地，在平台区，采用单体平均SOC作为电池组SOC，更能表征电池组的整体平均荷电状态水平。虽然此时电池组SOC与最小单体SOC、最大单体SOC都有一定的偏差，但因电池组在第三SOC区间尚未进入低SOC警戒线和高SOC警戒线，并不用过于担心最“差”电芯短板效应带来的过放或者过充风险。
第四SOC区间：当平均单体SOC在第四SOC区间时，用平均单体SOC、最大单体SOC在第四SOC区间内线性插值计算得到电池组SOC。即使电芯的一致性较差，电池组SOC也在平均单体SOC和最大单体SOC之间。既在一定程度上考虑了充电时最大单体SOC的充电截止条件，又不至于将电池组SOC估算得太高而导致电池组SOC与电池包整体荷电状态水平偏差过大。
假设电池组在充电，根据所述第二预设数学模型，电池组SOC≥平均单体SOC，即电池组SOC高于电池包的整体平均水平，为电池组充电进入高SOC警戒区提前预警。当充电至第五SOC区间(高SOC警戒区)时，最“差”电芯(SOC最大的单体)即将进入充电末端，此时再充分考虑最“差”电芯的短板效应，令电池组SOC等于最大单体SOC，避免电池的过充。
假设电池组在放电，当放电至第三SOC区间时，电池组SOC能快速地切换到平均单体SOC。
第五SOC区间：当最大单体SOC处于第五SOC区间(高SOC警戒区)时，SOC值处于较高水平，将最大单体SOC作为电池组SOC，虽然估算的电池组整体荷电状态偏高，但可有效避免电池过充风险。
在本发明实施例中，(1)根据磷酸铁锂电芯的OCV特性，将SOC分为5个区间，分段评估电池组SOC；(2)考虑电芯一致性较差的情况，综合考虑最大单体SOC、最小单体SOC、平均单体SOC，避免电池组SOC偏离电池包平均荷电状态水平；(3)在第一SOC区间(低SOC警戒区)，电池组SOC等于最小单体SOC，避免电芯过放；在第五SOC区间(高SOC警戒区)，电池组SOC等于最大单体SOC，避免电芯过充；(4)在第二SOC区间和第四SOC区间，用根据数学模型计算得到电池组SOC，综合考虑电芯一致性较差时最“差”电芯的短板效应和充放电过程中电池组SOC稳定性；(5)在第三SOC区间，电池组SOC等于平均单体SOC，避免电池组在平台区进行充放电循环时因电流方向的变化而导致的电池组SOC数值的突变，确保电池组SOC稳定性。
需要说明的是，本发明将磷酸铁锂电芯的SOC区间划分为5个区间，可根据实际所用电芯OCV特性，划分为更多或者更少的区间。
需要说明的是，第二SOC区间和第四SOC区间的数学模型：当平均单体SOC处于第二SOC区间时，本发明列举了详细的数学公式用于计算电池组SOC，使得电池组SOC在最小单体SOC和平均单体SOC之间。可替代地，可用其他插值方式或者加权公式来计算电池组SOC，同样可令使得电池组SOC数值在最小单体SOC和平均单体SOC之间，得到与本发明类似的效果。
同样地，当平均单体SOC处于第四SOC区间时，可用其他插值方式或者加权公式来计算电池组SOC来替代本发明的数学模型，令电池组SOC数值在平均单体SOC和最大单体SOC之间，得到与本发明类似的效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，所述电池组包括多个电池单体，其特征在于，所述考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法包括如下步骤：
步骤S1：获取所述电池组中每个电池单体的SOC，并根据所述电池组中每个电池单体的SOC，确定出最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC和所有电池单体的平均SOC；
步骤S2：获取电池组SOC的当前窗口显示值，将电池组SOC的窗口分为多个SOC区间，判断所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间；
步骤S3：根据所述电池组SOC的当前窗口显示值所在的SOC区间，确定出电池组SOC的当前估算策略；
步骤S4：依据所述最大电池单体的SOC、最小电池单体的SOC、所有电池单体的平均SOC以及所述电池组SOC的当前估算策略，确定电池组SOC的当前实际值。
2.根据权利要求1所述的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，其特征在于，所述步骤S2-步骤S4中，还包括：
将所述电池组SOC的窗口分为5个SOC区间，所述5个SOC区间分别为第一SOC区间、第二SOC区间、第三SOC区间、第四SOC区间和第五SOC区间；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第一SOC区间时，根据所述最小电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第二SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最小电池单体的SOC、所述第二SOC区间的上下限值以及第一预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第三SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第四SOC区间时，根据所述所有电池单体的平均SOC、所述最大电池单体的SOC、所述第四SOC区间的上下限值以及第二预设数学模型确定出所述电池组SOC的当前实际值；
当所述电池组SOC的当前窗口显示值处于所述第五SOC区间时，根据所述最大电池单体的SOC确定出所述电池组SOC的当前实际值。
3.根据权利要求2所述的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，其特征在于，所述第一SOC区间为0到低SOC警戒值的范围；所述第二SOC区间为低SOC警戒值到电压平台区左端的范围；所述第三SOC区间为电压平台区范围；所述第四SOC区间为电压平台区右端到高SOC警戒值的范围；所述第五SOC区间为电池组的充电功率逐步减小至零点的范围；其中，预先设定电池组对应的OCV-SOC曲线的电压平台区。
4.根据权利要求2所述的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，其特征在于，在第二SOC区间，所述第一预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVLow为第二SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，SOCLimMin为第二SOC区间的下限值，CellSOCMin为所述最小电池单体的SOC，其中，CellSOCMin≤PackSOC≤CellSOCAvg。
5.根据权利要求2所述的一种考虑电芯不一致性的车用动力电池组SOC估算方法，其特征在于，在第四SOC区间，所述第二预设数学模型为：
其中，PackSOC为所述电池组SOC的当前实际值，SOCOCVHigh为所述第四SOC区间的下限值，SOCLimMax为所述第四SOC区间的上限值，CellSOCAvg为所述所有电池单体的平均SOC，CellSOCMax为所述最大电池单体的SOC，其中，CellSOCAvg≤PackSOC≤CellSOCMax。
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