一種電池荷電狀態(tài)的檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域，設(shè)及電池管理系統(tǒng)，尤其設(shè)及一種電池荷電狀態(tài)的檢 測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著化石能源的不斷消耗，電動汽車將成為新的交通工具，并且逐漸取代傳統(tǒng)的 依靠化石能源的汽車。然而電池作為電動車的能量來源，它的正確管理將直接影響到電動 車的安全與穩(wěn)定運行。因此，電池管理系統(tǒng)中電池的荷電狀態(tài)（S0C)，也就是電池的剩余電 量的估算問題至關(guān)重要，不精確的電池S0C估算會導(dǎo)致對電池的實時狀態(tài)把握不正確，可 能導(dǎo)致電池的過充和過放，甚至過熱等現(xiàn)象。運些危害都會對電池造成永久性的損傷。
[0003] 電池荷電狀態(tài)的定義
[0004] 電池荷電狀態(tài)（S0C)定義為電池剩余容量與電池額定容量的比值： 陽0化]
陽006] 其中Qt表示剩余的電池電量，Q。表示電池的額定電量。根據(jù)電池充放電的規(guī)律， 有W下對應(yīng)關(guān)系
[0007]
[0008] 其中S0C。表示電池初始的剩余荷電狀態(tài)，i(τ)表示實時的充放電電流，放電電流 為正，充電電流為負。
[0009] 現(xiàn)有S0C估算方案存在的問題：
[0010] (1)難于確定電池的初始S0C;因為電池的初始S0C和之前發(fā)生的充放電情況有 關(guān)，在無法知道電池的先前狀態(tài)W前，電池的初始S0C的估算精度比較難W滿足，而且電池 的初始S0C也影響著電池后續(xù)的電量實時估算。 W11] 似電動車實際運行過程中，劇烈的電壓電流波動很容易引入電磁干擾和噪聲信 號，運樣的噪聲會造成S0C估算誤差，且該誤差會不斷積累。誤差的積累會造成電池S0C估 算的精度不夠。
[0012] (3)對于裡電池的充放電過程，電池容量受到充放電倍率、電池溫度、充放電循環(huán) 次數(shù)等因素的影響：充放電倍率因素，即裡電池在不同的放電電流情況下，所能放出的電量 是不同的。電池的可用容量總是隨著電池放電的倍率，即電池的放電電流的增加而下降。
[0013] 溫度因素，在一般情況下，裡電池的容量總是隨著電池的溫度上升而增加。當(dāng)溫度 過低時，電池的實際可用容量減小、能量利用效率下降，允許的最大放電倍率也減小。當(dāng)溫 度升高時，裡離子嵌入脫嵌更加活躍，放出電池容量也隨之變大。但溫度過高時，電池容量 會因里面的帶電粒子自由運動加劇而導(dǎo)致容量不再上升，反而電池的內(nèi)阻增加，充放電效 率下降。
[0014] 充放電循環(huán)次數(shù)因素，即電池老化因素，主要是指隨著電池循環(huán)充放電次數(shù)的增 加，會出現(xiàn)電池容量衰減和電池內(nèi)阻增加等現(xiàn)象。運主要是由于在充放電過程中電極活性 物質(zhì)表面積減少，極化增大，電池內(nèi)部短路，隔膜損壞等原因?qū)е?。?dǎo)致電池的充放電容量 減小，電池健康度（SOH)減小，如果不考慮電池老化因素，電池容量的誤差會不斷累積，SOC 計算會變得越來越不準確。
[0015] 傳統(tǒng)的S0C測量大多是采用安時計量法，電池管理系統(tǒng)都是對連續(xù)變量進行采 樣，然后再對得到的離散數(shù)據(jù)進行處理。在一個采樣周期時間內(nèi)，電池的電流都是通過零階 保持環(huán)節(jié)來保持不變的。若t。時刻的電池電量為S0C。，采樣間隔為Δt，檢測到ti=te+Δt 時刻的電池充放電電流為i(1)，則ti時刻的電池電量SOC1可W用t。的表示出來：
[0016] S0Ci=SOC〇-i(l)*At
[0017] 但是從t。到t1的時間內(nèi)，電流并不是i(1)，會有一個小小的誤差存在。對于連續(xù) 的一段時間，用求和表示如下：
[0018]
[0019] 因此按照傳統(tǒng)的安時計量法來進行算法實現(xiàn)，會有如圖1的誤差積累。
[0020] 傳統(tǒng)安時積分法所采用的零階保持環(huán)節(jié)會和實際的充放電電量有圖中Ξ角形的 積累誤差，該誤差會隨著時間的積累越來越多。雖然可W通過提高采樣頻率來解決，但是電 流的采樣頻率也會受到電池管理系統(tǒng)的使用環(huán)境，運行速度W及硬件等多方面的限制，該 問題依然不能很好解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電池荷電狀態(tài)（S0C)的檢測方 法，該方法可針對電動車的電池管理系統(tǒng)，實時精確獲得電池的S0C值。
[0022] 本發(fā)明的電池荷電狀態(tài)的檢測方法，包括如下步驟： 陽02引 1)根據(jù)電池的化evenin模型，確定參數(shù)：電池的極化內(nèi)阻R1、極化電容C1及電池 內(nèi)阻R0 ;
[0024] 目前多數(shù)研究認為電池的模型可由化巧herd模型、化newe虹universal模型W 及化rnst模型Ξ個模型進行整合，得到一個復(fù)合模型，其開路電壓與電池S0C的關(guān)系可W表不為： 陽0巧]
[0026] 其中Ek為電池的負載電壓，E。為電池充滿電后的空載電壓，R為電池的內(nèi)阻，ik為 k時刻的瞬時電流值，SOCk為K時刻的電池S0C，K。、Κι、馬、而是電池的模型參數(shù)，是常數(shù)。
[0027] 運個模型很顯然存在問題，當(dāng)S0C趨于0時，|;^|趨于無窮大的速度遠大于 K2!n(S0Ck)I的速度，所WEk將趨于無窮大；當(dāng)S0C趨于1時候，iKslnQ-SOCk)I將趨于無 窮大，所WEk將趨于無窮大。運兩種情況顯然不符合實際情況。
[0028] 基于上述問題，本發(fā)明基于化evenin模型的電池S0C與電壓關(guān)系模型，電池在由 工作突然進入靜置狀態(tài)時候會存在電壓回彈，一段時間W后電壓進入穩(wěn)定狀態(tài)，運個穩(wěn)定 的電壓就是電池的穩(wěn)定電動勢，運個電壓的大小主要和電池的剩余容量有關(guān)。電池的回彈 特性主要是由電池內(nèi)部極化效應(yīng)引起的，對電池用化evenin模型進行等效，如圖2所示，其 中電池的回彈特性代表的運種極化效應(yīng)可W在電池模型中用電容C1和電阻R1并聯(lián)體現(xiàn)出 來。
[0029] 其中由電極材料、電解液、隔膜內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成引起的電阻是 反應(yīng)電池充放電時壓降的電池內(nèi)阻R0 ;R1是電池的極化內(nèi)阻，它是電化學(xué)反應(yīng)時由極化引 起的電阻，極化電容C1表示由濃度差引起的電壓回彈影響。化為電池端電壓，即實時檢測 到的電壓。R1與C1并聯(lián)構(gòu)成阻容回路，用于模擬電池狀態(tài)突然發(fā)生變化過程中表現(xiàn)出的動 態(tài)特性。
[0030] 2)建立S0C-R0 和S0C-E查詢表
[0031] 采用傳統(tǒng)方法獲得電池S0C值，如利用新威8點電池充放電測試儀進行測試，并測 得電池不同S0C時對應(yīng)的電池內(nèi)阻R0,建立S0C-R0查詢表；
[0032] 獲得電池內(nèi)阻R0的方法為：
[0033] 電池在靜置狀態(tài)和某一S0C值狀態(tài)間有四種狀態(tài)突變方式：（1)靜置狀態(tài)到額定 放電狀態(tài)、（2)額定放電狀態(tài)到靜置狀態(tài)、（3)靜置狀態(tài)到額定充電狀態(tài)、（4)額定充電狀態(tài) 到靜置狀態(tài)，按下式計算相應(yīng)電池內(nèi)阻：
[0034]
[0035] 其中Δυ表示電壓的突變，I表示充放電電流；將四種狀態(tài)下分別獲得的電池內(nèi)阻 求平均值，即獲得該S0C值對應(yīng)的電池內(nèi)阻R0 ;采用傳統(tǒng)方法獲得電池S0C值，并測得電池 不同S0C時對應(yīng)的端電壓Uo,根據(jù)下式（定義為g函數(shù)）：
[0036] U〇=E-R〇I+Ui
[0037]
[0038] U。為電池的端電壓，I表示電池的充放電電流，E表示電池的穩(wěn)定開路電壓，該電 壓只和電池的S0C有關(guān)，U1為等效的極化電容兩端的電壓，聯(lián)立上述兩個方程式，可獲得不 同S0C對應(yīng)的電池穩(wěn)定開路電壓E，獲得S0C-E查詢表；
[0039] 3)估算電池的初始S0C
[0040] 電池管理系統(tǒng)在啟動時先判斷本次啟動是否第一次運行，若不是，則讀取上次停 機時間和記錄的最后一個S0C數(shù)據(jù)，當(dāng)停機時間超過預(yù)先設(shè)定值T1 (根據(jù)電池的電壓回彈 特性，需要大于電池電壓回彈后達到穩(wěn)定的最小時間，可W取運個時間的10倍作為T1)時， 測得此時電池開路電壓并根據(jù)步驟2)的S0C-E查詢表獲得相應(yīng)S0C，即為初始S0C，當(dāng)停機 時間未超過T1，則直接讀取停機時最后一個S0C數(shù)據(jù)作為初始S0C; 陽〇川若電池管理系統(tǒng)是第一次工作，則實時測量電池的電壓變化，直至電池的電壓變 化率不超過設(shè)定值A(chǔ)，（運個值得選取是在判斷電壓的變化率，可W取O.Olv/min)則認為 該電壓為穩(wěn)定開路電壓，根據(jù)S0C-E查詢表獲得相應(yīng)S0C，作為初始S0C;
[0042] 4)電池充放電后估算k+1時刻的S0C
[0043] 利用安時積分法估算充放電At時長后電池的S0C值，公式如下（定義為f函 數(shù)）：
[0044]
[0045] 其中SOCk為k時刻電池的SOC，在充放電時長后為k+1時刻，i為k+1時刻電池的 充放電電流，Q。為實時校正后的電池額定電量；初始S0C為0時刻的S0C; W46]W獲得精確S0C值
[0047] 根據(jù)步驟4)獲得的k+1時刻的S0C值，對應(yīng)S0C-E查詢表及S0C-R0查詢表，獲得 相應(yīng)的穩(wěn)定開路電壓E和電池內(nèi)阻R0,根據(jù)公式（2)和（3)可獲得k+1時刻估算的端電壓 Uo,同時通過測量獲得k+1時刻實際的端電壓，檢測該實際端電壓是否達到充電完成時的 電壓，若達到則強制將電池S0C值設(shè)為100%，反之，則采用擴展卡爾曼濾波器增益算法獲 得修正后的k+1時刻