本發(fā)明涉及電動汽車電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池soc在線估計方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著空氣質(zhì)量的日益惡化以及石油資源的漸趨匱乏，新能源汽車，尤其是純電動汽車成為當(dāng)今世界各大汽車公司的開發(fā)熱點。動力電池組作為電動汽車的關(guān)鍵部件，動力電池soc被用來直接反應(yīng)電池的剩余電量，是整車控制系統(tǒng)制定最優(yōu)能量管理策略的重要依據(jù)，動力電池soc值的準(zhǔn)確估計對于提高電池安全可靠性、提高電池能量利用率、延長電池壽命具有重要意義。

總體來看，soc在線估計技術(shù)分為兩大類。第一類方法是通過能量守恒關(guān)系以及電池的物理特性，如電池的充放電電流、開路電壓等來計算電池剩余容量，常見的有開路電壓法、安時積分法等。第二類方法則是先對電池建立數(shù)學(xué)模型，然后基于所建立的電池模型，以及測量得到的電池工作時的充放電電流、端電壓等數(shù)據(jù)，按照所選某種算法的原理間接估計出電池的soc，常見的有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法及其相關(guān)衍生算法等。

第一類方法原理簡單，但實際應(yīng)用過程中具有較強的局限性，例如開路電壓法只能用于離線估計，而安時積分法的累積誤差不可避免。第二類方法的優(yōu)點是在線估計精度高且具有較好的魯棒特性，對測量元件的精度不做過高要求，缺點在于對電池模型精度依賴高、需要大量的數(shù)學(xué)運算且算法的可移植性較差。截至2016年底，我國約30家公司生產(chǎn)的電池管理系統(tǒng)soc在線估計方法多以安時積分法為主，誤差在8%左右；第二類方法的研究成果主要應(yīng)用在實驗室，soc在線估計誤差可達5%左右，未來，有必要結(jié)合這兩類方法的優(yōu)缺點對soc估計的精度及其可靠性進一步研究。

本發(fā)明根據(jù)安時積分法的成本低，測量方便等優(yōu)點，采用安時積分法作為soc估計算法，并且基于不同溫度，不同內(nèi)阻，不同充放電倍率，建立三維離線模型，對安時積分法累積誤差進行分段矯正，有效消除安時積分法累積誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明根據(jù)安時積分法的成本低，測量方便等優(yōu)點，采用安時積分法作為soc估計算法，并且基于不同溫度，不同內(nèi)阻，不同充放電倍率，建立三維離線模型，對安時積分法累積誤差進行分段矯正，有效消除安時積分法累積誤差，具體方案為：

一種基于模型參數(shù)分段矯正的鋰電池soc在線估計方法，是指基于電池溫度，電池內(nèi)阻（用于獲取soh值），電池工作電流條件下的soc真實值，建立三維離線模型；根據(jù)三維離線模型的soc真實值，對安時積分法得到的soc估計值的累積誤差進行分段消除，最終得到soc修正值。

進一步的，該方法包含以下步驟：

s1、由電池內(nèi)阻獲取電池當(dāng)前soh值，結(jié)合電池當(dāng)前溫度t，確定電池當(dāng)前最大可用容量cn；

s2、利用安時積分法在線估算電池當(dāng)前soc估計值；

s3、根據(jù)電池當(dāng)前溫度t、電池當(dāng)前soh值以及soc=0.1n時的估計值，啟動三維離線模型，結(jié)合采樣的電流i、端電壓u，計算開路電壓ocv；式中n為1～9的整數(shù)；

s4、根據(jù)電池當(dāng)前溫度t、電池當(dāng)前soh值、開路電壓ocv、ocv-soc標(biāo)定曲線，獲得當(dāng)前soc真實值；

s5、以當(dāng)前soc真實值矯正步驟s2得到的當(dāng)前soc估計值，繼續(xù)使用步驟s2中的安時積分法進行估算；

重復(fù)s3，s4，s5。

進一步的，步驟s1中由電池當(dāng)前溫度t、電池當(dāng)前soh值獲取電池當(dāng)前工作狀態(tài)下的實際可用容量，用其修正電池當(dāng)前最大可用容量cn=soh*qn，式中qn為電池額定容量，并將其用于安時積分法中的除數(shù)項。

進一步的，所述步驟s3包括如下幾個子步驟：

s31、建立鋰電池二階rc等效電路模型，包括一個電壓源，一個直流內(nèi)阻r，兩個rc并聯(lián)環(huán)路，并聯(lián)環(huán)路包括rs，cs，rp，cp；

s32、在不同溫度t、不同電池健康狀態(tài)soh，不同充放電倍率條件下，根據(jù)電池放電結(jié)束后端電壓響應(yīng)曲線，辨識三維離線模型的模型參數(shù)，建立三維的模型參數(shù)曲面；

s33、當(dāng)安時積分法估計的soc=0.1n時，根據(jù)采樣獲得的端電壓u與電流i，啟用相應(yīng)的模型參數(shù)，計算開路電壓ocv。

進一步的，所述步驟s4的ocv-soc標(biāo)定曲線，是指利用不同溫度，不同soh的條件獲取相應(yīng)的關(guān)系曲線。

進一步的，所述步驟s5，根據(jù)ocv-soc標(biāo)定曲線獲得soc真實值后，將此值作為安時積分法當(dāng)前時刻的初始值，繼續(xù)使用安時積分法在線估計，輸出最終估計值。

本發(fā)明的有益點在于：本發(fā)明采用安時積分法作為估計算法，利用不同溫度、不同電池內(nèi)阻(用于獲取電池健康狀態(tài)soh)、不同充放電倍率建立三維soc估算等效電路模型，通過模型參數(shù)矯正安時積分法soc=0.1n(n=1~9整數(shù))時的估算值，將此值作為安時積分法當(dāng)前時刻的初始值，實現(xiàn)分段消除安時積分法的累積誤差，提高soc的估計精度，實現(xiàn)了在線運算量小，方法可靠，估計準(zhǔn)確的技術(shù)效果，提高電池安全可靠性、提高電池能量利用率、延長電池壽命。

附圖說明

為了更加清楚的說明本發(fā)明的原理與實施中的技術(shù)方案，下面將對本發(fā)明涉及的技術(shù)方案使用圖作進一步的介紹，以下圖僅僅是本發(fā)明的部分實施例子，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下可以根據(jù)以下圖獲得其他的技術(shù)方案。

圖1是本發(fā)明的原理框圖；

圖2是鋰電池二階rc等效電路模型；

圖3是鋰電池放電結(jié)束端電壓響應(yīng)曲線圖；

圖4是鋰電池放電結(jié)束端電壓響應(yīng)曲線擬合圖；

圖5是25℃、soh=1條件下ocv-soc標(biāo)定曲線；

圖6是25℃、soh=1條件下本發(fā)明方法的計算機仿真結(jié)果。

具體實施方式

如圖1所示，一種基于模型參數(shù)分段矯正的鋰電池soc在線估計方法，采用安時積分法作為估計算法，利用不同溫度、不同電池內(nèi)阻(用于獲取電池健康狀態(tài)soh)、不同充放電倍率建立三維soc估算等效電路模型，通過模型參數(shù)矯正安時積分法的soc估算值，分段消除安時積分法的累積誤差，提高soc的估計精度，實現(xiàn)了在線運算量小，方法可靠，估計準(zhǔn)確的技術(shù)效果，提高電池安全可靠性、提高電池能量利用率、延長電池壽命。

所述基于模型參數(shù)分段矯正的鋰電池soc在線估計方法，包含以下步驟：

s1、由電池內(nèi)阻獲取電池soh的值，結(jié)合溫度條件，確定電池當(dāng)前最大可用容量cn。

s2、利用安時積分法在線估算soc值。

s3、根據(jù)采樣溫度t、soh以及soc=0.1n（n為1~9的整數(shù)）時的估計值，啟動對應(yīng)的離線模型參數(shù)，結(jié)合采樣的電流i，端電壓u，計算當(dāng)前的開路電壓ocv。

s4、根據(jù)不同溫度、不同soh條件下的ocv-soc標(biāo)定曲線，獲得當(dāng)前soc真實值。

s5、以soc真實值矯正安時積分法估計值，繼續(xù)使用安時積分法估算。

s6、輸出soc真實值。

重復(fù)s3，s4，s5。

所述的基于模型參數(shù)分段矯正的鋰電池soc在線估計方法，用soh、溫度修正當(dāng)前最大可用容量cn，并將cn用于安時積分法中的除數(shù)項。

所述安時積分法的公式為，，其中為soc估計值，為soc初始值，為電池電流。

所述步驟s3包括如下幾個子步驟：

s31、建立鋰電池二階rc等效電路模型，包括一個電壓源，一個直流內(nèi)阻r，兩個rc并聯(lián)環(huán)路（rs，cs，rp，cp）。如圖2所示。

該模型由三部分組成：

電壓源：用開路電壓表示動力電池的電動勢。

歐姆電阻：用表示電池的歐姆電阻，由電極材料、電解液及其他電阻組成。圖3中區(qū)域一所示電壓變化即是的作用。

環(huán)路：用兩個阻容環(huán)節(jié)疊加的方式來模擬電池的極化過程，用于模擬電池放電結(jié)束，電壓突變后趨于穩(wěn)定的過程。圖3中區(qū)域二所示電壓變化即為二階阻容環(huán)路的作用。

如圖2所示等效電路模型函數(shù)關(guān)系如下：

(1)

對（1）式離散化，解得狀態(tài)方程為：(2)

(3)

其中：

(4)

s32、在不同溫度t、不同電池健康狀態(tài)soh，不同充放電倍率條件下，根據(jù)電池放電結(jié)束后端電壓響應(yīng)曲線，辨識模型參數(shù)，建立三維的模型參數(shù)曲面。

所述方法需要的模型參數(shù)包括：相同溫度，相同內(nèi)阻，不同充放電倍率條件下的模型參數(shù)；相同溫度，不同內(nèi)阻，不同充放電倍率條件下的模型參數(shù)；不同溫度，不同內(nèi)阻，不同充放電倍率條件下的模型參數(shù)。根據(jù)電池放電結(jié)束后端電壓變化曲線，對電池等效模型進行參數(shù)辨識，獲得各個不同狀態(tài)下模型參數(shù)r，rs，cs，rp，cp。

如圖4所示為電池放電結(jié)束端電壓響應(yīng)曲線示意圖。

這個過程是放電結(jié)束后，電池內(nèi)部歐姆電阻上產(chǎn)生的壓降消失的過程，由此可得電池歐姆電阻。用兩個阻容環(huán)節(jié)疊加的方式來模擬電池的極化過程。和組成的并聯(lián)電路時間常數(shù)較小，用于模擬電池在電流突變時電壓快速變化的過程，和的時間常數(shù)較大，用于模擬電壓緩慢變化的過程。

假設(shè)電池在期間先放電一段時間，然后剩余時間內(nèi)處于靜置狀態(tài)，其中、、分別為放電開始時刻、放電停止時刻和靜置停止時間，在此過程中rc網(wǎng)路電壓為：

(5)

(6)

電池在放電期間，極化電容和處于充電狀態(tài)，并聯(lián)電路的電壓呈指數(shù)上升，電池從放電狀態(tài)進入靜置后，電容和分別向各自的并聯(lián)電阻放電，電壓呈指數(shù)下降，，為兩個并聯(lián)電路的時間常數(shù)，模型中的電阻和電容都不是常數(shù)，它們與電池當(dāng)前狀態(tài)的soc值和充放電電流值大小有關(guān)。階段電壓變化是由電池的極化效應(yīng)消失引起的，在此過程中電池的電壓輸出為：,可以簡化寫為：，此形式即可用matlab進行二次指數(shù)項數(shù)據(jù)擬合。求出之后，，，,，據(jù)此可以辨識出、、、的值。

s33、根據(jù)采樣獲得的端電壓u與電流i，在不同狀態(tài)下啟用相應(yīng)的模型離線參數(shù)，計算當(dāng)前開路電壓（ocv）。

所述步驟s4的ocv-soc標(biāo)定曲線，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定過程后，利用不同溫度、不同soh條件下，放電倍率0.2c時的ocv-soc曲線作為標(biāo)定曲線。

選擇的實驗對象為松下旗下三洋公司生產(chǎn)的18650型圓柱形電池，額定容量為2600mah，額定電壓為3.7v，充電截止電壓為4.2v，放電截止電壓為2.75v。本文對電池的充放電實驗是在soh=1，25℃恒溫條件下進行的，分別標(biāo)定0.2c、0.3c、0.4c、0.5c、0.6c、0.75c、1c恒流間歇放電條件下的ocv-soc曲線。

每組標(biāo)定步驟如下：

采用先恒流（0.2c）后恒壓（截止電壓4.25v）的方式對電池進行充電；

對電池進行恒流恒容量（260mah）放電；

放電結(jié)束，靜置1小時以消除電池極化效應(yīng)；

重復(fù)步驟，至電池放電結(jié)束。

如圖5所示為標(biāo)定實驗結(jié)果曲線。從圖中可以看出，在soc大于10%時，各條曲線幾乎重合，說明在同樣的溫度（25℃）、soh（新電池）條件下，不同放電倍率對應(yīng)的ocv-soc關(guān)系曲線相似，可以用其中任意一條曲線代表此溫度下ocv-soc曲線，本文選取0.2c恒流間歇放電條件下的ocv-soc曲線作為參考曲線，利用matlab六次多項式數(shù)據(jù)擬合，可得：

voc=a1soc6+a2soc5+a3soc4+a4soc3+a5soc2+a6soc+a7(7)

其中:a1=-34.72，a2=120.7，a3=-165.9，a4=114.5，a5=?40.9，a6=7.31，a7=3.231.

所述步驟s5，當(dāng)soc輸出值為0.1n（n為1~9的整數(shù)）時，根據(jù)ocv-soc曲線獲得soc(t)真實值后，將此值作為初始值替代安時積分法公式中的，繼續(xù)使用安時積分法在線估計。并將該值輸出為soc算法此刻的估計值。

在采用在線soc估計方法前，需要有以下準(zhǔn)備工作。

1.鋰電池ocv-soc標(biāo)定。

如步驟s4所述。

2.soh的獲取

soh用電池的內(nèi)阻來表示，通過電池內(nèi)阻變化大小來估計電池壽命，下面是soh的表達式：

(8)

為鋰電池在壽命完結(jié)時的內(nèi)阻大小，為鋰電池出廠時的內(nèi)阻大小，為電池在使用過程中測得的內(nèi)阻大小，這種方法對于電動車行駛狀態(tài)不適用。根據(jù)公式，只要準(zhǔn)確的估算出，，就能計算出電池的soh值。本文以這種方法來獲得電池當(dāng)前狀態(tài)的soh值，因為在一個充放電周期中，soh值發(fā)生的變化可以忽略不計，本文以電池工作前離線獲得的soh值作為當(dāng)前整個放電狀態(tài)的soh值，從而獲取當(dāng)前放電狀態(tài)電池的實際可用容量。

3.建立鋰電池等效模型。

如圖2，本發(fā)明采用鋰電池二階rc等效模型。辨識不同溫度，不同soh，不同充放電倍率狀態(tài)下的電池模型離線參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)電池放電結(jié)束后端電壓變化曲線，對電池等效模型進行參數(shù)辨識，獲得各個不同狀態(tài)下離線模型參數(shù)數(shù)據(jù)r，rs，cs，rp，cp。

前期準(zhǔn)備工作結(jié)束。在線soc估計開始。

所述的基于模型參數(shù)分段矯正的鋰電池soc在線估計方法，用soh、溫度修正當(dāng)前最大可用容量cn，并將cn用于安時積分法中的除數(shù)項。

所述安時積分法的公式為，，其中為soc估計值，為soc初始值，為電池電流。

根據(jù)采樣溫度t、soh以及soc=0.1n（n為1~9的整數(shù)）時的估計值，啟動對應(yīng)的離線模型參數(shù)，結(jié)合采樣的電流i，端電壓u，計算當(dāng)前的開路電壓ocv。

根據(jù)ocv-soc標(biāo)定曲線，獲得當(dāng)前soc真實值。

以soc真實值矯正安時積分法估計值，用soc真實值代替安時積分法公式中的作為此刻soc的初值，繼續(xù)使用安時積分法估算。

輸出soc真實值。

如圖6所示為25℃、soh=1條件下本發(fā)明的仿真結(jié)果，可以看出，利用測量值的安時積分法誤差明顯大于分段矯正的安時積分法，隨著時間的推進，測量值安時積分的誤差越來越大，soc等于0.1的時刻，誤差達到了8%左右，而分段矯正的誤差最大值在3%左右。從仿真結(jié)果看出，本發(fā)明方法對消除累計誤差具有明顯效果。