本發(fā)明涉及一種電池荷電狀態(tài)的估算方法、電池管理系統(tǒng)及SOC估算方法。

背景技術(shù)：

電池管理系統(tǒng)(BMS)逐步成為新熱點，其中的電池荷電狀態(tài)(SOC)精確估計十分困難?，F(xiàn)有的技術(shù)方案有放電試驗法、開路電壓(OCV)法、安時積分法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等。

由于SOC是一個不能直接測量，是一個狀態(tài)量，精確的估算十分困難。

因此，現(xiàn)有的技術(shù)方案可以不同程度的逼近真實值，但也存在著各自的不足：

1、放電試驗法，只能離線估計而不能在線估計SOC，且測試周期比較長；

2、開路電壓法，需要電池靜置比較長的一段時間，不適用于實時在線的估算；

3、安時積分法，不能消除累積誤差，且累積誤差越來越大，無初值修復(fù)能力；加速時電流變化大，積分時間未能做相應(yīng)的調(diào)整；

4、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，估計的精確性依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法；

5、卡爾曼濾波法，估計的精確性依賴于精確的電池模型，模型越精確，模型的復(fù)雜度也指數(shù)級提升，提高計算周期，不利于實際應(yīng)用。

6、開路電壓法與安時積分法結(jié)合，現(xiàn)有的技術(shù)方案中，根據(jù)開路電壓曲線消除積分累積誤差，但存在以下兩個問題：a、未考慮開路電壓曲線中的平臺區(qū)電池電壓變化??；b、未考慮檢測精度與平臺區(qū)電壓變化的比例關(guān)系。而在電池電壓平臺區(qū)使用開路電壓法帶來的誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安時積分法的累積誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種電池荷電狀態(tài)的估算方法及估算裝置，克服了在電池電壓平臺區(qū)，由于電壓變化小的特性及電池電壓采樣精度問題，造成的誤差。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種電池荷電狀態(tài)的估算方法，包括：將電池對應(yīng)的OCV-SOC曲線劃分為電壓平臺區(qū)和低壓、高壓區(qū)；其中所述電壓平臺區(qū)使用安時積分法計算SOC。

進(jìn)一步，在電壓平臺區(qū)使用安時積分法計算SOC的方法包括：

設(shè)采集電流為I，且充電為正，放電為負(fù)；

SOC的初值為SOC_imit，使用安時積分法，即

計算SOC，將公式(1)離散化，前一次的SOC累積值為SOC₁，采樣時間為Δt，待獲取的累計值記為SOC，得到公式(2)，即：

SOC＝SOC₁+I*Δt (2)；

對公式(2)進(jìn)一步形變，即

設(shè)第k次電流采樣時，采樣電流I_k+1，經(jīng)過安時積分的時間步長Δt后，第k+1次采樣，采樣電流為I_k+1，k≥0，則公式(2)修正為公式(3)如下：

進(jìn)一步，所述低壓、高壓區(qū)均采用開路電壓法與安時積分法結(jié)合以估計SOC。

第二方面，本發(fā)明還提供了一種電池荷電狀態(tài)的估算裝置，包括：

檢測電池狀態(tài)的BMS主模塊和冗余輔助模塊；其中

通過電流采樣信號觸發(fā)BMS主模塊，以將SOC值發(fā)送至冗余輔助模塊進(jìn)行安時積分計算SOC。

進(jìn)一步，所述BMS主模塊和冗余輔助模塊均采用安時積分法計算SOC。

進(jìn)一步，通過安時積分法計算SOC，即

設(shè)采集電流為I，且充電為正，放電為負(fù)；

SOC的初值為SOC_imit，使用安時積分法，即

計算SOC，將公式(1)離散化，前一次的SOC累積值為SOC₁，采樣時間為Δt，待獲取的累計值記為SOC，得到公式(2)，即：

SOC＝SOC₁+I*Δt (2)；

對公式(2)進(jìn)一步形變，即

設(shè)第k次電流采樣時，采樣電流I_k+1，經(jīng)過安時積分的時間步長Δt后，第k+1次采樣，采樣電流為I_k+1，k≥0，則公式(2)修正為公式(3)如下：

并且，BMS主模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₁大于冗余輔助模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₂。

第三方面，本發(fā)明還提供了一種電動汽車用電池管理系統(tǒng)，包括：

所述的估算裝置，以及

當(dāng)油門/剎車的開度變化速度超過預(yù)設(shè)閾值時，電流采樣信號發(fā)生變化，以觸發(fā)BMS主模塊將SOC值發(fā)送至冗余輔助模塊進(jìn)行安時積分計算SOC。

第四方面，本發(fā)明還提供了一種用于電池管理系統(tǒng)的SOC估算方法，包括如下步驟：

步驟S1，上電，獲取上次下電的時間t₁，讀取本次上電時間t₂，計算時間差t＝t₂-t₁；

步驟S2，若時間差t大于時間閾值1h，則執(zhí)行步驟S3，否則執(zhí)行步驟S4；

步驟S3，當(dāng)判定電池靜置了足夠長的時間后，進(jìn)行OCV-SOC校正：以及

將SOC初值與OCV-SOC曲線比較，若處于平臺區(qū)，則進(jìn)入步驟S4；

否則進(jìn)入步驟S5；

步驟S4，將當(dāng)前SOC作為SOC初值，進(jìn)入步驟S6；

步驟S5，根據(jù)獲取到的電壓，首先判斷是否達(dá)到設(shè)定的電壓上下極限：

若到達(dá)電壓上限，則將SOC值賦為100，若到到達(dá)電壓下限，則將SOC值賦為0；

否則根據(jù)電壓范圍，若處于高壓區(qū)時，通過高壓區(qū)擬合關(guān)系式計算SOC；若處于低壓區(qū)時，通過低壓區(qū)擬合關(guān)系式計算SOC，進(jìn)入步驟S6；

步驟S6，判斷冗余輔助模塊是否開啟；

步驟S7，若冗余輔助模塊開啟，則將主模塊的SOC值發(fā)送到冗余輔助模塊，作為冗余輔助模塊中安時積分算法的SOC初值；

步驟S8，若冗余輔助模塊未開啟，則獲取電池電流值，并判斷電流是否長時間處于足夠小的狀態(tài)，接近靜置或處于靜置狀態(tài)：

當(dāng)電流不滿足此條件時，根據(jù)安時積分法計算SOC；

當(dāng)電流滿足此條件時，返回步驟S3。

進(jìn)一步，所述冗余輔助模塊開啟的條件，即

根據(jù)油門/剎車的開度變化速度，開啟/關(guān)閉冗余輔助模塊估算SOC；

當(dāng)油門/剎車的開度變化速度超過預(yù)設(shè)閾值時，開啟冗余輔助模塊供電電源，啟動冗余輔助模塊估算SOC；以及

當(dāng)油門/剎車的開度變化速度未超過預(yù)設(shè)閾值時，關(guān)閉冗余輔助模塊供電電源，降低功耗，并由BMS主模塊估算SOC。

進(jìn)一步，所述高壓區(qū)擬合關(guān)系式為：

y＝a₁*X⁴+a₂*X³+a₃*X²+a₄*X+a₅；

所述低壓區(qū)擬合關(guān)系式為：

y＝b₁*X⁴+b₂*X³+b₃*X²+b₄*X+b₅；

其中，a₁、a₂、a₃、a₄和a₅；b₁、b₂、b₃、b₄和b₅均為擬合系數(shù)，兩擬合關(guān)系式中x為單體電壓值，y為OCV-SOC曲線中對應(yīng)的SOC值；以及

所述BMS主模塊和冗余輔助模塊均采用安時積分法計算SOC，其中

通過安時積分法計算SOC，即

設(shè)采集電流為I，且充電為正，放電為負(fù)；

SOC的初值為SOC_imit，使用安時積分法，即

計算SOC，將公式(1)離散化，前一次的SOC累積值為SOC₁，采樣時間為Δt，待獲取的累計值記為SOC，得到公式(2)，即：

SOC＝SOC₁+I*Δt (2)；

對公式(2)進(jìn)一步形變，即

設(shè)第k次電流采樣時，采樣電流I_k+1，經(jīng)過安時積分的時間步長Δt后，第k+1次采樣，采樣電流為I_k+1，k≥0，則公式(2)修正為公式(3)如下：

并且，BMS主模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₁大于冗余輔助模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₂。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的考慮電池電壓平臺區(qū)的電壓變化小的特性及電池電壓采樣精度的問題，在電壓平臺區(qū)僅使用安時積分法對SOC進(jìn)行估計，去除了因平臺區(qū)的電壓變化小及電壓采樣精度的問題帶來的誤差；在低壓區(qū)和高壓區(qū)，電池電壓變化幅度大，宜采用開路電壓法與安時積分法結(jié)合估計SOC，同時采用冗余輔助模塊，在特定的情況下可以進(jìn)一步提高估算精度。該方法簡單有效，在光伏、家庭儲能、電動汽車等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

圖1為鋰電池的OCV-SOC曲線；

圖2為電池管理系統(tǒng)冗余輔助模塊的原理框圖；

圖3為電池管理系統(tǒng)冗余輔助模塊的流程圖；

圖4為電池管理系統(tǒng)中關(guān)于SOC估算的流程圖；

圖5a和圖5b分別是鋰電池高壓區(qū)和低壓區(qū)擬合曲線；

圖6為測試對比曲線。

具體實施方式

現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。

按照本發(fā)明的技術(shù)方案的原理：基于對開路電壓曲線的特性分析，結(jié)合電池電壓采樣的精度關(guān)系，在電壓平臺區(qū)僅使用安時積分法對SOC進(jìn)行估計，去除因平臺區(qū)的電壓變化小及電壓采樣精度的問題帶來的誤差；在低壓區(qū)和高壓區(qū)，電池電壓變化幅度大，采用開路電壓法與安時積分法結(jié)合估計SOC。為了降低安時積分法帶來的累積誤差，本發(fā)明中采用帶有修正項的安時積分法，同時，根據(jù)采樣電流微分的絕對值(典型的，根據(jù)油門/剎車的開度變化速度)，開啟/關(guān)閉積分采樣時間更短的冗余輔助模塊估算SOC。本發(fā)明所涉及典型電池為鋰電池，但不限于鋰電池。

實施例1

MATLAB中選取鋰電池模型，獲取OCV-SOC曲線，如圖1所示，電壓平臺區(qū)對應(yīng)的曲線斜率變化緩慢，而且平臺區(qū)對應(yīng)的SOC跨度較大。結(jié)合當(dāng)前電壓的采樣精度，本發(fā)明在該平臺區(qū)僅使用安時積分法計算SOC；在低壓區(qū)和高壓區(qū)，OCV-SOC曲線的斜率變化較大，因此，均采用開路電壓法與安時積分法結(jié)合以估計SOC。

在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了一種電池荷電狀態(tài)的估算方法，包括：將電池對應(yīng)的OCV-SOC曲線劃分為電壓平臺區(qū)和低壓、高壓區(qū)；其中所述電壓平臺區(qū)使用安時積分法計算SOC。

可選的，所述低壓、高壓區(qū)均采用開路電壓法與安時積分法結(jié)合以估計SOC。

具體的，在電壓平臺區(qū)使用安時積分法計算SOC的方法包括：

設(shè)采集電流為I，且充電為正，放電為負(fù)；

SOC的初值為SOC_imit，使用安時積分法，即

計算SOC，將公式(1)離散化，前一次的SOC累積值為SOC₁，采樣時間為Δt，待獲取的累計值記為SOC，得到公式(2)，即：

SOC＝SOC₁+I*Δt (2)；

對公式(2)進(jìn)一步形變，即

設(shè)第k次電流采樣時，采樣電流I_k+1，經(jīng)過安時積分的時間步長Δt后，第k+1次采樣，采樣電流為I_k+1，k≥0，則公式(2)修正為公式(3)如下：

實施例2

在實施例1基礎(chǔ)上，本實施例2提供了一種電池荷電狀態(tài)的估算裝置，包括：

檢測電池狀態(tài)的BMS主模塊和冗余輔助模塊；其中通過電流采樣信號觸發(fā)BMS主模塊，以將SOC值發(fā)送至冗余輔助模塊進(jìn)行安時積分計算SOC。

圖2所示，為電池管理系統(tǒng)中冗余輔助模塊部分的原理框圖。圖中關(guān)于BMS其他的外圍模塊、接口等未畫出。電流采樣信號分別接入BMS主模塊(簡稱主模塊)和冗余輔助模塊，兩者之間由通訊接口連接，本電池管理系統(tǒng)供電經(jīng)過開關(guān)K控制冗余輔助模塊的供電。冗余輔助模塊的SOC估算方法流程圖如圖3所示，兩者安時積分算法中不同的是：主模塊中SOC的安時積分的時間步長為Δt₁(典型的10ms，但不限于)；冗余輔助模塊中SOC的安時積分的時間步長為Δt₂(典型的1ms，但不限于)，(Δt₂＜Δt₁，易知冗余輔助模塊的安時積分法精度比主模塊的估算精度高)。

具體的，通過安時積分法計算SOC，即所述安時積分法如實施例1所示，并且，BMS主模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₁大于冗余輔助模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₂。

實施例3

所述估算裝置在電動汽車場合的應(yīng)用，在實施例1和實施例2基礎(chǔ)上，本實施例3提供過了一種電動汽車用電池管理系統(tǒng)，包括：如實施例2所述的估算裝置，以及當(dāng)油門/剎車的開度變化速度超過預(yù)設(shè)閾值時，電流采樣信號發(fā)生變化，以觸發(fā)BMS主模塊將SOC值發(fā)送至冗余輔助模塊進(jìn)行安時積分計算SOC。

實施例4

在實施例1和實施例2基礎(chǔ)上，本實施例4提供了一種用于電池管理系統(tǒng)的SOC估算方法，包括如下步驟：

圖4是主模塊SOC的估算流程圖，估算步驟如下：

步驟Sa、系統(tǒng)上電，主芯片初始化，獲取上次下電的時間t₁，讀取本次上電時間t₂，計算時間差t＝t₂-t₁；獲取上次下電時對應(yīng)的SOC值作為SOC的初值；

步驟Sb、判斷時間差t是否大于時間閾值1h，大于則繼續(xù)執(zhí)行，否則進(jìn)入步驟Sd；

步驟Sc、t大于時間閾值，即可認(rèn)為電池靜置了足夠長的時間，可進(jìn)行OCV-SOC校正：

(1)將SOC初值與OCV-SOC曲線比較，若處于平臺區(qū)，則進(jìn)入步驟Sd；

(2)否則進(jìn)入步驟Se；

步驟Sd、將當(dāng)前SOC作為初值，進(jìn)入步驟Sf；

步驟Se、根據(jù)獲取到的電壓，首先判斷是否達(dá)到設(shè)定的電壓上下極限：

(1)如果到達(dá)電壓是上限或下限，則對應(yīng)的將SOC值賦為100或0；

(2)否則根據(jù)電壓范圍，處于高壓區(qū)時，由高壓區(qū)擬合關(guān)系式計算SOC，處于低壓區(qū)時，由低壓區(qū)擬合關(guān)系式計算SOC，進(jìn)入步驟Sf；

步驟Sf、判斷冗余輔助模塊是否開啟，如未開啟則進(jìn)入步驟Sg；如開啟則進(jìn)入步驟Sj；

步驟Sg、判斷是否開啟冗余輔助模塊的條件成立：

(1)如果成立，則開啟冗余輔助模塊電源開關(guān)K，與冗余輔助模塊通訊，將主模塊的SOC值發(fā)送到冗余輔助模塊，作為冗余輔助模塊中安時積分算法的SOC初值，進(jìn)入步驟Sf；

(2)如果不成立，則進(jìn)入步驟Sh；

步驟Sh、獲取電池電流值；

步驟Si、判斷電流是否長時間處于足夠小的狀態(tài)，接近靜置或處于靜置狀態(tài)：

(1)電流不滿足此條件時，計時器清零，通過安時積分計算SOC；

(2)電流滿足此條件時，計時器清零，返回步驟Sc；

步驟Sj、判斷是否關(guān)閉冗余輔助模塊的條件成立：

(1)如果成立，則與冗余輔助模塊通訊，獲取冗余輔助模塊SOC作為主模塊當(dāng)前的SOC值，發(fā)送關(guān)閉命令，并關(guān)閉冗余輔助模塊電源，進(jìn)入步驟Sh；

(2)如果不成立，則等待條件成立，同時與冗余輔助模塊通訊，在通訊中斷中獲取冗余輔助模塊SOC作為主模塊當(dāng)前的SOC值。

具體的，所述高壓區(qū)擬合關(guān)系式為：

y＝a₁*X⁴+a₂*X³+a₃*X²+a₄*X+a₅；

所述低壓區(qū)擬合關(guān)系式為：

y＝b₁*X⁴+b₂*X³+b₃*X²+b₄*X+b₅；

其中，a₁、a₂、a₃、a₄和a₅；b₁、b₂、b₃、b₄和b₅均為擬合系數(shù)，兩擬合關(guān)系式中x為單體電壓值，y為OCV-SOC曲線中對應(yīng)的SOC值；

以下通過具體數(shù)值表示高壓區(qū)擬合關(guān)系式：

y＝-2476.2422763*x⁴+42400.578789*x³-272205.4248*x²+776533.57498*x-830482.097；

以下通過具體數(shù)值表示低壓區(qū)擬合關(guān)系式：

y＝526.246684*x⁴-7271.241977*x³+37640.01547*x²-86505.2571*x+74467.72768458；

上述擬合系數(shù)均通過Matlab選取鋰電池模型從若干測量值中擬合得出。

所述BMS主模塊和冗余輔助模塊均采用安時積分法計算SOC，所述安時積分法如實施例1所述。

并且，BMS主模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₁大于冗余輔助模塊對應(yīng)的安時積分的時間步長Δt₂。

所述冗余輔助模塊開啟的條件，即

根據(jù)油門/剎車的開度變化速度，開啟/關(guān)閉冗余輔助模塊估算SOC；

當(dāng)油門/剎車的開度變化速度超過預(yù)設(shè)閾值時，開啟冗余輔助模塊供電電源，啟動冗余輔助模塊估算SOC；以及

當(dāng)油門/剎車的開度變化速度未超過預(yù)設(shè)閾值時，關(guān)閉冗余輔助模塊供電電源，降低功耗，并由BMS主模塊估算SOC。

仿真結(jié)果測試。

圖6中的曲線1為全程采用安時積分法+開路電壓法的仿真結(jié)果，曲線2為平臺區(qū)只使用安時積分法，高壓區(qū)和低壓區(qū)使用安時積分法+開路電壓法的仿真結(jié)果，曲線3為SOC真實值。在仿真過程中，依次在低壓區(qū)、平臺區(qū)和高壓區(qū)斷電，加入相同的電壓采集誤差，形成了圖中所示的區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3。圖6中的區(qū)域仿真過程如下：

1、在低壓區(qū)，即圖6中的區(qū)域1，OCV-SOC曲線變化快速，采樣誤差不足以使SOC的仿真值偏離真實值很多，兩種方法的差距基本一致，在區(qū)域1中相互重疊；

2、在平臺區(qū)，即圖6中的區(qū)域2，OCV-SOC曲線變化緩慢，曲線2采用本發(fā)明所描述的方法，曲線1未采用本發(fā)明所描述的方法，與過程1中同樣的采用誤差，在平臺區(qū)帶來的SOC誤差極大(在本仿真數(shù)據(jù)中，誤差△SOC>5％)，從圖中可看出，經(jīng)過發(fā)明的估算方法后，在平臺區(qū)有較高的精度；

3、在高壓區(qū)，即圖6中的區(qū)域3，OCV-SOC曲線變化快速，采樣誤差不足以使SOC的仿真值偏離真實值很多，兩種方法的差距基本一致。

根據(jù)測試結(jié)果，可以得出本發(fā)明適于根據(jù)對電池的特性進(jìn)行分析，在高壓區(qū)和低壓區(qū)使用開路電壓法與安時積分法結(jié)合，在平臺區(qū)使用安時積分法，有效的避免了由于測量誤差帶來的SOC初值估算誤差，實驗驗證顯示，本發(fā)明所描述的方法，可以較大的簡化SOC估算并且能有效提高SOC估算精度。同時當(dāng)電流突然變化時，采用冗余輔助模塊進(jìn)行更加精確的積分估算，進(jìn)一步提高了精度。

以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完全可以在不偏離本項發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項發(fā)明的技術(shù)性范圍并不局限于說明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來確定其技術(shù)性范圍。