確定電池荷電狀態(tài)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本文公開了一種用于確定電池的荷電狀態(tài)（SOC）的新方法和系統(tǒng)，其中直接法和間接法不同時使用，但由電池的電流狀態(tài)所指示來選擇性使用。本發(fā)明的方法補償現(xiàn)有的建模誤差和參數(shù)估計誤差，以提供準確的SOC估算。本發(fā)明的方法計算出DC偏移和電池容量以補償現(xiàn)有的建模誤差和參數(shù)估計誤差。
【專利說明】確定電池荷電狀態(tài)的系統(tǒng)和方法
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明通常涉及一種確定電池的荷電狀態(tài)的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明更具體地涉及一種基于鋰電池的荷電狀態(tài)(SOC)的方法和系統(tǒng)。
[0002]發(fā)明背景
[0003]電池的荷電狀態(tài)(SOC)是等效于電池或電池組的燃料表，并提供了電池的容量。換句話說，SOC是存儲在電池中的電荷與電池能容納的最大電荷的比率。SOC也以百分比表示。電池通常在高于90%和低于20% SOC時不充電。
[0004]確定電池SOC對于各種應用是相當關(guān)鍵。電池S0C，當估算時，提供了殘留在電池的電荷和它可以用于特定應用多久的指示。
[0005]已經(jīng)提出各種方法用于估算電池的S0C?，F(xiàn)有的方法不能提供準確的SOC估算，因為它們都依賴于隨著年齡、使用情況等變化的電池的參數(shù)。此外，用于SOC估算的方程中的常量和誤差不定量化并且不能對導致不準確的SOC估算進行補償。
[0006]大多數(shù)現(xiàn)有方法的典型途徑是，確定最佳的電池模型，然后盡可能準確地估計模型參數(shù)。這些現(xiàn)有的方法，如卡爾曼濾波器的方法以及類似的其它方法的性質(zhì)是相當復雜。他們需要浮點運算，因此不適合于低功耗和低成本的固定點的微控制器。
[0007]典型地，利用兩個方法進行SOC估算:
[0008]1.直接法，即庫侖計數(shù)
[0009]2.間接方法，即利用電池特性的，即SOC與OCV的比值和電池電路模型
[0010]有三個眾所周知的途徑來估算S0C。
[0011]途徑1:僅利用直接法，當電池在使用時。這種途徑需要SOC的初始值，從SOC與OCV的比值特性來獲得，在休止電池后測量開路電壓時。
[0012]途徑2:僅使用間接法，其涉及復雜的電池動態(tài)電路模型的估計電池參數(shù)。
[0013]途徑3:同時使用直接或間接法，形成卡爾曼狀態(tài)方程或擴展卡爾曼濾波法。
[0014]由于DC電流偏移的累積也由于電池容量的劣化，途徑I遭受到估算誤差的發(fā)散。
[0015]途徑2假設，電池可以通過帶緩慢變化的電池參數(shù)而非這種情況的線性電路模型來代表。由于這樣的假設，參數(shù)估算會不正確，特別是在高電池電流及，和接近恒定電池電流。
[0016]途徑3是從線性系統(tǒng)理論衍生的，其是不穩(wěn)定的和發(fā)散的，由于損傷，例如非同步采樣的電池電壓和電流、DC偏移和有色噪聲等。
[0017]此外，現(xiàn)有的SOC方程不補償直流偏移和電池容量，而導致不準確的SOC估算。大多數(shù)現(xiàn)有的SOC方程不能用于較長一段時間，由于在一段時間內(nèi)DC偏移和電池容量衰減的存在。未知的DC偏移或未知的電池容量的效果是，隨著時間的進展SOC發(fā)散。這要求當電流更低及電池松弛時，SOC估算重新初始化。
[0018]下表闡述了直接法和間接的優(yōu)點和缺點:
[0019]
【權(quán)利要求】
1.一種盡量減少DC偏移電流和電池容量的誤差的方法和系統(tǒng)，從而補償在確定電池準確的荷電狀態(tài)(SOC)過程中的建模誤差和參數(shù)估計誤差，包括直接法和間接法，其特征在于，所述直接法和間接法不同時使用，交替使用或有條件地根據(jù)電池當前狀態(tài)使用；系統(tǒng)開始后，采用最小二乘法確定電池的健康狀態(tài)(SOH)和確定電池容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，包括在時刻“η”調(diào)用直接法，其中，所述電池在瞬態(tài)時，或電池電流的大小大于預定的閾值ΤΗ_3，松弛計數(shù)器從設定值以整數(shù)值遞減。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，包括在時刻“η”調(diào)用間接法，其中，所述電池充分松弛與電池電流的大小小于預定的閾值ΤΗ_4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，包括: a.利用最小二乘法和在由間接法估計的SOC的幫助下，首先定期確定電池容量和電池健康狀況(SOH)； b.采樣變量，即在時刻“η”的電壓、電流和溫度； c.確定在時刻“η”的電阻值，其中，在所述電池電流的大小的變化大于預設的閾值(ΤΗ_1)，并且其中所述電池電流的大小小于預設的閾值ΤΗ_2 ； d.通過直接法確定時 刻“η”的S0C，其中，所述電池尚未得到充分松弛，電池電流的大小大于閾值ΤΗ_3 ； 可選擇地通過直接法確定時刻“η”的S0C，其中，電池電流的大小小于所述閾值ΤΗ_3和松弛計數(shù)器從設定值以整數(shù)值遞減； 或 通過間接法確定S0C，其中電池是充分松弛的，電池電流的大小小于閾ΤΗ_4， e.通過最小均方法利用估算的SOC計算電池容量“C”； f.以最小化DC偏置電流和電池容量誤差計算的SOC來確定電池的健康狀態(tài)(S0H);及 g.重復步驟“b”到“f”用于測量SOC新變量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在通過直接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，電池電流的大小大于所述閾值TH_3和電池尚未充分松弛來設置松弛計數(shù)器，包括: a.利用最小二乘法定期確定電池的容量和電池的SOH及更新直接法使用的公式中的容量和偏移量； b.采樣變量，即在時刻“η”的電壓、電流和溫度； c.確定前一時刻“η-l”的S0C; d.采樣在“η”和“η-l”之間的可變采樣周期(ΛT )的電池電流； e.測量準確的電池容量“C”和DC偏移電流“ d”。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在通過直接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，電池電流的大小小于所述閾值TH_3和松弛計數(shù)器從所述設定值遞減；進一步包括: a.利用最小二乘法首先定期確定電池容量和電池SOH ；b.采樣變量，即在時刻“n”的電壓、電流和溫度； c.確定時刻“n”的電阻值，其中電池電流的大小大于閾值Τn_1，或其中所述電池電流大小小于閾值Τn_2 ； d.確定在前一時刻“n-l”的SOC; e.采樣在“n-l”和“n”之間的可變采樣周期(ΔT )的電池電流； f.測量精確的電池容量“C”和DC偏移電流“d”。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在通過間接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其中電池是充分松弛的，電池電流的大小小于閾值TH_4，包括: a.采用最小二乘法定期確定電池容量和電池SOH； b.抽樣變量，即在時刻“n”的電壓、電流和溫度； c.通過測量電池端電壓(Vb)，電池電流(Ib)和電阻阻抗(R)來確定電池開路電壓(OCV)； d.通過圖形化的方法估算電池S0C。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，當電池電流之間的差值大小即絕對值[Ib(n)-1b(n-1)]大于閾值即！^!，確定電阻“!?”。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，當前一狀態(tài)的電池電流即Ib(n-1)或運行狀態(tài)的電池電流即Ib (n)小于閾值即Τn_2時，確定電阻“R”。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，所述電池尚未充分松弛以設置松弛計數(shù)器為對應于基于溫度和電池電流大小的松弛時間的整數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，當電池電流的大小小于所述閾值Τn_3時，所述松弛計數(shù)器以因子I減少。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，確定所述SOH的方法包括: a.通過所述間接方法在不同的時刻獲取估算的S0C，其中，兩個連續(xù)的SOC之間的差值(Ak)大于預定閾值TH_5 ； b.計算連續(xù)兩個樣本之間的累計電流或電荷轉(zhuǎn)移Bk； c.通過最小均方法利用步驟a和步驟b估算的參數(shù)來計算電池容量的“C”； d.利用步驟b中計算的所述電池容量“C”計算S0H。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，當SOC之間的差值大小即Ak大于閾值即TH_5時，確定電池容量“c”。
14.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統(tǒng)，其特征在于，所述電池是鋰電池。
【文檔編號】G01R31/36GK103797375SQ201280044057
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】P·A·R·庫卡尼, M·杰匹, M·沙 申請人:Kpit技術(shù)有限責任公司