CN104122447B - 一种电动汽车动力电池组直流阻抗的在线估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对于插电式混合动力电动汽车和纯电动汽车，该方法是在运用车载充电机进行充电的过程中，依次恒流充电至指定的等间隔的SOC点，改为恒压充电模式，待电流减小至单体均衡器设计的均衡电流时，依次临时开启并关闭每个单体配置的均衡器，利用均衡器对每个单体产生一个复合脉冲激励，记录其端电压随时间的变化曲线，代入至相应的动力电池直流内阻数学模型，计算出单体电池的直流内阻和开路电压，然后据此计算动力电池组的直流内阻和开路电压。本发明方法简单可靠，具有很高的实用性与可执行性。

Description

一种电动汽车动力电池组直流阻抗的在线估算方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车动力电池组直流阻抗在线估算方法，属于电动汽车动力电池电能管理领域。

背景技术

动力电池是电动汽车重要组成部分，在其使用过程中，精确掌握动力电池状态参数对提高电动汽车性能及安全，起着至关重要的作用。目前动力电池的某些状态参数如电荷状态(state of charge,SOC)，健康状态(state of health,SOH)及功率状态(state ofpower,SOP)无法通过传感器或者其它器件直接获得，需要联系动力电池电特性参数，运用一定的数学方法，进行实时估算。

动力电池组最重要也是难以直接获取的电特性参数是电池组的直流内阻及开路电压。研究在线预测动力电池组直流内阻的方法具有极其重要的意义：1)有助于建立精确的动力电池的电特性模型；2)有助于提高电池状态预估的准确性；3)有助于电动汽车的性能提升及安全保障。

目前动力电池组直流内阻一般都是运用电池测试设备对电池进行离线测试获取，在后期的状态估算中，将其作为恒定常数处理。而随着电池使用时间的增加，及电动汽车实际运行过程中频繁的加速，减速，启停等复杂的使用工况，会导致动力电池组直流内阻发生一定的变化，离线获取数据的方法未考虑参数的时变性，相应的状态参数估计精确度也逐步降低。而国内外至今还没有能够准确在线预测动力电池组直流内阻和开路电压的方法。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种电动汽车动力电池组直流阻抗在线估算方法，该方法能够实现在线估算电池组直流阻抗的内部参数的目的。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种电动汽车动力电池组直流阻抗在线估算方法，包括以下步骤：

通过车载充电机对动力电池充电，在预设的等间隔SOC点处恒压小电流充电；

利用分配给各电池单体的均衡器的开启、关闭动作，产生正反2个方向的恒流脉冲；

采集各电池单体的电压信号，对各单体电压对时间的变化关系数据行曲线拟合，得到拟合的曲线；

对得到的拟合曲线进行参数辨识，计算出各电池单体的直流阻抗及开路电压参数；

根据电池的连接形式，对得到的电池单体参数进行数学运算，从而得出整个动力电池组直流阻抗及开路电压。

将在线估算出的直流阻抗数据更新至BMS(电池管理***)控制器,为后续BMS对电池荷电状态(state of charge，SOC)、健康状况(state of health，SOH)提供在线更新的数据。

在上述技术方案中，所述车载充电机首先以恒流充电模式对动力电池进行充电，并以安时积分法计算充电电量；以及每当动力电池充至预设的等间隔SOC点时，将充电模式改成恒压小电流充电模式。

在上述技术方案中，所述均衡器应采用双向buck-boost电路来产生具有正负2个方向的恒流脉冲。

在上述技术方案中，所述buck-boost电路产生2个脉冲电流的时间以及中间均衡器静置的时间应与混合脉冲功率特性测试要求的脉冲曲线一致。

在上述技术方案中，BMS采集单元采集电池单体的电压，并利用CAN网络将数据传送至BMS主控单元。

在上述技术方案中，将脉冲放电并静置后的电压与脉冲充电并静置后的电压算数平均值作为电池当时的开路电压。

与现有的技术相比，本发明有如下优点：

1、利用车载充电机与单体均衡器，在线模拟混合脉冲功率特性(hybrid pulsepower characterization，HPPC)测试，区别于传统的电池动态特性测试方法，本发明无需对车载动力电池进行拆卸，在电池充电过程中即可对电池直流阻抗进行估算。

2、对开路电压(open circuit voltage，OCV)的估算是利用混合脉冲功率特性(hybrid pulse power characterization，HPPC)测试中放电后静置40s电压值与充电后静置40s电压值的算术平均值作为其值，这区别于一般传统将电池工作后静置较长时间获取其开路电压的方法，具有很高的工程可操作性。

附图说明

图1为本发明电动汽车动力电池组直流阻抗的在线估算方法的流程图。

图2为均衡器采取的双向buck-boost电路拓扑结构。

图3为均衡器开启关闭过程中电池单体电流变化曲线。

图4为均衡器开启关闭过程采集的电池单体端电压随时间变化的曲线。

图5为由拟合曲线进行参数辨识而出的开路电压随SOC变化的关系图。

图6为由拟合曲线进行参数辨识而出的时间常数随SOC变化的关系图。

图7为由拟合曲线进行参数辨识而出的极化电容随SOC变化的关系图。

图8为由拟合曲线进行参数辨识而出的欧姆内阻随SOC变化的关系图。

图9为由拟合曲线进行参数辨识而出的极化内阻随SOC变化的关系图。

图10为采取的PNGV等效电路模型原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例采用某公司生产的磷酸铁锂锂离子单体组成的锂离子动力电池组，目的是获取其一阶PNGV等效电路中的开路电压，欧姆内阻，极化阻抗的电特性参数，PNGV等效电路模型原理图如图10所示。

如图1所示，本发明电动汽车动力电池组直流阻抗的在线估算方法包括以下步骤：

S100、车载充电机对动力电池进行恒流充电，在等间隔SOC点(本实施例取5％的等间隔点，例如：5％，10％，15％，···，100％)处换成恒压小电流涓流充电，此时电压值与在电池测试设备上离线标定的各等间隔SOC点(5％，10％，15％，···，100％)处的电压值相同。

S200、利用分配给各电池单体的均衡器的开启、关闭动作，产生正反2个方向的恒流脉冲。

本实施例中电池组均衡电路拓扑结构如图2所示，回路由电感与场效应管组成典型的双向buck-boost电路。阶段1：开启开关管Q1，能量由电池B1存储至电感L1中，闭合Q1、开启Q2，此时存储在电感L1中的能量传递至相邻的电池B2，控制恒流大小0.1C，持续时间10s，由此产生由电池B1至B2的0.1C脉冲电流。阶段2：保持40s之后，由于拓扑结构已设计为对称结构，利用相同的原理产生0.1C的逆向脉冲，将由B1传至B2的脉冲能量返回B1。在这整个过程中，车载充电机以恒压模式小电流涓流对电池组充电，来弥补由开启、闭合均衡器而带来的能量消耗，故可以认为此时的SOC保持恒定。

S300、记录各SOC点处端电压随时间变化曲线，运用曲线拟合工具对数据进行最小2乘拟合，得到类似混合脉冲功率特性(hybrid pulse power characterization，HPPC)曲线，该曲线如图3所示。

S400、用以下公式对得到的HPPC拟合曲线进行参数辨识，各电压值及时间点如附图3、附图4所示，得出各SOC点处直流阻抗各参数值，得到开路电压、时间常数、极化电容、欧姆内阻和极化内阻分别如图5～8所示。

开路电压：

时间常数τ：

电容Cb：

式中，AmpSec为额定容量，Uoc为开路电压。

欧姆内阻：

极化内阻：

S500、根据电池单体连接形式，故电池组总开路电压为：

总欧姆内阻与极化内阻分别为：

总极化电容为：

以上公式中，t₁为开始脉冲放电开始时刻，t₂为放电截止时刻，t₃为静置开始时刻，t₄为静置结束时刻，t₅为脉冲充电截止时刻；对应的取t₁时刻末电压值为U₁，电压骤降之后的值为U₁’，t2时刻电压值为U₂，t₃时刻电压值为U₃，t₄时刻电压值为U₄，t₅时刻电压值为U₅，充电静置之后电压值为U₆。

最后，将上述在线估算出的直流阻抗更新至BMS控制器，为后续BMS对电池荷电状态、健康状况提供在线更新的数据。

Claims (6)

1.一种电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过车载充电机对动力电池充电，在预设的等间隔SOC点处恒压小电流充电；

利用分配给各电池单体的均衡器的开启、关闭动作，产生正反2个方向的恒流脉冲；

采集各电池单体的电压信号，对各单体电压对时间的变化关系数据行曲线拟合，得到混合脉冲功率特性曲线；

对得到的拟合的曲线进行参数辨识，计算出各电池单体的直流阻抗及开路电压参数；

根据电池的连接形式，对得到的电池单体参数进行数学运算，从而得出整个动力电池组直流阻抗及开路电压,具体地，

BMS利用以下公式估算出各个电池单体的直流阻抗和开路电压：

开路电压：

$U_{oc}=\frac{1}{2}(U_4+U_6)---\left(1\right)$

时间常数τ：

$\mathrm{\τ}=-\frac{(t_4-t_3)}{In(1-\frac{U_4-U_3}{U_1-U_3})}---\left(2\right)$

电容Cb：

$C_b=\frac{AmpSec*U_{oc}}{\frac{1}{2}*(U_{100\%SOC}^2-U_{0\%SOC}^2)}---\left(3\right)$

式中，AmpSec为额定容量，Uoc为开路电压；

欧姆内阻：

$R_0=\frac{U_1-U_1^{\′}}{I}---\left(4\right)$

极化内阻：

$R_{pp}=\frac{U_4-U_3}{I}---\left(5\right)$

然后，根据电池单体连接形式，通过数学运算得出整个电池组的直流阻抗和开路电压，具体计算过程如下：

电池组总开路电压为：

总欧姆内阻与极化内阻分别为：

总极化电容为：

上式中，t₁为开始脉冲放电开始时刻，t₂为放电截止时刻，t₃为静置开始时刻，t₄为静置结束时刻，t₅为脉冲充电截止时刻；对应的取t₁时刻末电压值为U₁，电压骤降之后的值为U₁’，t2时刻电压值为U₂，t₃时刻电压值为U₃，t₄时刻电压值为U₄，t₅时刻电压值为U₅，充电静置之后电压值为U₆。

2.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于：所述车载充电机首先以恒流充电模式对动力电池进行充电，并以安时积分法计算充电电量，每当动力电池充至预设的等间隔SOC点时，将充电模式改成恒压小电流充电模式。

3.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于：所述均衡器应采用双向buck-boost电路来产生具有正负2个方向的恒流脉冲。

4.根据权利要求3所述的电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于：所述buck-boost电路产生2个脉冲电流的时间以及中间均衡器静置的时间应与混合脉冲功率特性测试要求的脉冲曲线一致。

5.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于：通过BMS采集单元采集电池单体的电压，并利用CAN网络将数据传送至BMS主控单元。

6.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池组直流阻抗及开路电压的在线估算方法，其特征在于：将脉冲放电并静置后的电压与脉冲充电并静置后的电压算数平均值作为电池当时的开路电压。