CN109541485A - 一种动力电池的soc估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池的SOC估算方法，该方法通过开路电压法获取动力电池SOC初值；使用安时积分法对其进行下一阶段的SOC值进行估算；测量其端电流与端电压，结合电化学阻抗法与改进的电池Nernst方程对其开路电压进行修正计算；使用修正后的开路电压值获得相应的SOC值，对估算值进行修正。本发明结合了开路电压法，安时积分法与电化学阻抗法各自的优点，消除了传统安时积分法的累积误差，提高了测量精度。

Description

一种动力电池的SOC估算方法

技术领域

本发明涉及一种动力电池的SOC估算方法，属于动力电池性能分析技术领域。

背景技术

随着近年来新能源汽车的快速发展，动力电池的产量也在不断上升。与此同时，如何高效安全的使用对动力电池进行管理使用也成为了当下研究应用中的热点。动力电池的SOC(荷电状态)反映了电池的剩余电量与额定电量的比值，对动力电池SOC的准确估计可提高***的运行安全性，延长电池使用寿命，降低***的经济成本。目前动力电池SOC估算方法主要有开路电压法，安时积分法与电化学阻抗法等。

开路电压法将电池充分静置，让电池的端电压恢复至开路电压，通过大量的实验数据获得电池的开路电压V_oc，通过V_oc与SOC之间的对应关系，来估算电池的SOC。此方法虽可以准确地对电池的初始值进行预估，计算简单而精度高，但是需要对电池进行长时间的静置，不能用于连续、动态电池SOC估算。

安时积分法在初始SOC已知的情况下，计算充放电过程变化的电荷量，然后用电池的起始状态SOC减去变化的电荷量，通过测量的充放电电流对时间进行积分来确定电池SOC值的变化。此方法计算简单，可在线连续测量，但是电流测量不准而造成SOC估算的误差，并且其测量误差会随着时间的积累而越来越大，尤其在高温状态和电流波动剧烈的情况下，产生的误差较大。

电化学阻抗法使用电化学阻抗谱，在电池循环寿命的不同阶段测量阻抗谱曲线，最后给出等效电路模型中各参数随电池循环次数变化的拟合公式。建立内阻等特征量与SOC之间的对应关系。此方法测试方便、适用面广，但是由于电池内阻值较小且成因复杂，在高SOC时测量效果不明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供了一种动力电池SOC估算方法，提高了动力电池SOC的估算速度与估算精度。

本发明所采用的技术方案是：

一种动力电池的SOC估算方法，包括以下步骤：

1)确定动力电池的基本性能参数和曲线；所述基本性能参数是指动力电池的可用额定容量C_N，所述曲线包括被测动力电池V_oc—SOC曲线以及不同SOC下的电化学阻抗图；

2)测量被测动力电池在初始时刻下的SOC初值；

3)计算经过t时间充/放电后的动力电池SOC估算值；

4)根据所述步骤3)计算的动力电池SOC估算值，利用电化学阻抗图，得到动力电池的等效电阻；

5)考虑温度对动力电池内部压降的影响，引入温度系数，对传统电池Nernst方程进行修正，得到修正后的动力电池Nernest方程；

6)根据修正后的动力电池Nernest方程，代入实际电池荷电状态以及环境温度下的SOC值、K_T、K₁、K₂、端电压U_t与ΔU的值，求得经过充/放电后的动力电池的开路电压；

7)根据步骤1)中所获得的被测动力电池的V_oc—SOC曲线，得到此时的SOC修正值；

8)输出修正后的动力电池SOC值。

前述的步骤2)中，动力电池的SOC初值通过开路电压法测得。

前述的步骤3)中，动力电池SOC估算值采用安时积分法计算，计算如下：

其中，SOC₀为SOC初值，SOC_I为经过充/放电后的SOC估算值，η为测试过程中动力电池的充/放电效率，I为充/放电时间内电流计测得的电流值，t为充/放电时间，τ为时间变量。

前述的步骤5)中，修正后的动力电池Nernest方程为：

U_t＝V_oc-K_TΔU+K₁ln(SOC_T)+K₂ln(1-SOC_T)

其中，U_t为经过充/放电后的动力电池端电压，V_oc为开路电压，K_T为当前状态下动力电池内部压降的温度修正系数，ΔU为动力电池静置过程中的压降，K₁和K₂为与温度有关的参数，SOC_T为当前状态下动力电池的SOC值，

ΔU的计算如下：

ΔU＝I₀R^*

其中，I₀为静置过程中的电流，R^*为当前状态下动力电池的等效电阻。

前述的ΔU的计算过程中，I₀采用经过充/放电后的动力电池端电流代替。

前述的K_T的拟合过程如下：

在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，利用电化学阻抗法获得电池在不同温度下的等效电阻，其等效电阻值与25℃下等效电阻的比值即为温度修正系数K_T，进而获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，温度修正系数K_T与温度T的拟合曲线。

前述的K₁和K₂的拟合过程如下：

(51)对充电电池进行充放电实验，在某一温度下，给充电电池充满电，测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(52)进行恒流放电，每放出充电电池容量的10％时停止放电，即SOC为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％时，停止放电，分别测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(53)进行恒流充电，每达到充电电池容量的10％时停止充电，分别测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(54)取充、放电至相同SOC情况下的端电压及开路电压测量值的平均值作为U_t与V_oc的值；

(55)在不同环境温度下，重复所述步骤(51)-(54)，获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时的端电压U_t与开路电压V_oc，进而得到U_t与温度T的拟合曲线，和V_oc与温度T的拟合曲线；

(56)令充电电池中充放电电流为0，根据温度修正系数K_T、端电压U_t、开路电压V_oc与温度T的曲线，运用曲线拟合的方法，获得系数K₁和K₂分别关于温度T的拟合曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明结合了开路电压法，安时积分法与电化学阻抗法各自的优点，通过开路电压法获取动力电池SOC初值，使用安时积分法进行估算，结合电化学阻抗法与改进的电池Nernst方程对其进行修正。

2、本发明所提出的方法在修正过程中，考虑到电池内部压降与温度的实时关系，引入温度系数，对传统的电池Nernst方程进行了改进，结合电化学阻抗法，提高了对其开路电压的估算精度。

3、本发明所提出的方法可在线估计动力电池SOC，响应速度快，适用性好，操作过程简便，估算精度高，具有较好的应用价值。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为动力电池V_oc—SOC曲线；

图3为25℃下，不同SOC下电化学阻抗法测得的相关曲线。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的动力电池的SOC估算方法，主要步骤如图1所示，包括：

S1、确定动力电池的基本性能参数和曲线。其中，基本性能参数是指动力电池的可用额定容量C_N，曲线主要有被测动力电池V_oc—SOC曲线(如图2所示，以锂电为例)，以及不同SOC下的各参数电化学阻抗图(如图3所示，以锂电为例)，不同SOC下的各电化学阻抗图可通过充放电实验以及电化学阻抗图谱分析获得。图3中，1表示SOC为30％的电化学阻抗图，2表示SOC为50％的电化学阻抗图，3表示SOC为80％的电化学阻抗图，4表示SOC为100％的电化学阻抗图。

S2、通过开路电压法测得被测动力电池在初始时刻下的SOC初值。此过程中可以选择任一SOC状态下的动力电池，在经过一段时间静置后用开路电压法测得其SOC初值。

S3、通过安时积分法求得经过t时间充(放)电后的动力电池SOC估算值。其中，安时积分法的表达式如下：

其中：SOC₀为SOC初值，通过步骤S2测得，C_N为动力电池的额定容量，在步骤S1中获取，η为测试过程中动力电池的充(放)电效率，与动力电池的本身放电率、放电深度有关，可通过充放电实验测得，I为此充(放)电时间内电流计测得的电流值，t是指充(放)电时间，SOC_I为安时积分法求得的经过充(放)电后的SOC估算值。

S4、通过求得的SOC_I值，利用电化学阻抗图谱，得到动力电池的等效电阻。

S5、根据修正后的动力电池Nernest方程，求得经过充(放)电后的动力电池的开路电压。修正过程如下：

考虑温度对动力电池内部压降的影响，引入温度系数，对传统电池Nernst方程进行修正，所提出的修正模型公式如下：

U_t＝V_oc-K_TΔU+K₁ln(SOC_T)+K₂ln(1-SOC_T) (2)

其中：U_t为经过充(放)电后的动力电池端电压，可直接测得，V_oc为开路电压，K_T为当前状态下动力电池内部压降的温度修正系数，可通过相关实验拟合获得，ΔU为动力电池静置过程中的压降，K₁和K₂为两个参数，可在充放电实验中拟合获得，与温度有关，SOC_T为当前状态下动力电池的SOC值，也就是步骤3计算的动力电池SOC估算值SOC_I。

ΔU定义如下：电池在静置过程中一开始会有个电压降低的过程，此处的静置过程是指从一开始电压开始变化到其电压稳定不变状态时的过程，一般锂电池静置时间约为5小时，ΔU表达式如下：

ΔU＝I₀R^* (3)

式中，I₀为静置过程中的电流，可用端电流I_t近似，R^*为当前SOC下动力电池内部的等效电阻，在步骤S4中通过电化学阻抗图谱拟合获得。I₀实际意义为静置电流，但是此处用端电流近似，可提高计算的速率。

公式(2)中的K_T、K₁、K₂拟合过程如下：

(51)在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，利用电化学阻抗法获得电池在不同温度下的等效电阻，其等效电阻值与25℃下等效电阻的比值即为温度修正系数K_T，进而获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，温度修正系数K_T与温度T的拟合曲线。

(52)对电池进行充放电实验，以20℃为例，给电池充满电，测量端电压，进行静置，测量电池的开路电压，进行恒流放电，每放出电池容量的10％时停止放电(即SOC为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％时停止)，测量端电压，进行静置，测量电池的开路电压；再进行恒流充电，每充电池容量的10％时停止充电，测量端电压，进行静置，测量电池的开路电压。取充、放电至相同SOC情况下的端电压及开路电压测量值的平均值作为U_t与V_oc的值。再在不同环境温度下，进行上述充放电实验。进而获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，端电压U_t与开路电压V_oc分别与温度T的拟合曲线。

(53)再令锂电池中充放电电流为0(即在充放电后的静置过程中)，根据温度修正系数K_T、端电压U_t、开路电压V_oc与温度T的曲线，运用曲线拟合的方法，获得系数K₁和K₂分别关于温度T的关系图。

S6、依据修正后的动力电池Nernest方程，代入实际电池荷电状态以及环境温度下的SOC值、K_T、K₁、K₂、端电压U_t与ΔU的值，即可得到开路电压V_oc，结合步骤S1中所获得的动力电池的V_oc—SOC曲线，可获得此时的SOC修正值。

S7、输出修正后的动力电池SOC值。

Claims (7)

1.一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定动力电池的基本性能参数和曲线；所述基本性能参数是指动力电池的可用额定容量C_N，所述曲线包括被测动力电池V_oc—SOC曲线以及不同SOC下的电化学阻抗图；

2)测量被测动力电池在初始时刻下的SOC初值；

3)计算经过t时间充/放电后的动力电池SOC估算值；

4)根据所述步骤3)计算的动力电池SOC估算值，利用电化学阻抗图，得到动力电池的等效电阻；

5)考虑温度对动力电池内部压降的影响，引入温度系数，对传统电池Nernst方程进行修正，得到修正后的动力电池Nernest方程；

6)根据修正后的动力电池Nernest方程，代入实际电池荷电状态以及环境温度下的SOC值、K_T、K₁、K₂、端电压U_t与ΔU的值，求得经过充/放电后的动力电池的开路电压；

7)根据步骤1)中所获得的被测动力电池的V_oc—SOC曲线，得到此时的SOC修正值；

8)输出修正后的动力电池SOC值。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述步骤2)中，动力电池的SOC初值通过开路电压法测得。

3.根据权利要求1所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述步骤3)中，动力电池SOC估算值采用安时积分法计算，计算如下：

其中，SOC₀为SOC初值，SOC_I为经过充/放电后的SOC估算值，η为测试过程中动力电池的充/放电效率，I为充/放电时间内电流计测得的电流值，t为充/放电时间，τ为时间变量。

4.根据权利要求1所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述步骤5)中，修正后的动力电池Nernest方程为：

U_t＝V_oc-K_TΔU+K₁ln(SOC_T)+K₂ln(1-SOC_T)

其中，U_t为经过充/放电后的动力电池端电压，V_oc为开路电压，K_T为当前状态下动力电池内部压降的温度修正系数，ΔU为动力电池静置过程中的压降，K₁和K₂为与温度有关的参数，SOC_T为当前状态下动力电池的SOC值，

ΔU的计算如下：

ΔU＝I₀R^*

其中，I₀为静置过程中的电流，R^*为当前状态下动力电池的等效电阻。

5.根据权利要求4所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述ΔU的计算过程中，I₀采用经过充/放电后的动力电池端电流代替。

6.根据权利要求4所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述K_T的拟合过程如下：

在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，利用电化学阻抗法获得电池在不同温度下的等效电阻，其等效电阻值与25℃下等效电阻的比值即为温度修正系数K_T，进而获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时，温度修正系数K_T与温度T的拟合曲线。

7.根据权利要求4所述的一种动力电池的SOC估算方法，其特征在于，所述K₁和K₂的拟合过程如下：

(51)对充电电池进行充放电实验，在某一温度下，给充电电池充满电，测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(52)进行恒流放电，每放出充电电池容量的10％时停止放电，即SOC为90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％时，停止放电，分别测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(53)进行恒流充电，每达到充电电池容量的10％时停止充电，分别测量端电压，进行静置，测量充电电池的开路电压；

(54)取充、放电至相同SOC情况下的端电压及开路电压测量值的平均值作为U_t与V_oc的值；

(55)在不同环境温度下，重复所述步骤(51)-(54)，获得在动力电池SOC分别为0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％时的端电压U_t与开路电压V_oc，进而得到U_t与温度T的拟合曲线，和V_oc与温度T的拟合曲线；

(56)令充电电池中充放电电流为0，根据温度修正系数K_T、端电压U_t、开路电压V_oc与温度T的曲线，运用曲线拟合的方法，获得系数K₁和K₂分别关于温度T的拟合曲线。