CN105629173A - 估计电池的荷电状态soc的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估计电池的荷电状态SOC的方法和装置。所述方法包括：根据所述电池的伏安特性建立所述电池的等效电路模型；根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件；根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。本发明的估计电池的SOC的方法和装置能够准确地判断电压回弹程度，从而更准确地估计电池的SOC。

Description

估计电池的荷电状态SOC的方法和装置

技术领域

本发明涉及汽车电子领域，具体地，涉及一种估计电池的荷电状态SOC的方法和装置。

背景技术

目前电动汽车上配备的大容量动力电池组都专门设计有电池管理***(BMS)，以对电池组以及单体的状态(包括电压、电流、温度、容量等)进行监测和评估。

电池的荷电状态(StateofCharge，SOC)，又称电池剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1。当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满。对SOC进行估计是BMS***很重要的功能。

目前在车辆启动时，可以通过开路电压法对SOC进行估计。开路电压法是在车辆静置一段时间之后，检测电池的开路电压，并利用代表开路电压与SOC对应关系的查找表来估计SOC。现有的开路电压法估计SOC需要保证在车辆启动之前电池经过长时间静置，一般需要一个小时以上，这样估计结果才比较准确。如果车辆未停满一个小时就启动，则可以使用车辆上次关闭时***中存储的SOC作为当前的SOC。这种估计方法不够快速、准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种估计电池的SOC的方法和装置，该方法和装置能够准确地估计电池的SOC。

为了实现上述目的，本发明提供一种估计电池的荷电状态SOC的方法，该方法包括：根据所述电池的伏安特性建立所述电池的等效电路模型；根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件；根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。

可选地，所建立的等效电路模型为以下中的任意一者：戴维南等效电路、多阶戴维南等效电路。

可选地，所述预设的充分静置条件包括：U_∞-U₂＜V_set，其中，U_∞为静置时间为无穷大时所述电池的开路电压，U₂为所述电池的当前开路电压，V_set为预设电压。

可选地，所建立的等效电路模型为多阶戴维南等效电路，所述根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件的步骤包括：在下式成立的情况下，判定所述电池满足所述预设的充分静置条件：

$U_2-U_1<V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)$

其中，U₁为所述电池上次断电时的开路电压，ΔT为所述静置时间，τ为所述多阶戴维南等效电路中的多个电阻电容并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值。

可选地，所述根据所述电池是否满足预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC的步骤包括：在判定所述电池满足所述预设的充分静置条件的情况下，根据预设的开路电压与SOC对应关系的查找表估计所述电池的SOC；以及在判定所述电池不满足所述预设的充分静置条件的情况下，将所述电池在上次断电时的SOC作为所述电池的SOC。

本发明还提供一种估计电池的荷电状态SOC的装置，该装置包括：建立模块，用于根据所述电池的伏安特性建立所述电池的等效电路模型；判断模块，用于根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件；估计模块，用于根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。

根据上述技术方案，通过所建立的电池的等效电路模型来判断电池是否满足预设的充分静置条件，从而根据电池是否充分静置采取合适的估计方法来估计SOC。因此，本发明的估计电池的SOC的方法和装置能够准确地判断电压回弹程度，从而更准确地估计电池的SOC。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一示例性实施方式提供的电池放电静置实验中电池电压随时间的变化曲线；

图2是一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的方法的流程图；

图3是一示例性实施方式提供的电池的二阶戴维南等效电路的示意图；

图4是一示例性实施方式提供的电池恒流放电并静置的电压曲线图；

图5是一示例性实施方式提供的根据判断结果估计SOC的流程图；

图6是一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的装置的框图；

图7是另一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的装置的框图；以及

图8是一示例性实施方式提供的估计模块的框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

通常电池的开路电压在结束放电之后会迅速回弹部分电压再缓慢地回升，直到达到稳定的电动势。图1是一示例性实施方式提供的电池放电静置实验中电池电压随时间的变化曲线。如图1所示，电池停止放电后，电池电压会先呈阶跃上升，再缓慢回弹，等到电压完全回弹需要很长的时间，而缓慢回弹过程中电压和时间呈一定的函数关系。

现有的开路电压法利用充分静置后电池的SOC与开路电压之间的一一对应关系来估计SOC。对于电池静置多久算是充分静置，通常采用的时间是1～2小时。但是，电压具体回弹多久也与电池之前的使用情况(例如，放电电流、放电时间等)有关。基于现有技术中的上述问题，本发明提供了一种判断电池是否充分静置的技术方案，从而能够更加准确地利用开路电压法估计电池的SOC。

图2是一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的方法的流程图。如图2所示，该方法包括以下步骤：

在步骤S11中，根据电池的伏安特性建立电池的等效电路模型。

其中，建立电池的等效电路模型能够更加准确地分析得到电池静置之后的电压回弹特性。其中，所建立的等效电路模型可以为以下中的任意一者：戴维南(Thevenin)等效电路、多阶戴维南等效电路等。以上电池的等效电路模型为本领域技术人员所能够获取的，本文中以二阶戴维南等效电路为例进行说明。

图3是一示例性实施方式提供的电池的二阶戴维南等效电路的示意图。如图3所示，二阶戴维南等效电路包括串联连接的电池内阻R₀和两个RC并联网络(R₁C₁和R₂C₂)，电动势为E，开路电压为U₁。在进行参数拟合之后，能够得到与电池具有相同伏安特性的二阶戴维南等效电路模型。

在步骤S12中，根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件。

当满足该充分静置条件时，能够确定电池的电压已经回弹到了一定程度，剩余的回弹余地较小而可以忽略不计。该充分静置条件可以由人工设置，根据对回弹程度的要求不同，可以设置不同的充分静置条件。

该充分静置条件例如可以包括：

U_∞-U₂＜V_set(1)

其中，U_∞为静置时间为无穷大时电池的开路电压，U₂为电池的当前开路电压，V_set为预设电压。也就是，电池的开路电压回弹到静置时间为无穷大时的开路电压与其的差值小于V_set时，可用U₂来近似取代U_∞，认为电池已经充分静置。

以下详细推导所建立的等效电路模型为多阶戴维南等效电路时，如何判断电池是否满足上述(1)式中的充分静置条件。

图4是一示例性实施方式提供的电池恒流放电并静置的电压曲线图。如图4所示，AB段为电池恒流放电时电池内阻R₀上的分压：U_A-U_B＝IR₀；

BC段： $U\left(t\right)=E\left(t\right)-U_p\left(t\right)-{\mathrm{IR}}_0=E\left(t\right)-{\mathrm{IR}}_p(1-e^{-\frac{t}{R_p{C}_p}})-{\mathrm{IR}}_0;$

CD段：U_C-U_D＝IR₀；

DE段为电压回弹阶段： $U\left(t\right)=E-U_p\left(t\right)=E-U_D{e}^{-\frac{t}{R_p{C}_p}}.$

其中，U_D为固定值，它与之前恒流放电电流与放电时间相关。E为等效电路图中电压源的电动势，也是静置时间无穷大时的开路电压。R_p和C_p分别为多阶戴维南等效电路中的多个RC并联网络中，占支配地位的RC并联网络的电阻值和电容值。也就是，R_pC_p是多阶戴维南等效电路中的多个RC并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值，该R_pC_p可以通过在各个使用温度、SOC内做多次静置放电实验，通过电压回弹拟合得到。

设电池上次断电时间为t₁，当前时间为t₂，电池上次断电时的开路电压为U₁，电池的当前开路电压为U₂，则t₁和t₂都满足DE段的电压函数方程：

$U\left(t\right)=E-U_p\left(t\right)=E-U_D{e}^{-\frac{t}{R_p{C}_p}}=E-U_D{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\&tau;}}},$

$U_1=E-U_D{e}^{-\frac{t_1}{\mathrm{\&tau;}}}$

$U_2=E-U_D{e}^{-\frac{t_2}{\mathrm{\&tau;}}}$

当静置时间为无穷大时，

$U_{\mathrm{\&infin;}}=E-U_D{e}^{-\frac{\mathrm{\&infin;}}{\mathrm{\&tau;}}}=E$

$U_2-U_1=U_D{e}^{-\frac{t_1}{\mathrm{\&tau;}}}(1-e^{-\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}})---\left(2\right)$

$U_{\mathrm{\&infin;}}-U_2=U_D{e}^{-\frac{t_1}{\mathrm{\&tau;}}}{e}^{-\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}---\left(3\right)$

其中，τ＝R_pC_p，t₂-t₁＝ΔT。根据上述方程式(1)、(2)和(3)可以得到：

$U_2-U_1<V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)---\left(4\right)$

也就是，当电池的开路电压满足方程(4)时，电池满足方程(1)中的充分静置条件。

由上所述，方程(4)中，U₂为电池的当前开路电压，V_set为预设电压，U₁为电池上次断电时的开路电压，ΔT为静置时间，τ为多阶戴维南等效电路中的多个RC并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值。

举例来说，假设τ为300s，V_set为0.1V。如果静置时间为5分钟，则

$V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)=0.1*(e-1)\&ap;0.172V$

当U₂-U₁小于0.172V时，则判定电池已经满足充分静置的条件。

在该实施例中，需要设置电源管理***记录电池上次断电时的开路电压。

返回到图2，在步骤S13中，根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。

根据电池是否充分静置来估计电池的SOC，可以根据开路电压法来估计。具体地，图5是一示例性实施方式提供的根据判断结果估计SOC的流程图。如图5所示，根据电池是否满足预设的充分静置条件的判断结果估计电池的SOC的步骤(步骤S13)可以包括以下步骤。

在步骤S131中，在判定电池满足预设的充分静置条件的情况下，根据预设的开路电压与SOC对应关系的查找表估计电池的SOC。

在步骤S132中，在判定电池不满足预设的充分静置条件的情况下，将电池在上次断电时的SOC作为电池的SOC。

根据上述技术方案，本发明对现有的开路电压法作了改进，通过所建立的电池的等效电路模型来判断电池是否满足预设的充分静置条件，从而根据电池是否充分静置采取合适的估计方法来估计SOC。因此，本发明的估计电池的SOC的方法能够准确地判断电压回弹程度，从而准确地估计电池的SOC。

本发明还提供一种估计电池的荷电状态SOC的装置。图6是一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的装置的框图。如图6所示，该装置包括建立模块11、判断模块12和估计模块13。

建立模块11用于根据电池的伏安特性建立电池的等效电路模型。

判断模块12用于根据所建立的等效电路模型判断电池是否满足预设的充分静置条件。

估计模块13用于根据电池是否满足预设的充分静置条件的判断结果估计电池的SOC。

可选地，所建立的等效电路模型可以为以下中的任意一者：戴维南等效电路、多阶戴维南等效电路。

可选地，所述预设的充分静置条件可以包括：

U_∞-U₂＜V_set

其中，U_∞为静置时间为无穷大时电池的开路电压，U₂为电池的当前开路电压，V_set为预设电压。

图7是另一示例性实施方式提供的估计电池的SOC的装置的框图。在图7所示的实施方式中，所建立的等效电路模型为多阶戴维南等效电路，判断模块12包括判断子模块121。

判断子模块121用于在下式成立的情况下，判定所述电池满足所述预设的充分静置条件：

$U_2-U_1<V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)$

其中，U₁为所述电池上次断电时的开路电压，ΔT为所述静置时间，τ为所述多阶戴维南等效电路中的多个电阻电容并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值。

图8是一示例性实施方式提供的估计模块13的框图。如图8所示，所述估计模块13可以包括第一估计子模块131和第二估计子模块132。

第一估计子模块131用于在判定电池满足预设的充分静置条件的情况下，根据预设的开路电压与SOC对应关系的查找表估计电池的SOC。

第二估计子模块132用于在判定电池不满足预设的充分静置条件的情况下，将电池在上次断电时的SOC作为电池的SOC。

关于上述实施方式中的控制装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施方式进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

根据上述技术方案，通过所建立的电池的等效电路模型来判断电池是否满足预设的充分静置条件，从而根据电池是否充分静置采取合适的估计方法来估计SOC。因此，本发明的估计电池的SOC的装置能够准确地判断电压回弹程度，从而更准确地估计电池的SOC。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种估计电池的荷电状态SOC的方法，该方法包括：

根据所述电池的伏安特性建立所述电池的等效电路模型；

根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件；

根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所建立的等效电路模型为以下中的任意一者：戴维南等效电路、多阶戴维南等效电路。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设的充分静置条件包括：

U_∞-U₂＜V_set

其中，U_∞为静置时间为无穷大时所述电池的开路电压，

U₂为所述电池的当前开路电压，

V_set为预设电压。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所建立的等效电路模型为多阶戴维南等效电路，所述根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件的步骤包括：

在下式成立的情况下，判定所述电池满足所述预设的充分静置条件：

$U_2-U_1<V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)$

其中，U₁为所述电池上次断电时的开路电压，

ΔT为所述静置时间，

τ为所述多阶戴维南等效电路中的多个电阻电容并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述根据所述电池是否满足预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC的步骤包括：

在判定所述电池满足所述预设的充分静置条件的情况下，根据预设的开路电压与SOC对应关系的查找表估计所述电池的SOC；以及

在判定所述电池不满足所述预设的充分静置条件的情况下，将所述电池在上次断电时的SOC作为所述电池的SOC。

6.一种估计电池的荷电状态SOC的装置，该装置包括：

建立模块，用于根据所述电池的伏安特性建立所述电池的等效电路模型；

判断模块，用于根据所建立的等效电路模型判断所述电池是否满足预设的充分静置条件；

估计模块，用于根据所述电池是否满足所述预设的充分静置条件的判断结果估计所述电池的SOC。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所建立的等效电路模型为以下中的任意一者：戴维南等效电路、多阶戴维南等效电路。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设的充分静置条件包括：

U_∞-U₂＜V_set

其中，U_∞为静置时间为无穷大时所述电池的开路电压，

U₂为所述电池的当前开路电压，

V_set为预设电压。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所建立的等效电路模型为多阶戴维南等效电路，所述判断模块包括：

判断子模块，用于在下式成立的情况下，判定所述电池满足所述预设的充分静置条件：

$U_2-U_1<V_{set}(e^{\frac{\mathrm{\&Delta;}T}{\mathrm{\&tau;}}}-1)$

其中，U₁为所述电池上次断电时的开路电压，

ΔT为所述静置时间，

τ为所述多阶戴维南等效电路中的多个电阻电容并联网络分别对应的多个时间常数中的最大值。

10.根据权利要求6-9中任一权利要求所述的装置，其特征在于，所述估计模块包括：

第一估计子模块，用于在判定所述电池满足所述预设的充分静置条件的情况下，根据预设的开路电压与SOC对应关系的查找表估计所述电池的SOC；以及

第二估计子模块，用于在判定所述电池不满足所述预设的充分静置条件的情况下，将所述电池在上次断电时的SOC作为所述电池的SOC。