CN104198947A - 一种锂离子电池剩余容量的估算系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池剩余容量的估算系统及方法，该系统包括SOC预测模块、安时积分模块、满电低电补偿模块、老化补偿模块、自放电补偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块；SOC预测模块将电压U、电流I和温度T作为输入，根据安时积分模块与初始SOC值计算基础电池剩余容量SOC1，并根据满电补偿模块、老化补偿模块、自放电补率偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块的补偿值计算最终电池剩余容量。本发明为锂离子动力电池提供一种实用的、有效可靠的剩余可用容量的估算方法，提高电池有效性和使用寿命，并降低动力电池包的售后维护周期。

Description

一种锂离子电池剩余容量的估算系统及方法

技术领域

本发明属于纯电动汽车动力电池系统技术领域，涉及一种动力锂离子电池剩余容量的估算方法。

背景技术

随着社会经济的日益发展，能源需求进一步提高，新能源技术的呼声越来越高，目前在汽车行业中，纯电动汽车和混合动力汽车技术的进一步发展解决了部分能源问题，动力电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能装置，作为纯电动汽车的动力能源，电池的运行性能的好坏直接影响到汽车的运行效率。

电池管理技术就是通过实时检测和估算电池状态、温度、电流、直流内阻、极化电压、SOC(剩余容量State-Of-Charge)、最大可用容量、老化程度以及一致性等，并据此提供电池(组)的优化使用方法，既防止电池(组)出现滥用和不合理使用，保障其使用的安全性和长寿命；又能最大限度的发挥其性能，提高车辆运行的效率、驾驶的舒适性。SOC是电池管理系统中的重要参数，它是电池电量的直接反映，一方面为司机提供续驶里程的重要信息，另一方面也为电池组的管理和维护提供重要依据，因为电池的过充、过放都会导致电池寿命的下降，甚至发生燃烧或爆炸，造成严重的后果。因此严格监控电池组的SOC是BMS(电池管理系统Battery Management System)的一项重要任务。对SOC进行实时在线估算，同时实施必要的控制，以保证电池组的安全，延长使用寿命。SOC表征电池的剩余容量，以及续航里程估算的关键。如果SOC计算误差过大，会导致如下问题：导致电池过充、过放；续航里程计算误差扩大，客户抱怨；降低电动车辆利用效率，以及电池组的使用寿命。

发明内容

针对相关技术领域文献和以上现有技术的不足，在大量现有文献研究和长期在相关领域研发实践的基础上，本发明为锂离子动力电池提供一种实用的、有效可靠的剩余可用容量的估算方法，提高电池有效性和使用寿命，并降低动力电池包的售后维护周期。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种锂离子电池剩余容量的估算系统，该系统包括SOC预测模块、安时积分模块、满电低电补偿模块、老化补偿模块、自放电补偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块；SOC预测模块将电压U、电流I和温度T作为输入，根据安时积分模块与初始SOC值计算基础电池剩余容量SOC1，并根据满电补偿模块、老化补偿模块、自放电补率偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块的补偿值计算最终电池剩余容量。

一种锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、采用安时积分法计算基础电池剩余容量SOC1；步骤二、根据自放电率计算自放电补偿修正值SOC2；步骤三、计算电池老化数补偿修正值SOC3；步骤四、计算开路电压补偿修正值SOC4；步骤五、计算单体一致性补偿修正值SOC5；步骤六、计算满电低电补偿模块修正值SOC6；步骤七、根据充放电率计算充放电补偿SOC7；步骤八、根据公式SOC＝(w1*SOC1+w2*SOC2+w3*SOC3+w4*SOC4+w5*SOC5+w6*SOC6+w7*SOC7)/(w1+w2+w3+w4+w5+w6+w7)，w1为安时积分法权重，w2为自放电补偿权重，w3为电池老化数补偿权重，w4为开路电压补偿权重，w5为单体一致性补偿权重，w4为满点补偿权重，w7为充电率放电率补偿权重。所述自放电率η1＝f(T,t)，t为时间。所述开路电压补偿修正值SOC4＝f(V，T)，其中，V为开路电压Uocv，用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃。所述充、放电率η2＝f(T，I)，其中，用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃。单体一致性补偿修正值SOC5＝f(Ucell，I，T)，其中，Ucell为SOC是单体电压。

本发明具备的有益效果是：针对SOC计算相关的影响因素，提供一种较为全面和可行的计算方法，将SOC估算值的误差范围控制在5％以内。本发明包含了与SOC计算的相关因素，电压U,电流I，温度T作为输入，是搭建SOC计算模型的基本参数。结合各类因素对SOC补偿修正，将SOC在线估算误差大大减小。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的SOC估算模型结构图；

图2为本发明具体实施方式的新电池包总压与循环次数的关系图；

图3为本发明具体实施方式的1.5W公里后电池包总压与循环次数的系图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的控制系统，相互间的连接关系，及实施方法，作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

目前应用的各种电池组SOC实时在线估算方法都存在缺陷，不能达到实际使用的要求。这主要是因为电池组的SOC和很多因素相关(如温度、前一时刻充放电状态、极化效应、电池寿命等)，而且具有很强的非线性，给SOC实时在线估算带来很大的困难。要想提高SOC实时在线估算的精度，需要在测量手段、电池模型和估算算法等方面进行深入细致研究。

本发明的具体实施方案如下：一、安时积分

净电量Q＝∫ I dt

Q的量纲与电池容量相同(安时)

SOC＝Q/Q0 Q0–标称容量

SOC＝(1/Q0)∫ I dt

积分近似为求和：SOC＝(1/Q0)∑IΔt＝(Δt/Q0)∑I

Δt：采样周期

计算SOC实质上是对采样电流求和

写成迭代形式：

SOCk+1＝SOCk+(Δt/Q0)Ik

二、自放电，老化数补偿

长期未使用的电池，存在自放电对可用容量SOC的影响，可建立不同温度下自放电率的参考数据，对SOC进行补偿，自放电率是温度T,时间t的函数，η1＝f(T,t,)。

当静置时间不是特别长时，电池会因为自放电而导致剩余容量下降，这会反映到Uocv上，所以此时BMS定时唤醒修正SOC能排除自放电的影响，提高SOC估算精度。

一方面，电池在车上实际使用时，并不像电池循环测试那样按照某个固定的工况全充全放，实际容量并不容易得到，所以在实际使用时常以额定容量代替实际容量进行SOC估算；另一方面，电池会随着循环次数和使用时间的增加而逐渐老化，实际容量减少。如不能定期对其进行更新，则SOC的估算精度无法保证。不能有效阻止电池继续放电，从而造成过放电，影响电池使用过程中的安全性、稳定性和长寿命。所以SOH(电池健康指数State Of Health)是必须考虑的一个因素。电池老化主要是和循环次数和电池包内阻，温度有关系，老化因子η＝f(NUMc,R,T，)。

三、V-I-T修正

开路电压Uocv是电压V，和温度的函数：

SOC＝f(V，T)；

这个函数列表来表示：3维表；

用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃，再分成充电放电；

BMS定时唤醒补偿SOC。

在低温、大电流充、放电，由于充、放电倍率以及温度的影响导致当前整车不能继续充、放电，或是剩余容量不能不符合电池实际情况的，这种情况下，SOC应被补偿修正。

充、放率补偿，充、放电率是温度T和电流I的函数：

η2＝f(T，I)；

这个函数列表来表示：3维表；

用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃，再分成充电放电；

四、单体一致性补偿

锂离子电池多采用串联方式连接，由于各单块蓄电池在制造、初始容量、电压、内阻以及蓄电池组中各单块蓄电池的温度等方面均不完全相同，由于这些差异的存在导致了单体性能的差异，电池在使用一段时间后，单体差异性会变大，这就会影响电池性能和寿命，因此需要定期对电池进行均衡。电池包的充、放电能力实际是取决于某一，两节单体，为了防止组内任意一只电池出现过充电和过放电，必须保证将所有单只电池的soc在可用区间内，从而保障电池组在使用过程中的安全性和长寿命。

单体一致性好坏直接影响SOC的估算，间接导致续航里程的计算，而客户最易接触和关注的便是续航里程和电量提示。

建立一致性补偿,实时最高、最低单体可用容量的判断，SOC是单体电压Ucell，电流I和温度的函数：

SOC＝f(Ucell，I，T)

可模拟建立整车实际工况的台架数据库，对SOC进行补偿。

五、满电、低电修正

电池包经过周期充、放电，有累计误差，可在充满电时进行满电修正100％，以及低电量时修正。

主要相关参数，单体电压Ucell，电池包总压U，电流I，充电机状态,SOC＝f(Ucell,U,I)。主要根据实际情况，判断满电应符合的条件，以及低电量所处状态是否处于V-SOC近似线性关系阶段。

六、SOC计算

SOC＝(w1 SOC1+w2 SOC2)/(w1+w2)

其中SOC1由库仑计数即安时积分计算所得

SOC2由补偿所得

w1库仑计数权重

w2补偿权重

加权因子w1，w2由实验决定

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的执行步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

本发明并不局限于上述特定实施例，在不脱离本发明精神及其实质情况下，本领域的普通技术人员可根据本发明做出各种相应改变和变形，这些相应对本发明进行的修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护的范围当中。

Claims (6)

1.一种锂离子电池剩余容量的估算系统，其特征在于：该系统包括SOC预测模块、安时积分模块、满电低电补偿模块、老化补偿模块、自放电补偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块；SOC预测模块将电压U、电流I和温度T作为输入，根据安时积分模块与初始SOC值计算基础电池剩余容量SOC1，并根据满电低电补偿模块、老化补偿模块、自放电补偿模块、开路电压补偿模块、一致性补偿模块、充放电补偿模块的补偿值计算最终电池剩余容量。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用安时积分法计算基础电池剩余容量SOC1；

步骤二、根据自放电率计算自放电补偿修正值SOC2；

步骤三、计算电池老化数补偿修正值SOC3；

步骤四、计算开路电压补偿修正值SOC4；

步骤五、计算单体一致性补偿修正值SOC5；

步骤六、计算满电、低电补偿修正值SOC6；

步骤七、根据充放电率计算充放电补偿SOC7；

步骤八、根据公式SOC＝(w1*SOC1+w2*SOC2+w3*SOC3+w4*SOC4+w5*SOC5+w6*SOC6)/(w1+w2+w3+w4+w5+w6+w7)，w1为安时积分法权重，w2为自放电补偿权重，w3为电池老化数补偿权重，w4为开路电压补偿权重，w5为单体一致性补偿权重，w4为满点补偿权重，w7为充电率放电率补偿权重。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于：所述自放电率η1＝f(T,t)，t为时间。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于：所述开路电压补偿修正值SOC4＝f(V，T)，其中，V为开路电压Uocv，用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于：所述充、放电率η2＝f(T，I)，其中，用温度T做参量，从-40℃到+60℃每隔10℃。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池剩余容量的估算方法，其特征在于：所述单体一致性补偿修正值SOC5＝f(Ucell，I，T)，其中，Ucell为SOC是单体电压。