[發明專利]一種用于估算和修正錳酸鋰串聯電池包SOC值的方法

有效

• 申請號: 201510456211.0
• 申請日: 2015-07-29
• 公開（公告）號: CN105068011B
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發明（設計）人: 劉蔚;劉全周;李占旗;晏江華;戎輝;龔進峰;趙東欣;陳慧鵬
• 申請（專利權）人: 中國汽車技術研究中心
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36
• 代理公司: 天津濱海科緯知識產權代理有限公司 12211
• 代理人: 楊慧玲

1.一種用于估算和修正錳酸鋰串聯電池包SOC值的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟(1)：定義錳酸鋰串聯電池包在充放電的運行過程中的基本概念；步驟(1)中定義的基本概念具體包括：

基本概念(1)：基本靜置：電池不充電也不放電，通過電池電流為0；

基本概念(2)：充分靜置：靜置時間至少3小時以上，15小時以內；

基本概念(3)：電池端電壓U：在電池正負極上直接測量得到的電壓差；

基本概念(4)：電池開路電壓Uocv：電池充分靜置后，端電壓幾乎不再變化時的值，得到準確的Uocv只能通過充分靜置電池后測量電池端電壓U即等于Uocv；

基本概念(5)：電池歐姆電壓Uom：有電流通過時，由于電池電阻造成的電壓變化值；

基本概念(6)：電池極化電壓Up：有電流通過時，由于電池內部極化效應造成的電壓變化值；

基本概念(7)：電池單體SOC-OCV曲線：電池SOC值和Uocv值的對應關系，它受外界溫度和電池老化程度影響較小，基本不改變；

基本概念(8)：電池容量：電池儲存的電量；

基本概念(9)：單體電池額定容量：在設計規定的條件下，電池能放出的最低容量；

基本概念(10)：一次電池循環：電池管理系統處于喚醒狀態，即工作時段下對應的電池充電、放電和靜置的變化過程，若電池管理系統進入休眠或者斷電狀態，一次電池循環結束，待電池管理系統恢復喚醒狀態后啟動下一次電池循環；

基本概念(11)：修復性充電：可人為設定的充電方式，將充電過程分為三個階段，修復性充電第一階段——充電前靜置3小時，修復性充電第二階段——標準恒流恒壓充電，修復性充電第三階段——充電后靜置3小時；

基本概念(12)：單體電池放完電：指單體電池放電到電池的開路電壓Uocv等于放電截止電壓的狀態；

基本概念(13)：單體電池充滿電：指單體電池充電到電池的開路電壓Uocv等于充電截止電壓的狀態；

基本概念(14)：單體電池最大可用容量Qimax：指單體電池從充滿電狀態放電至放完電狀態過程中放出的容量；

基本概念(15)：單體電池剩余容量Qidischarge：單體電池從當前狀態到放完電狀態過程中放出的容量；

基本概念(16)：單體電池可充容量Qicharge：單體電池從當前狀態到充滿電狀態過程中吸收的容量；

基本概念(17)：電池包剩余容量Qdischarge：等于電池包n節串聯單體中Qidischarge的最小值；

基本概念(18)：電池包可充容量Qcharge：等于電池包n節串聯單體中Qicharge的最小值；

基本概念(19)：電池包最大可用容量Qmax：電池包剩余容量Qdischarge和電池包可充容量Qcharge之和；

基本概念(20)：電池包荷電狀態SOC：電池包剩余容量Qdischarge與電池包最大可用容量Qmax的比值。

步驟(2)：定義步驟(1)內的基本概念之間的基礎運算公式；步驟(2) 所定義的基礎運算公式具體包括：

公式(1)：U＝Uocv±Uom±Up；

公式(2)：Qidischarge＝Qimax×SOCi；

公式(3)：Qicharge＝Qimax×(1-SOCi)；

Qimax＝Qidischarge+Qicharge

公式(4)：＝Qimax×SOCi+Qimax×(1-SOCi)；

公式(5)：

公式(6)：Qmax＝Qcharge+Qdischarge；

公式(7)：

公式(8)：Qdischarge＝min{Q1discharge,Q2discharge,...,Qndischarge}

＝min{Q1max×SOC1,Q2max×SOC2,...,Qnmax×SOCn}；

公式(9)：Qcharge＝min{Q1charge,Q2charge,...,Qncharge}＝min{Q1max×(1-SOC1),Q2max×(1-SOC2),...,Qnmax×(1-SOCn)}

步驟(3)：定義進行估算和修正SOC值的四種適合時機，分別是：第一適合時機、第二適合時機、第三適合時機和第四適合時機；步驟(3)中所定義的四種適合時機，分別是具體為：

第一適合時機：未對電池進行修復性充電前提下，電動車輛運行或標準恒流恒壓充電過程中有電流經過電池或者電池連續靜置時間小于3小時；

第二適合時機：未對電池進行修復性充電前提下，電池管理系統檢測到電池當下滿足連續靜置時間大于或等于3小時；

第三適合時機：人為選擇修復性充電方式；

第四適合時機：未對電池進行修復性充電前提下，將每相鄰的兩次靜置時間大于或等于3小時的靜置狀態劃分為一組，每組中包含兩種情況：第一種情況：電池管理系統第一次檢測到電池連續靜置時間大于或等于3小時，第二次檢測到電池連續靜置時間大于或等于3小時且兩次靜置狀態間隔中電池累計充或放電容量大于或等于單體電池額定容量的50％；第二種情況：電池管理系統第一次檢測到電池連續靜置時間大于或等于3小時，第二次檢測到電池連續靜置時間大于或等于3小時且兩次靜置狀態間隔中電池累計充或放電容量小于單體電池額定容量的50％；

步驟(4)：分別定義步驟(3)中的四種合適時機的估算和修正SOC值的具體算法；

步驟(5)：根據采集到的電池信息，判斷該電池信息滿足何種適合時機，并根據該種適合時機的具體方法估算和修正SOC值。

2.根據權利要求1所述的用于估算和修正錳酸鋰串聯電池包SOC值的方法，其特征在于：步驟(4)所定義的四種適合時機的具體計算方法為：

第一適合時機的算法為：利用安時積分公式在線實時計算電池包荷電狀態SOC值，不修正任何參數，具體公式為：

其中，SOCini為電池包在上一次電池循環結束時估算的SOC值，即新一次電池循環開始時SOC狀態的初始值，SOCini也是第二適合時機、第三適合時機和第四適合時機的條件滿足時，被修正的SOC值，即修正SOC值后電池啟動新一輪充電、放電和靜置狀態SOC的初始值，Qmax為電池包最大可用容量，I為電池包充放電電流，放電時電流取負值，充電時電流取正值，ΔAH表示充電或放電過程中容量的變化；

第二適合時機的算法包括的計算步驟為：

第一步，監測各單體電池端電壓，取單體Uocv值等于單體端電壓值；

第二步，根據單體Uocv值，查表SOC-OCV曲線，得到各單體電池當前荷電狀態SOCi；

第三步，不改變單體電池最大可用容量Qimax，即電池管理系統調取最近一次計算保存的Qimax值，用來修正單體電池剩余容量和可充電容量：

單體電池剩余容量:Qidischarge＝Qimax×SOCi；

單體電池可充電容量:Qicharge＝Qimax×(1-SOCi)；

第四步，修正電池包剩余容量和可充電容量：

電池包剩余容量：Qdischarge＝min{Q1discharge,Q2discharge,...,Qndischarge}

＝min{Q1max×SOC1,Q2max×SOC2,...,Qnmax×SOCn}，

電池包可充電容量：Qcharge＝min{Q1charge,Q2charge,...,Qncharge}

＝min{Q1max×(1-SOC1),Q2max×(1-SOC2),...,Qnmax×(1-SOCn)}；

第五步，修正電池包最大可用容量：Qmax＝Qcharge+Qdischarge

＝min{Q1max×SOC1,Q2max×SOC2,...,Qnmax×SOCn}

+min{Q1max×(1-SOC1),Q2max×(1-SOC2),...,Qnmax×(1-SOCn)}；

第六步，修正當前時刻電池包SOC狀態，并將其作為后續SOC在線計算的初始值：

第七步，將修正后的SOC值作為第一適合時機算法公式內的SOC狀態的初始值，再計算后續的電池包SOC值；

第三適合時機的算法：通過人為選擇“修復性充電”按鈕，電池管理系統控制充電機，包括三個階段，分別為：第一階段為充電前靜置3小時、第二階段為標準恒流恒壓充電和第三階段為充電后靜置3小時；

第一階段，充電前靜置3小時，3小時計時到，立刻監測各單體電池端電壓，取單體Uocv值等于單體端電壓值，根據單體Uocv值，查表SOC-OCV曲線，得到各單體電池當前荷電狀態，用SOCi_1st表示，同時，電池管理系統調取最近一次計算保存的單體電池最大可用容量值Qimax，帶入第二適合時機的第五步，計算出用它修正的充電前靜置3小時計時到時刻電池包最大可用容量，再用Qmax_1st帶入第二適合時機的第六步，計算出電池包荷電狀態，用SOC_1st表示，公式如下：

Qmax_1st＝＝min{Q1max×SOC1_1st,Q2max×SOC2_1st,...,Qnmax×SOCn_1st}

+min{Q1max×(1-SOC1_1st),Q2max×(1-SOC2_1st),...,Qnmax×(1-SOCn_1st)}；

SOC_1st＝(min{Q1max×SOC1_1st,Q2max×SOC2_1st,...,Qnmax×SOCn_1st})/

[min{Q1max×SOC1_1st,Q2max×SOC2_1st,...,Qnmax×SOCn_1st}

+min{Q1max×(1-SOC1_1st),Q2max×(1-SOC2_1st),...,Qnmax×(1-SOCn_1st)}]；

第二階段，充電過程中以SOC_1st為初始值帶入第一適合時機的安時積分公式計算，將計算的電池包荷電狀態用SOC_2nd表示，實時傳送到儀表進行顯示；

第三階段,充電后靜置3小時，3小時計時到，立刻監測各單體電池端電壓，取單體Uocv值等于單體端電壓值，根據單體Uocv值，查表SOC-OCV曲線，得到各單體電池當前荷電狀態，用SOCi_3rd表示，利用第二階段計算的安時積分，重點修正充電后靜置3小時計時到時刻單體電池最大可用容量，新的修正值用Qimax_prepare表示；

再用Qimax_prepare值修正充電后靜置3小時計時到時刻電池包最大可用容量Qmax_3rd和電池包SOC狀態SOC_3rd；

Qmax_3rd＝＝min{Q1max_prepare×SOC1_3rd,...,Qnmax_prepare×SOCn_3rd}

+min{Q1max_prepare×(1-SOC1_3rd),...,Qnmax_prepare×(1-SOCn_3rd)}；

SOC_3rd＝(min{Q1max_prepare×SOC1_3rd,...,Qnmax_prepare×SOCn_3rd})/

[min{Q1max_prepare×SOC1_3rd,...,Qnmax_prepare×SOCn_3rd}

+min{Q1max_prepare×(1-SOC1_3rd),...,Qnmax_prepare×(1-SOCn_3rd)}]；

然后，退出修復性充電過程，將SOC_3rd作為初始值，Qmax_3rd值替換保存電池管理系統中過去存儲的Qimax值，實時計算電池包SOC值；

第四適合時機的算法包括以下步驟：

第四適合時機的第一種情況的算法步驟為：

步驟A，未對電池進行修復性充電前提下，電池管理系統第一次檢測到電池連續靜置時間大于等于3h的時刻，取單體Uocv值等于單體端電壓值，根據單體Uocv值，查表SOC-OCV曲線，得到各單體電池當前荷電狀態，用SOCi_a表示，同時，電池管理系統調取最近一次計算保存的單體電池最大可用容量值Qimax，帶入第二適合時機的第五步和第六步，計算出電池包最大可用容量Qmax_a和電池包荷電狀態SOC_a；

Qmax_a＝＝min{Q1max×SOC1_a,Q2max×SOC2_a,...,Qnmax×SOCn_a}

+min{Q1max×(1-SOC1_a),Q2max×(1-SOC2_a),...,Qnmax×(1-SOCn_a)}；

SOC_a＝(min{Q1max×SOC1_a,Q2max×SOC2_a,...,Qnmax×SOCn_a})/

[min{Q1max×SOC1_a,Q2max×SOC2_a,...,Qnmax×SOCn_a}

+min{Q1max×(1-SOC1_a),Q2max×(1-SOC2_a),...,Qnmax×(1-SOCn_a)}]；

步驟B，電動車輛正常運行或者電池進行常規的恒流恒壓充電，以SOC_a為初始值帶入第一適合時機的安時積分公式，實時計算電池包SOC值；

步驟C,第二次檢測到電池連續靜置時間大于或等于3小時且兩次靜置狀態間隔中電池累計充或放電容量大于或等于單體電池額定容量的50％時，監測各單體電池端電壓，取單體Uocv值等于單體端電壓值； 根據單體Uocv值，查表SOC-OCV曲線，得到各單體電池當前荷電狀態，用SOCi_b表示，利用步驟B計算的安時積分重點修正當前時刻單體電池最大可用容量，新的修正值用Qimax_new表示；

再利用第二適合時機的第五步，計算電池包最大可用容量，用Qmax_new表示，再將Qmax_new帶入第二適合時機的第六步，計算電池包SOC狀態，用SOC_new表示；

Qmax_new＝＝min{Q1max_new×SOC1_b,...,Qnmax_new×SOCn_b}

+min{Q1max_new×(1-SOC1_b),...,Qnmax_new×(1-SOCn_b)}；

SOC_new＝(min{Q1max_new×SOC1_b,...,Qnmax_new×SOCn_b})/

[min{Q1max_new×SOC1_b,...,Qnmax_new×SOCn_b}

+min{Q1max_new×(1-SOC1_b),...,Qnmax_new×(1-SOCn_b)}]；

步驟D，將SOC_new作為初始值，Qmax_new值替換保存電池管理系統中過去存儲的Qmax值，帶入第一適合時機的安時積分計算公式，實時計算電池包SOC；

第四適合時機的第二種情況的算法，按照第二適合時機的計算處理方法進行運算。