CN208432706U - 电动车锂电池的荷电状态估算系统 - Google Patents

电动车锂电池的荷电状态估算系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种电动车锂电池的荷电状态估算系统，其包括：连接装置，充放电装置，采集装置，控制装置，计算装置以及输出装置；输出装置用于输出误差比例因子、充放电倍率曲线以及校正电池剩余容量。上述电动车锂电池的荷电状态估算系统根据误差比例因子计算当前电池剩余容量，并通过输出装置输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量，在此基础上还能够配合进行需要所述校正电池剩余容量的应用，这样，融合了电压查表校正荷电状态和电荷法积分估算荷电状态的优点，不需要复杂的电池模型，能实时、准确估算出锂电池组特别是三元锂电池组的荷电状态，在锂电池组老化的情况下同样有效。

Description

电动车锂电池的荷电状态估算系统
技术领域
本申请涉及电动车锂电池，特别是涉及电动车锂电池的荷电状态估算系统。
背景技术
为了应对能源危机，减缓全球气候变暖，许多国家都开始重视节能减排和发展低碳经济。电动汽车因为采用电力进行驱动，可以降低二氧化碳的排放量甚至实现零排放，所以得到各国的重视而迅速发展。但是电池成本仍然较高，动力电池的性能和价格是电驱动汽车发展的主要“瓶颈”。
随着电动汽车的发展，电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，BMS)也得到了广泛应用。为了充分发挥电池系统的动力性能、提高其使用的安全性、防止电池过充和过放，延长电池的使用寿命、优化驾驶和提高电动汽车的使用性能，BMS系统就要对电池的荷电状态(State-Of-Charge， SOC)进行准确估算。SOC是用来描述电池使用过程中可充入容量和可放出容量的重要参数；SOC估算是BMS研发的重点与难点。
目前锂电池的SOC估算策略主要有：开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等。开路电压法需要把电池静置1小时以上，使电池端电压恢复至开路电压，不具有实时性；安时计量法需要准确知道电池的初始容量，而且存在累计误差；人工神经网络法和卡尔曼滤波法需要准确的数学模型和很强的数据处理能力，实现难度很大，准确度受电池模型影响大。
实用新型内容
基于此，有必要提供一种电动车锂电池的荷电状态估算系统。
一种电动车锂电池的荷电状态估算系统，其包括：
连接装置，用于连接锂电池组；
充放电装置，用于对锂电池组进行充放电操作；
采集装置，用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压；
控制装置，分别与所述充放电装置及所述采集装置连接，用于控制所述充放电装置对所述锂电池组分别进行预设次数的相异倍率的充放电操作，并通过所述采集装置获得相异倍率下体现电池电压和荷电状态关系的初始充放电倍率曲线；
计算装置，与所述控制装置连接，用于计算一段时间的电流平均值和电池电压平均值，并根据所述电流平均值确定其所属的区间，以及计算所述电流平均值位于所属的区间的比例位置；
所述控制装置还用于根据所述计算装置的所述比例位置合成当前充放电倍率曲线；所述计算装置还用于根据所述电池电压平均值与当前充放电倍率曲线，得到当前电压对应的表读电池剩余容量，并由电荷积分得到积分电池剩余容量，根据表读电池剩余容量与积分电池剩余容量的误差得到误差比例因子，根据所述误差比例因子计算当前电池剩余容量得到校正电池剩余容量；
输出装置，与所述控制装置连接，用于输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量；其中，所述充放电倍率曲线包括所述初始充放电倍率曲线与所述当前充放电倍率曲线。
上述电动车锂电池的荷电状态估算系统根据误差比例因子计算当前电池剩余容量，并通过输出装置输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量，在此基础上还能够配合进行需要所述校正电池剩余容量的应用，这样，融合了电压查表校正荷电状态和电荷法积分估算荷电状态的优点，不需要复杂的电池模型，能实时、准确估算出锂电池组特别是三元锂电池组的荷电状态，在锂电池组老化的情况下同样有效。
在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括开关结构，所述开关结构与所述控制装置连接，用于根据所述校正电池剩余容量控制其自身的导通或切断状态。
在其中一个实施例中，所述开关结构还连接所述连接装置或者还用于连接所述锂电池组。
在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括显示装置，所述显示装置与所述输出装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括存储装置，所述存储装置与所述输出装置连接，用于存储所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
在其中一个实施例中，所述控制装置还用于在当前电池剩余容量与所述存储装置所存储的上次的校正电池剩余容量的差值超过所述上次的校正电池剩余容量的5％时，将当前电池剩余容量替代所述上次的校正电池剩余容量。
在其中一个实施例中，所述控制装置设置有电压测量电路，所述电压测量电路用于在所述充放电装置对锂电池组充放电中，充电时当某一节电池电压高于4.2V控制所述充放电装置停止充电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为100％；放电时当某一节电池电压低于3.2V控制所述充放电装置停止放电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为0％。
在其中一个实施例中，所述锂电池组为三元锂电池组，所述电池为三元锂电池。
在其中一个实施例中，所述锂电池组中的各节电池串联设置。
附图说明
图1是本申请的一实施例的模块连接示意图。
图2是本申请的另一实施例在不同放电倍率下的SOC曲线DV-SOC。
图3是本申请的另一实施例在不同充电倍率下的SOC曲线CV-SOC。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请一个实施例是，一种电动车锂电池的荷电状态估算系统，其包括：连接装置、充放电装置、采集装置、控制装置、计算装置与输出装置，连接装置用于连接锂电池组；充放电装置用于对锂电池组进行充放电操作；采集装置用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压；控制装置分别与所述充放电装置及所述采集装置连接，用于控制所述充放电装置对所述锂电池组分别进行预设次数的相异倍率的充放电操作，并通过所述采集装置获得相异倍率下体现电池电压和荷电状态关系的初始充放电倍率曲线；计算装置与所述控制装置连接，计算装置用于计算一段时间的电流平均值和电池电压平均值，并根据所述电流平均值确定其所属的区间，以及计算所述电流平均值位于所属的区间的比例位置；所述控制装置还用于根据所述计算装置的所述比例位置合成当前充放电倍率曲线；所述计算装置还用于根据所述电池电压平均值与当前充放电倍率曲线，得到当前电压对应的表读电池剩余容量，并由电荷积分得到积分电池剩余容量，根据表读电池剩余容量与积分电池剩余容量的误差得到误差比例因子，根据所述误差比例因子计算当前电池剩余容量得到校正电池剩余容量；输出装置与所述控制装置连接，用于输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量；其中，所述充放电倍率曲线包括所述初始充放电倍率曲线与所述当前充放电倍率曲线。上述电动车锂电池的荷电状态估算系统根据误差比例因子计算当前电池剩余容量，并通过输出装置输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量，在此基础上还能够配合进行需要所述校正电池剩余容量的应用，这样，融合了电压查表校正荷电状态和电荷法积分估算荷电状态的优点，不需要复杂的电池模型，能实时、准确估算出锂电池组特别是三元锂电池组的荷电状态，在锂电池组老化的情况下同样有效。例如，所述充放电装置与所述连接装置连接，所述充放电装置用于对锂电池组进行充放电操作；所述采集装置与所述连接装置连接，所述采集装置用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压。又如，如图1所示，本申请一个实施例是，所述充放电装置与所述连接装置连接，所述充放电装置用于对锂电池组进行充放电操作；所述采集装置分别与所述充放电装置及所述连接装置连接，所述采集装置用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压。又如，所述充放电装置及所述采集装置分别用于连接锂电池组，所述充放电装置用于对锂电池组进行充放电操作，所述采集装置用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压。其余实施例以此类推。
可以理解，本申请及其各实施例中的连接装置、充放电装置、采集装置、控制装置、计算装置与输出装置均可采用现有市售产品实现，本申请及其各实施例要求保护的是其在所述电动车锂电池的荷电状态估算系统中的连接及其应用，本领域技术人员可以自行选取连接装置、充放电装置、采集装置、控制装置、计算装置与输出装置的具体产品与型号，不同型号的产品可能会对所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量有一定影响，但这并不妨碍所述荷电状态估算系统实时准确地估算锂电池组的SOC，在电池组老化的情况下，例如在容量下降了20％～30％后，对锂电池组的动态放电时SOC 的估算依然能够实现控制误差在6％以内，这样，不仅适用于新的锂电池组的 SOC估算，而且同样适用于老化的锂电池组的SOC估算。
为了解决如何便于根据校正电池剩余容量控制导通或切断状态的技术问题，在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括开关结构，所述开关结构与所述控制装置连接，用于根据所述校正电池剩余容量控制其自身的导通或切断状态。为了解决如何便于控制连接锂电池组的导通或切断状态的技术问题，在其中一个实施例中，所述开关结构还连接所述连接装置或者还用于连接所述锂电池组。
为了解决如何便于显示所输出的所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量的技术问题，在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。或者，在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括显示装置，所述显示装置与所述输出装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。又如，所述输出装置为或包括显示装置，输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量并在所述显示装置上进行显示。
为了解决数据存储的技术问题，在其中一个实施例中，所述荷电状态估算系统还包括存储装置，所述存储装置与所述输出装置连接，用于存储所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。为了利用所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量的数据，进一步地，所述存储装置还与所述控制装置及/或所述计算装置连接，用于为所述控制装置及/或所述计算装置提供所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
为了解决持续使用或者断续使用时如何准确计量校正电池剩余容量的技术问题，在其中一个实施例中，所述控制装置还用于在当前电池剩余容量与所述存储装置所存储的上次的校正电池剩余容量的差值超过所述上次的校正电池剩余容量的0.5％～5％例如5％时，将当前电池剩余容量替代所述上次的校正电池剩余容量。这样，能实时、准确估算出锂电池组特别是三元锂电池组的荷电状态，并且适时更新，在锂电池组老化的情况下同样有效。
为了解决如何优化计算荷电状态的技术问题，在其中一个实施例中，所述控制装置设置有电压测量电路，所述电压测量电路用于在所述充放电装置对锂电池组充放电中，充电时当某一节电池电压高于4.2V控制所述充放电装置停止充电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为100％；放电时当某一节电池电压低于3.2V控制所述充放电装置停止放电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为0％。这样，可以使得荷电状态设置更为准确，从而在后续根据当前充放电倍率曲线、积分电池剩余容量以及误差比例因子计算当前电池剩余容量，对于新的或者老化的锂电池组均有较为准确的真实荷电状态估算结果。
在其中一个实施例中，所述锂电池组为三元锂电池组，所述电池为三元锂电池，所述荷电状态估算系统对于三元锂电池组的荷电状态的估算具有较为精准且实时的技术效果。例如，所述三元锂电池为镍钴锰酸三元锂电池或镍钴铝酸三元锂电池。三元锂电池的能量密度较高，但安全性相对较差，对于续航里程有要求的纯电动车，三元锂电池的前景更广，是目前动力电池主流方向。因此，采用所述电动车电池管理系统，极大地提升了三元锂电池于电动车的安全性能，降低了用户的使用风险。进一步地，所述荷电状态估算系统还包括所述三元锂电池组。在其中一个实施例中，所述锂电池组中的各节电池串联设置。此时，所述荷电状态估算系统用于连接并估算各节电池串联设置的锂电池组的荷电状态。进一步地，所述锂电池组包括若干锂电池分组，各锂电池分组串联或并联或按需部分串联部分并联设置，所述连接装置用于连接所述锂电池组；或者，亦可理解为所述锂电池组为一个包括若干组锂电池的锂电池包。
下面继续说明电动车锂电池的荷电状态估算系统的具体应用，例如，在对三元锂电池组充、放电时，实时采集每一节电池的电压，充电时当某一节电池电压高于4.2V停止充电，此时电池组的SOC记作100％；放电时当某一节电池电压低于3.2V停止放电，此时的SOC记作0％。对三元锂电池组分别进行不同放电倍率下的放电和充电，获得不同放电倍率下电池电压和SOC的曲线表 DV-SOC和不同充电倍率下电池电压和SOC的曲线CV-SOC，以及电流为零时开路电压和SOC的曲线OCV-SOC。例如，不同放电倍率下电池电压和SOC的曲线表DV-SOC如图2所示，不同充电倍率下电池电压和SOC的曲线CV-SOC 如图3所示。
例如，在放电时，使用上位机软件记录每一节电池电压的历史数据，放电结束后选取每一节电池放电开始到放电结束期间101个数据点，作为SOC从 100％到0％对应的电池电压。例如，电池组一共有30节电池串联，SOC每一个数据点对应该电池组中最低的电池电压数据。在充电时，充电曲线记录数据同理，但是SOC的每一个数据点对应该电池组最高的电池电压数据。
计算一段时间的电流平均值I0和电池电压的平均值并计算出该电流值所属的充电倍率区间[C0，C1]或放电倍率区间[D0，D1]。
计算该电流值占所属区间的比例KI0即：或其中CI0或DI0为电流I0对应的充、放电倍率，根据比例KI0合成新的电流倍率曲线N_DV-SOC或N_CV-SOC。
根据计算的电池平均电压查找新合成的曲线表，得到当前电压对应的电池剩余容量SOCV0，由电荷积分得到一个电池剩余容量SOCI0，结合这两种计算SOC的误差，获得一个比例因子KE，所以当前的电池剩余容量 SOC0＝SOCV0+KE(SOCV0-SOCI0)。
在一个计算电流平均值的周期内，当前的剩余容量为：上一次计算的当前电池容量SOC0加上电荷积分得到容量的改变值其中， QRated即为Q额定。所以下一个周期的电荷积分得到的电池剩余容量 SOCI1＝SOC0+ΔSOCI。到下一个计算周期时，根据电压得到的电池剩余容量为SOCV1，所以当前的电池剩余容量SOC1＝SOCV1+KE(SOCV1-SOCI1)，推导第n个周期后的当前的电池剩余容量为：
SOC(n-1)＝SOCV(n-1)+KE(SOCV(n-1)-SOCI(n-1))，其中(n≥1)。
这样，就能够得到较为准确的电动车锂电池的荷电状态。
当前计算的电池剩余容量SOC和上次保存的电池容量对比差值的绝对值超过0.5％，把当前的电池剩余容量写到系统的EEPROM里。在电池组出现容量下降或电池老化时，放出相同的容量后电池电压会下降得更快，按照原放电曲线对应的SOC下降的也会随之更快。在老化试验中选取了两组30串24并的三元锂电池组，其中一组在容量下降了15％后，对电池组的动态放电时SOC的估算误差在2％以内；另一组在容量下降了20％后，对电池组的动态放电时SOC的估算误差在3％以内。
需要说明的是，本申请的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的电动车锂电池的荷电状态估算系统，例如，锂电池为三元锂电池，则本申请的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的电动车三元锂电池的荷电状态估算系统，其余实施例以此类推。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电动车锂电池的荷电状态估算系统，其特征在于，包括：
连接装置，用于连接锂电池组；
充放电装置，用于对锂电池组进行充放电操作；
采集装置，用于在对锂电池组充放电时，实时采集每一节电池的电压；
控制装置，分别与所述充放电装置及所述采集装置连接，用于控制所述充放电装置对所述锂电池组分别进行预设次数的相异倍率的充放电操作，并通过所述采集装置获得相异倍率下体现电池电压和荷电状态关系的初始充放电倍率曲线；
计算装置，与所述控制装置连接，用于计算一段时间的电流平均值和电池电压平均值，并根据所述电流平均值确定其所属的区间，以及计算所述电流平均值位于所属的区间的比例位置；
所述控制装置还用于根据所述计算装置的所述比例位置合成当前充放电倍率曲线；所述计算装置还用于根据所述电池电压平均值与当前充放电倍率曲线，得到当前电压对应的表读电池剩余容量，并由电荷积分得到积分电池剩余容量，根据表读电池剩余容量与积分电池剩余容量的误差得到误差比例因子，根据所述误差比例因子计算当前电池剩余容量得到校正电池剩余容量；
输出装置，与所述控制装置连接，用于输出所述误差比例因子、充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量；其中，所述充放电倍率曲线包括所述初始充放电倍率曲线与所述当前充放电倍率曲线。
2.根据权利要求1所述荷电状态估算系统，其特征在于，还包括开关结构，所述开关结构与所述控制装置连接，用于根据所述校正电池剩余容量控制其自身的导通或切断状态。
3.根据权利要求2所述荷电状态估算系统，其特征在于，所述开关结构还连接所述连接装置或者还用于连接所述锂电池组。
4.根据权利要求1所述荷电状态估算系统，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
5.根据权利要求1所述荷电状态估算系统，其特征在于，还包括显示装置，所述显示装置与所述输出装置连接，用于显示所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
6.根据权利要求1所述荷电状态估算系统，其特征在于，还包括存储装置，所述存储装置与所述输出装置连接，用于存储所述误差比例因子、所述充放电倍率曲线以及所述校正电池剩余容量。
7.根据权利要求6所述荷电状态估算系统，其特征在于，所述控制装置还用于在当前电池剩余容量与所述存储装置所存储的上次的校正电池剩余容量的差值超过所述上次的校正电池剩余容量的5％时，将当前电池剩余容量替代所述上次的校正电池剩余容量。
8.根据权利要求1所述荷电状态估算系统，其特征在于，所述控制装置设置有电压测量电路，所述电压测量电路用于在所述充放电装置对锂电池组充放电中，充电时当某一节电池电压高于4.2V控制所述充放电装置停止充电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为100％；放电时当某一节电池电压低于3.2V控制所述充放电装置停止放电，由所述控制装置将电池组的荷电状态设置为0％。
9.根据权利要求1至8中任一项所述荷电状态估算系统，其特征在于，所述锂电池组为三元锂电池组，所述电池为三元锂电池。
10.根据权利要求9所述荷电状态估算系统，其特征在于，所述锂电池组中的各节电池串联设置。
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