CN107247235A - 一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法，包括：S1基于基尔霍夫电压定律，建立电池充电电压表达式；S2利用数学变化法使老化后的充电电压‑容量曲线与标准曲线重合；将老化后的充电电压‑容量曲线纵向平移ΔU使其在充电平台期与标准曲线重合，再将纵向平移后的电池老化曲线横向拉伸k倍并平移使两条曲线重合，则老化后单体电池容量可表示为：C₂＝C₁/k；S3根据水桶效应原理，将电池组容量表示为：C_pack＝min(C_i)＝min(C_ri)+C_c；S4假设“正常单节电池”内部各单体电池间参数一致，利用“正常单节电池”容量估算电池组容量：C_pack＝C₀·SOC_{limit_V}。本发明考虑了并联单体电池差异对单节电池容量的影响，保证了各单体电池安全。

Description

一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及电动汽车动力电池容量估算方法。

背景技术

为了防止电动汽车动力电池组过充过放，延长电池组循环使用寿命，从而提高电动汽车整体性能和安全性，一般要求电池管理系统能够实时准确的预估电池组容量。目前，针对单体电池，研究者提出了一系列基于模型与数据融合的电池容量估算方法，包括：最小二乘法、卡尔曼滤波算法、多元自适应回归样条、支持向量机及粒子滤波算法等，这些方法在对单体电池容量估算时表现出了良好的适应性及较高的精度。

电池组集成时，一般会对单体电池进行筛选，选出具有相似容量及内阻的单体电池，并联构成单节电池，再将单节电池串联成电池组。若将电池组视为一个大容量高电压的单体电池，理论上单体电池容量估算方法经过简单数量乘积即可直接用于电池组容量的估算。鉴于单体电池间差异，电池组容量将受到短板效应的影响。研究者将单节电池视作整体，仅考虑电池组中串联成分单节电池差异，对电池组容量的估算方法进行了研究。通过增加描述单节电池容量的状态方程，分别利用卡尔曼滤波算法及最小二乘法对电池组中各单节电池容量进行求解，进而实现了电池组容量的估算。为了提高效率，提出了双时间尺度扩展卡尔曼滤波算法，通过不同时间尺度分别求解单节电池容量及其荷电状态来估算电池组容量。这些算法中测量方程的建立一般基于模型或经验公式，导致算法的计算精度取决于所采用的单节电池模型精度，而建立包含并联单体电池差异的单节电池模型显得较为困难。针对此，在假设电池组中各单节电池荷电状态-开路电压曲线一致的前提下，提出利用单节电池充电电压曲线变换的电池组容量估算方法。

将单节电池视为整体单元，单节电池容量一般被定义为单体电池容量与并联单体电池数的乘积，或从单节电池充电截止电压到其放电截止电压所能放出的总电量。但单节电池内各单体电池内阻差异将导致流经各单体电池电流的不一致，造成各单体电池充放电深度的不同，进而影响单节电池容量估算的准确性。这也是尽管有电池管理系统保护，单体电池仍出现过充/放的原因之一。

发明内容

针对上述问题，本发明基于单体电池使用安全性，研究考虑并联单体电池差异的电池组容量估算方法。采用的技术方案如下：

基于基尔霍夫电压定律，电池充电电压V可表示为：其中，表示电阻R₀上的电压，表示电阻R_i上的电压，i＝1…n。

电池开路电压与SOC存在一定的函数关系，且该关系不随电池老化变化。由上式可知，假设单体电池内阻和充电电流不变，电池充电电压V只与电池开路电压E_m有关，则单体电池V-SOC曲线完全重合。若单体电池剩余容量和总容量相同，则单体电池充电电压-容量曲线也将完全重合。实际电池内阻和容量将受电池老化的影响，这将导致老化后电池充电电压-容量曲线与标准曲线出现偏离。两条曲线电压方向的偏移主要是由于电池内阻的增加引起，在总充入容量方向的差异主要受制于单体电池容量的衰减。利用数学变化法可将老化后的充电电压-容量曲线与标准曲线重合，具体过程为：将老化后的充电电压-容量曲线纵向平移ΔU，使其在充电平台期与标准曲线重合，再将纵向平移后的电池老化曲线横向拉伸k倍并平移使两条曲线重合，则老化后单体电池容量可表示为C₂＝C₁/k，其中，C₁、C₂分别为标准及老化后单体电池容量，拉升因子k表示单体电池老化程度。

根据水桶效应原理，电池组容量取决于充入容量和充电开始前最低单节电池剩余容量，则以保证电池组中各单体电池安全的前提下，电池组容量可表示为C_pack＝min(C_i)＝min(C_ri)+C_c，其中，C_pack为电池组容量，C_i表示单节电池i的容量，C_ri代表充电初期单节电池i的剩余容量，C_c为充入容量，i＝1...n.

充电过程中，“正常单节电池”充电电压低于“差异单节电池”充电电压，充电起始时刻剩余容量最小的单节电池在充入相同容量的情况下表现出最低的充电电压。综上，可在假设“正常单节电池”内部各单体电池间参数一致的情况下，可利用“正常单节电池”容量估算电池组容量。假设“正常单节电池”内部各单体电池间参数一致的情况下，可利用“正常单节电池”容量估算电池组容量。

若“正常单节电池”容量为C₀，则电池组容量可表示为C_pack＝C₀·SOC_{limit_V}，式中，SOC_{limit_V}表示当电池组中某一老化单节电池达到充电截止电压limit_V(此值与电池结构和充电电流有关)时“正常单节电池”SOC值。利用数学变换法估算“正常单节电池”容量C₀，利用SOC与充电电压的关系曲线估算“正常单节电池”SOC_{limit_V}。

本发明的有益效果：

本发明提出了利用充电结束时“正常单节电池”SOC及容量估算电池组容量的新方法。该方法考虑了并联单体电池差异对单节电池容量的影响，保证了单体电池安全。该方法劈开了比较常用的基于电池模型的电池容量估算方法，具有高精度、高效率的特点。本发明高精度的原因是该方法不受制于电池模型参数老化的影响，本发明高效率在于直接采用充电电压曲线与容量的关系来估算“正常单节电池”容量及充电截止电压时SOC，进而实现电池组容量的估算。

附图说明

图1基于充电曲线单体电池容量估算原理。

其中，(a)表示实测单体电池标准及老化后充电电压-充入电量曲线，(b)表示将老化后的电池充电电压-充入电量曲线纵向平移后的结果，(c)表示将纵向平移后的老化曲线横向拉升k倍并平移的结果。

图2充电结束时正常单节电池SOC与充电电压关系。

图3单体电池实测容量及欧姆内阻随循环数的变化曲线。

图4利用函数关系法及安时积分法估算得到的电池组容量。

具体实施方式

下面结合附图1-4对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

基于基尔霍夫电压定律，电池充电电压V可表示为：

式中，表示电阻R₀上的电压，表示电阻R_i上的电压，i＝1…n。

电池开路电压与SOC存在一定的函数关系，且该关系不随电池老化变化。由式(1)可知，假设单体电池内阻和充电电流不变，电池充电电压V只与电池开路电压E_m有关，则单体电池V-SOC曲线完全重合。若单体电池剩余容量和总容量相同，则单体电池充电电压-容量曲线也将完全重合。实际电池内阻和容量将受电池老化的影响，这将导致老化后电池充电电压-容量曲线与标准曲线出现偏离，如图1(a)所示。两条曲线电压方向的偏移主要是由于电池内阻的增加引起，在总充入容量方向的差异受制于单体电池容量的衰减。利用数学变化法可将老化后的充电电压-容量曲线与标准曲线重合，具体原理如图1所示。图1(b)中将老化后的充电电压-容量曲线纵向平移ΔU，使其在充电平台期与标准曲线重合，再将纵向平移后的电池老化曲线横向拉伸k倍并平移使两条曲线重合，如图1(c)所示，则老化后单体电池容量可表示为：

C₂＝C₁/k (2)

式中，C₁、C₂分别为标准及老化后单体电池容量。拉升因子k表示单体电池老化程度。

根据水桶效应原理，电池组容量取决于充入容量和充电开始前最低单节电池剩余容量，则以保证电池组中各单体电池安全的前提下，电池组容量可表示为：

C_pack＝min(C_i)＝min(C_ri)+C_c (3)

式中，C_pack为电池组容量，C_i表示单节电池i的容量，C_ri代表充电初期单节电池i的剩余容量，C_c为充入容量，i＝1...n.

充电过程中，“正常单节电池”充电电压低于“差异单节电池”充电电压，充电起始时刻剩余容量最小的单节电池在充入相同容量的情况下表现出最低的充电电压。综上，可在假设“正常单节电池”内部各单体电池间参数一致的情况下，可利用“正常单节电池”容量估算电池组容量。

假设“正常单节电池”容量为C₀，则电池组容量可表示为：

C_pack＝C₀·SOC_{limit_V} (4)

式中，SOC_{limit_V}表示当电池组中某一老化单节电池达到充电截止电压limit_V(此值与电池结构和充电电流有关)时，“正常单节电池”SOC值。利用数学变换法估算“正常单节电池”容量C₀，利用SOC与充电电压的关系曲线估算“正常单节电池”SOC_{limit_V}。

将20节3.2V，8Ah磷酸铁锂单体电池并联构成单节电池，设定单节电池中的“差异单节电池”容量为初始容量的80％，图2显示了单节电池内包含不同数目“差异单节电池”，充电电流为1C下“差异单节电池”充电达到充电截止电压3.60V时“正常单节电池”SOC与充电电压V的关系曲线。从图中可以看出，“正常单节电池”SOC与充电电压V有良好的函数关系，可用SOC＝f(V)描述。为考核这一关系的普遍性，随机产生了0-1间(不包含0)的各单体电池容量衰减系数，并结合图3所示电池容量保持率及电池欧姆内阻增长系数的变化趋势，估算得到此时电池欧姆内阻修正系数。图2中同时标出了随机工况下“正常单节电池”SOC及充电电压V值。由图可见，3点均落于曲线上，表明不同老化程度的“差异单节电池”到达充电截止电压时，“正常单节电池”SOC与端电压具有良好的关系。

实车应用时，将电池厂家提供的设定电流下的单节电池充电曲线作为单节电池充电电压-容量标准曲线，在同样的充电电流下，可用图1所示原理估算“正常单节电池”容量C₀及由于内阻增加引起的电压偏差ΔU，再根据式(4)即可计算得到电池组容量，暂称此种计算电池组容量的方法为函数关系法。

在25℃下对8只GH-8Ah(3.2V,8Ah)磷酸铁锂单体电池进行8A恒流充电试验。验证试验开始前先对各单体电池容量进行标定。容量标定试验初始条件为单体电池电压为2V(SOC视作0)，结束条件为单体电池充电电压达3.60V。试验过程中同步记录每一单节电池电流、电压及容量，记录数据间隔为1s，表1为充电结束时利用安时积分法计算的单节电池容量。从表1中可以看出，1号单节电池容量最高，暂将其视作“正常单节电池”用于其余7节单节电池容量的标定。将1号单节电池分别与其余7节单节电池串联构成7个6.4V，8Ah电池组，进行8A恒流充电试验，充电初始条件电池组电压为4V，充电结束条件为电池组中某一节单节电池充电电压达3.60V。图4对比了利用函数关系法及安时积分法估算得到的电池组容量。由图可见，两种方法估计得到的电池组容量最大误差为0.35％，表明了依据函数关系可在考虑单体电池安全的前提下准确估算电池组容量。

表1试验用8只单体电池容量

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法，其特征在于，包括如下：

S1：基于基尔霍夫电压定律，电池充电电压V表示为：

<mrow> <mi>V</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>V</mi> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>V</mi> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> </mrow>

式中，表示电阻R₀上的电压，表示电阻R_i上的电压，i＝1…n；E_m表示开路电压；

S2：利用数学变化法将老化后的充电电压-容量曲线与标准曲线重合；将老化后的充电电压-容量曲线纵向平移ΔU，使其在充电平台期与标准曲线重合，再将纵向平移后的电池老化曲线横向拉伸k倍并平移使两条曲线重合，则老化后单体电池容量可表示为：

C₂＝C₁/k

式中，C₁、C₂分别为标准及老化后单体电池容量，拉升因子k表示单体电池老化程度；

S3：根据水桶效应原理，电池组容量取决于充入容量和充电开始前最低单节电池剩余容量，则以保证电池组中各单体电池安全的前提下，电池组容量可表示为：

C_pack＝min(C_i)＝min(C_ri)+C_c

式中，C_pack为电池组容量，C_i表示单节电池i的容量，C_ri代表充电初期单节电池i的剩余容量，C_c为充入容量，i＝1...n；

S4：假设“正常单节电池”内部各单体电池间参数一致，利用“正常单节电池”容量估算电池组容量；具体地：

假设“正常单节电池”容量为C₀，则电池组容量可表示为：

C_pack＝C₀·SOC_{limit_V}

式中，SOC_{limit_V}表示当电池组中某一老化单节电池达到充电截止电压limit_V时，“正常单节电池”SOC值；利用数学变换法估算“正常单节电池”容量C₀，利用“正常单节电池”SOC与充电电压的关系曲线估算其SOC_{limit_V}。

2.根据权利要求1所述的一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法，其特征在于，所述S4的具体过程：将若干节磷酸铁锂单体电池并联构成单节电池，设定单节电池中的“差异单体电池”容量为初始容量的80％，结合电池容量保持率及电池欧姆内阻增长系数的变化趋势，估算得到此时电池欧姆内阻修正系数；不同老化程度的“差异单节电池”到达充电截止电压时，“正常单节电池”SOC与端电压具有良好的关系；将“正常单节电池”SOC与充电电压V用SOC＝f(V)表述；

实车应用时，将电池厂家提供的设定电流下的单节电池充电曲线作为单节电池充电电压-容量标准曲线，在同样的充电电流下，估算“正常单节电池”容量C₀及由于内阻增加引起的电压偏差ΔU，再根据S4的表达式即可计算得到电池组容量。

3.根据权利要求2所述的一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法，其特征在于，所述若干节磷酸铁锂单体电池具体设为：20节3.2V、8Ah磷酸铁锂单体电池。

4.根据权利要求2所述的一种考虑并联电池差异的电池组容量估算方法，其特征在于，所述充电截止电压为3.60V。