一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種對(duì)于插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)，該方法是在運(yùn)用車(chē)載充電機(jī)進(jìn)行充電的過(guò)程中，依次恒流充電至指定的等間隔的SOC點(diǎn)，改為恒壓充電模式，待電流減小至單體均衡器設(shè)計(jì)的均衡電流時(shí)，依次臨時(shí)開(kāi)啟并關(guān)閉每個(gè)單體配置的均衡器，利用均衡器對(duì)每個(gè)單體產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合脈沖激勵(lì)，記錄其端電壓隨時(shí)間的變化曲線，代入至相應(yīng)的動(dòng)力電池直流內(nèi)阻數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出單體電池的直流內(nèi)阻和開(kāi)路電壓，然后據(jù)此計(jì)算動(dòng)力電池組的直流內(nèi)阻和開(kāi)路電壓。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單可靠，具有很高的實(shí)用性與可執(zhí)行性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】-種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗在線估算方法，屬于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力 電池電能管理領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)重要組成部分，在其使用過(guò)程中，精確掌握動(dòng)力電池狀態(tài)參 數(shù)對(duì)提高電動(dòng)汽車(chē)性能及安全，起著至關(guān)重要的作用。目前動(dòng)力電池的某些狀態(tài)參數(shù)如電 荷狀態(tài)（state of charge, S0C)，健康狀態(tài)（state of health, S0H)及功率狀態(tài)（state of power，SOP)無(wú)法通過(guò)傳感器或者其它器件直接獲得，需要聯(lián)系動(dòng)力電池電特性參數(shù)，運(yùn)用 一定的數(shù)學(xué)方法，進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。
[0003] 動(dòng)力電池組最重要也是難以直接獲取的電特性參數(shù)是電池組的直流內(nèi)阻及開(kāi)路 電壓。研究在線預(yù)測(cè)動(dòng)力電池組直流內(nèi)阻的方法具有極其重要的意義：1)有助于建立精確 的動(dòng)力電池的電特性模型；2)有助于提高電池狀態(tài)預(yù)估的準(zhǔn)確性；3)有助于電動(dòng)汽車(chē)的性 能提升及安全保障。
[0004] 目前動(dòng)力電池組直流內(nèi)阻一般都是運(yùn)用電池測(cè)試設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行離線測(cè)試獲取， 在后期的狀態(tài)估算中，將其作為恒定常數(shù)處理。而隨著電池使用時(shí)間的增加，及電動(dòng)汽車(chē)實(shí) 際運(yùn)行過(guò)程中頻繁的加速，減速，啟停等復(fù)雜的使用工況，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池組直流內(nèi)阻發(fā)生 一定的變化，離線獲取數(shù)據(jù)的方法未考慮參數(shù)的時(shí)變性，相應(yīng)的狀態(tài)參數(shù)估計(jì)精確度也逐 步降低。而國(guó)內(nèi)外至今還沒(méi)有能夠準(zhǔn)確在線預(yù)測(cè)動(dòng)力電池組直流內(nèi)阻和開(kāi)路電壓的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流 阻抗在線估算方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在線估算電池組直流阻抗的內(nèi)部參數(shù)的目的。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是：一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗在線估算 方法，包括以下步驟：
[0007] 通過(guò)車(chē)載充電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池充電，在預(yù)設(shè)的等間隔S0C點(diǎn)處恒壓小電流充電；
[0008] 利用分配給各電池單體的均衡器的開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作，產(chǎn)生正反2個(gè)方向的恒流脈 沖；
[0009] 采集各電池單體的電壓信號(hào)，對(duì)各單體電壓對(duì)時(shí)間的變化關(guān)系數(shù)據(jù)行曲線擬合， 得到擬合的曲線；
[0010] 對(duì)得到的擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，計(jì)算出各電池單體的直流阻抗及開(kāi)路電壓參 數(shù)；
[0011] 根據(jù)電池的連接形式，對(duì)得到的電池單體參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得出整個(gè)動(dòng)力 電池組直流阻抗及開(kāi)路電壓。
[0012] 將在線估算出的直流阻抗數(shù)據(jù)更新至BMS (電池管理系統(tǒng)）控制器，為后續(xù)BMS 對(duì)電池荷電狀態(tài)（state of charge, S0C)、健康狀況（state of health, S0H)提供在線更 新的數(shù)據(jù)。
[0013] 在上述技術(shù)方案中，所述車(chē)載充電機(jī)首先以恒流充電模式對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電， 并以安時(shí)積分法計(jì)算充電電量；以及每當(dāng)動(dòng)力電池充至預(yù)設(shè)的等間隔S0C點(diǎn)時(shí)，將充電模 式改成恒壓小電流充電模式。
[0014] 在上述技術(shù)方案中，所述均衡器應(yīng)采用雙向buck-boost電路來(lái)產(chǎn)生具有正負(fù)2個(gè) 方向的恒流脈沖。
[0015] 在上述技術(shù)方案中，所述buck-boost電路產(chǎn)生2個(gè)脈沖電流的時(shí)間以及中間均衡 器靜置的時(shí)間應(yīng)與混合脈沖功率特性測(cè)試要求的脈沖曲線一致。
[0016] 在上述技術(shù)方案中，BMS采集單元采集電池單體的電壓，并利用CAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳 送至BMS主控單元。
[0017] 在上述技術(shù)方案中，將脈沖放電并靜置后的電壓與脈沖充電并靜置后的電壓算數(shù) 平均值作為電池當(dāng)時(shí)的開(kāi)路電壓。
[0018] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 1、利用車(chē)載充電機(jī)與單體均衡器，在線模擬混合脈沖功率特性（hybrid pulse power characterization, HPPC)測(cè)試，區(qū)別于傳統(tǒng)的電池動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法，本發(fā)明無(wú)需 對(duì)車(chē)載動(dòng)力電池進(jìn)行拆卸，在電池充電過(guò)程中即可對(duì)電池直流阻抗進(jìn)行估算。
[0020] 2、對(duì)開(kāi)路電壓（open circuit voltage, 0CV)的估算是利用混合脈沖功率特性 (hybrid pulse power characterization, HPPC)測(cè)試中放電后靜置40s電壓值與充電后 靜置40s電壓值的算術(shù)平均值作為其值，這區(qū)別于一般傳統(tǒng)將電池工作后靜置較長(zhǎng)時(shí)間獲 取其開(kāi)路電壓的方法，具有很高的工程可操作性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021] 圖1為本發(fā)明電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法的流程圖。
[0022] 圖2為均衡器采取的雙向buck-boost電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0023] 圖3為均衡器開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中電池單體電流變化曲線。
[0024] 圖4為均衡器開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程采集的電池單體端電壓隨時(shí)間變化的曲線。
[0025] 圖5為由擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而出的開(kāi)路電壓隨S0C變化的關(guān)系圖。
[0026] 圖6為由擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而出的時(shí)間常數(shù)隨S0C變化的關(guān)系圖。
[0027] 圖7為由擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而出的極化電容隨S0C變化的關(guān)系圖。
[0028] 圖8為由擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而出的歐姆內(nèi)阻隨S0C變化的關(guān)系圖。
[0029] 圖9為由擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)而出的極化內(nèi)阻隨S0C變化的關(guān)系圖。
[0030] 圖10為采取的PNGV等效電路模型原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0032] 本實(shí)施例采用某公司生產(chǎn)的磷酸鐵鋰鋰離子單體組成的鋰離子動(dòng)力電池組，目的 是獲取其一階PNGV等效電路中的開(kāi)路電壓，歐姆內(nèi)阻，極化阻抗的電特性參數(shù)，PNGV等效 電路模型原理圖如圖10所示。
[0033] 如圖1所示，本發(fā)明電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法包括以下步 驟：
[0034] S100、車(chē)載充電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行恒流充電，在等間隔S0C點(diǎn)（本實(shí)施例取5%的 等間隔點(diǎn)，例如：5%，10%，15%，· · ·，100%)處換成恒壓小電流涓流充電，此時(shí)電壓值 與在電池測(cè)試設(shè)備上離線標(biāo)定的各等間隔S0C點(diǎn)（5%，10%，15%，· · ·，100%)處的電 壓值相同。
[0035] S200、利用分配給各電池單體的均衡器的開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作，產(chǎn)生正反2個(gè)方向的恒 流脈沖。
[0036] 本實(shí)施例中電池組均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，回路由電感與場(chǎng)效應(yīng)管組成典 型的雙向buck-boost電路。階段1 :開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管Q1，能量由電池 Β1存儲(chǔ)至電感L1中，閉合 Q1、開(kāi)啟Q2,此時(shí)存儲(chǔ)在電感L1中的能量傳遞至相鄰的電池 B2,控制恒流大小0. 1C，持續(xù)時(shí) 間10s，由此產(chǎn)生由電池 B1至B2的0. 1C脈沖電流。階段2 :保持40s之后，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 已設(shè)計(jì)為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，利用相同的原理產(chǎn)生〇. 1C的逆向脈沖，將由B1傳至B2的脈沖能量返 回B1。在這整個(gè)過(guò)程中，車(chē)載充電機(jī)以恒壓模式小電流涓流對(duì)電池組充電，來(lái)彌補(bǔ)由開(kāi)啟、 閉合均衡器而帶來(lái)的能量消耗，故可以認(rèn)為此時(shí)的S0C保持恒定。
[0037] S300、記錄各S0C點(diǎn)處端電壓隨時(shí)間變化曲線，運(yùn)用曲線擬合工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最 小2乘擬合，得到類(lèi)似混合脈沖功率特性（hybrid pulse power characterization，HPPC) 曲線，該曲線如圖3所示。
[0038] S400、用以下公式對(duì)得到的HPPC擬合曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，各電壓值及時(shí)間點(diǎn)如附 圖3、附圖4所示，得出各S0C點(diǎn)處直流阻抗各參數(shù)值，得到開(kāi)路電壓、時(shí)間常數(shù)、極化電容、 歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻分別如圖5?8所示。
[0039] 開(kāi)路電壓：

【權(quán)利要求】
1. 一種電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗及開(kāi)路電壓的在線估算方法，其特征在于，包括 以下步驟： 通過(guò)車(chē)載充電機(jī)對(duì)動(dòng)力電池充電，在預(yù)設(shè)的等間隔SOC點(diǎn)處恒壓小電流充電； 利用分配給各電池單體的均衡器的開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作，產(chǎn)生正反2個(gè)方向的恒流脈沖； 采集各電池單體的電壓信號(hào)，對(duì)各單體電壓對(duì)時(shí)間的變化關(guān)系數(shù)據(jù)行曲線擬合，得到 混合脈沖功率特性曲線； 對(duì)得到的擬合的曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，計(jì)算出各電池單體的直流阻抗及開(kāi)路電壓參數(shù)； 根據(jù)電池的連接形式，對(duì)得到的電池單體參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而得出整個(gè)動(dòng)力電池 組直流阻抗及開(kāi)路電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在 于：所述車(chē)載充電機(jī)首先以恒流充電模式對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電，并以安時(shí)積分法計(jì)算充電 電量，每當(dāng)動(dòng)力電池充至預(yù)設(shè)的等間隔SOC點(diǎn)時(shí)，將充電模式改成恒壓小電流充電模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在 于：所述均衡器應(yīng)采用雙向buck-boost電路來(lái)產(chǎn)生具有正負(fù)2個(gè)方向的恒流脈沖。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在 于：所述buck-boost電路產(chǎn)生2個(gè)脈沖電流的時(shí)間以及中間均衡器靜置的時(shí)間應(yīng)與混合脈 沖功率特性測(cè)試要求的脈沖曲線一致。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在 于：通過(guò)BMS采集單元采集電池單體的電壓，并利用CAN網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至BMS主控單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在 于：將脈沖放電并靜置后的電壓與脈沖充電并靜置后的電壓算數(shù)平均值作為電池當(dāng)時(shí)的開(kāi) 路電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組直流阻抗的在線估算方法，其特征在于 BMS利用以下公式估算出各個(gè)電池單體的直流阻抗和開(kāi)路電壓： 開(kāi)路電壓：
(1) 時(shí)間常數(shù)τ :
(2) 電容Cb : 式中，AmpSec為額定容量，Uoc為開(kāi)路電壓； 歐姆內(nèi)阻： (3) (4)
(5) 然后，根據(jù)電池單體連接形式，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算得出整個(gè)電池組的直流阻抗和開(kāi)路電壓， 具體計(jì)算過(guò)程如下： 電池組總開(kāi)路電壓為：
上式中，h為開(kāi)始脈沖放電開(kāi)始時(shí)刻，t2為放電截止時(shí)刻，t3為靜置開(kāi)始時(shí)刻，t4為靜 置結(jié)束時(shí)刻，t5為脈沖充電截止時(shí)刻；對(duì)應(yīng)的取h時(shí)刻末電壓值為仏，電壓驟降之后的值為 U/，t2時(shí)刻電壓值為U2, t3時(shí)刻電壓值為U3, t4時(shí)刻電壓值為U4, t5時(shí)刻電壓值為U5，充電 靜置之后電壓值為U6。
【文檔編號(hào)】G01R27/02GK104122447SQ201410299872
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】杜常清, 張馳, 趙奕凡, 顏伏伍 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)