CN110673040A - 一种电动汽车动力电池soc估算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动汽车动力电池SOC估算方法及装置，在动力电池进行充电或放电时，获取该动力电池初始时刻的荷电状态；计算得到从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量；以上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量作为该动力电池的最大容量；根据所述该动力电池初始时刻的荷电状态、容量变化量和最大容量，得到该动力电池当前时刻的荷电状态。本发明在计算动力电池SOC时，不再使用标称容量来代替最大容量，而是使用上次充满电或者放完电时计算得到的SOC的实际最大容量来代替该动力电池的最大容量，使用该值将电池老化对电池容量的影响考虑在内，使得对动力电池SOC的估算较为准确。

Description

一种电动汽车动力电池SOC估算方法及装置

技术领域

本发明属于电动汽车技术领域，具体涉及一种电动汽车动力电池SOC估算方法及装置。

背景技术

随着传统能源的消耗和新能源技术的不断发展，电池作为储能装置，因其高效利用率和安全使用性，越来越被人们所需求。

电池管理系统(Battery Magament System，BMS)是电动汽车的一个重要部件，而电池的荷电状态(State of Charge，SOC)估算是电池管理系统的关键技术之一。若能够精确地估算出电动汽车的电池剩余能量、续航里程等信息，将为电动汽车的使用者提供较大帮助，而且，在得到这些有用信息的情况下能够方便电动汽车使用者合理利用电池，避免对电池的伤害。因此，电动汽车动力电池SOC的准确估算对保证电池系统的安全、延长电池系统的使用寿命，降低电池系统的维护成本等均具有重要意义。

电池SOC一般定义为：剩余容量Q_rem与实际容量Q_N的百分比，即：然而，在对电池SOC进行估算时，存在以下问题：

1)剩余容量Q_rem和实际容量Q_N是在某个特定的放电条件下得到的，其中，当电池外电压达到截止电压为放完电的依据。然而，在电动汽车使用时不可能按照某个固定的电流和温度进行放电，当电池外电压达到放电终止电压前，剩余容量Q_rem和实际容量Q_N均不能确定，电池的SOC与其运行工况耦合，甚至出现矛盾；

2)在电动汽车实际使用时，并不像电池循环测试那样按照某个固定的工况进行全充或者全放，所以实际容量并不容易得到。于是，在对SOC进行估算时，常常以标称容量代替实际容量，这种估算方法忽略电池老化后实际容量下降的问题，必将导致电池SOC估算误差增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车动力电池SOC估算方法及装置，用以解决使用标称容量来代替最大容量导致SOC估算误差较大的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种电动汽车动力电池SOC估算方法，包括如下步骤：

在动力电池进行充电或放电时，获取该动力电池初始时刻的荷电状态；

计算得到从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量；

以上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量作为该动力电池的最大容量；

根据所述该动力电池初始时刻的荷电状态、容量变化量和最大容量，得到该动力电池当前时刻的荷电状态；所述当前时刻的荷电状态为：

SOC_end＝SOC_ini+ΔQ/Q_max

其中，SOC_end为当前时刻的荷电状态，SOC_ini为初始时刻的荷电状态，ΔQ为容量变化量，Q_max为最大容量。

本发明还提供了一种电动汽车动力电池SOC估算装置，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

在动力电池进行充电或放电时，获取该动力电池初始时刻的荷电状态；

计算得到从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量；

以上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量作为该动力电池的最大容量；

根据所述该动力电池初始时刻的荷电状态、容量变化量和最大容量，得到该动力电池当前时刻的荷电状态；所述当前时刻的荷电状态为：

SOC_end＝SOC_ini+ΔQ/Q_max

其中，SOC_end为当前时刻的荷电状态，SOC_ini为初始时刻的荷电状态，ΔQ为容量变化量，Q_max为最大容量。

本发明的有益效果：

本发明在计算动力电池SOC时，不再使用标称容量来代替最大容量，而是使用与动力电池的最大容量较为接近的值，即使用上次充满电或者放完电时计算得到的SOC的实际最大容量来代替该动力电池的最大容量，使用该值将电池老化对电池容量的影响考虑在内，使得对动力电池SOC的估算较为准确。

作为方法的进一步改进，为了获得该动力电池准确的初始时刻的荷电状态，当动力电池距离上次工作时间超过设定时间时，通过采集动力电池初始时刻的端电压，查SOC-OCV表来得到与端电压对应的该动力电池初始时刻的荷电状态。

在动力电池距离上次工作时间超过设定时间状况下，动力电池的电压较为稳定，使得通过查表法来获得的该动力电池初始时刻的荷电状态较为准确。

作为方法的进一步改进，采用安时积分法来得到所述从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量：

其中，ΔQ为从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量，

为初始时刻，

为当前时刻，i为从初始时刻到当前时刻的充电电流或放电电流。

作为方法的进一步改进，为了得到动力电池的实际最大容量，所述上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量为：

其中，Q′_max为上次充满电情况下得到的动力电池的实际最大容量，

为上次充满电或放完电过程中的容量变化量，t_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻，t_end为上次充满电或者放完电情况下的结束时刻，i′为上次充满电情况下充电过程中的充电电流或上次放完电情况下放电过程中的放电电流，SOC′_end为上次充满电或者放完电后的荷电状态，SOC′_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻的荷电状态。

作为装置的进一步改进，为了获得该动力电池准确的初始时刻的荷电装置，当动力电池距离上次工作时间超过设定时间时，通过采集动力电池初始时刻的端电压，查SOC-OCV表来得到与端电压对应的该动力电池初始时刻的荷电状态。

在动力电池距离上次工作时间超过设定时间状况下，动力电池的电压较为稳定，使得通过查表法来获得的该动力电池初始时刻的荷电状态较为准确。

作为装置的进一步改进，采用安时积分法来得到所述从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量：

其中，ΔQ为从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量，

为初始时刻，

为当前时刻，i为从初始时刻到当前时刻的充电电流或放电电流。

作为装置的进一步改进，为了得到动力电池的实际最大容量，所述上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量为：

其中，Q′_max为上次充满电情况下得到的动力电池的实际最大容量，

为上次充满电或放完电过程中的容量变化量，t_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻，t_end为上次充满电或者放完电情况下的结束时刻，i′为上次充满电情况下充电过程中的充电电流或上次放完电情况下放电过程中的放电电流，SOC′_end为上次充满电或者放完电后的荷电状态，SOC′_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻的荷电状态。

附图说明

图1是系统框图；

图2-1是电流检测模块电路中的分流模块电路图；

图2-2是电流检测模块电路中的电流放大电路、A/D采样电路和信号隔离电路；

图3-1是单体电池电压检测电路中的十二节电池输入电路图；

图3-2是单体电池电压检测电路中的单体电池电压采集电路、信号隔离电路图；

图4是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为了实现对电动汽车动力电池SOC的准确估算，本发明提供了一种电动汽车动力电池SOC估算装置，该装置包括处理器，该处理器用于执行指令实现本发明的电动汽车动力电池SOC估算方法。下面结合附图及实施例，对该方法作进一步的详细说明。

下面对该方法的原理做详细的解释和说明，其步骤如下：

1、电池荷电状态的定义

SOC_end＝Q_rem/Q_max＝SOC_ini+ΔQ/Q_max (1)

其中，SOC_ini为初始时刻的荷电状态，SOC_end为当前时刻的荷电状态，ΔQ为从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量，Q_max为动力电池的最大容量。

从式(1)中可以看出，要实现对当前时刻的荷电状态SOC_end的准确估计，需要确定的参数包括从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量ΔQ、初始时刻的荷电状态SOC_ini和动力电池的最大容量Q_max。

2、从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量ΔQ的计算

由于动力电池具有很高的充放电容量效率，所以ΔQ可采用安时积分法获得，即通过电流对时间的积分获得：

其中，

为初始时刻，

为当前时刻，i为从初始时刻到当前时刻的充电电流或放电电流。

3、初始时刻的荷电状态SOC_ini的估算

在电池静置2小时以上(该时间可根据实际情况自行设定)，此时单体电池的电压较为稳定，采集各单体电池的端电压U_ocv，通过查SOC-OCV表来得到与端电压对应的该动力电池初始时刻的荷电状态SOC_ini：

1)车辆时间搁置时，如夜间停驶后，电池的极化电压U_p能得到充分的消退，此时可对动力电池的初始时刻的荷电状态SOC_ini进行修正；

2)充满电时，此时，一方面开路电压对电池荷电状态变化率影响较大，另一方面此时充电电流较小，可以忽略欧姆压降和极化电压，直接依据电池外电压实现对动力电池的初始时刻的荷电状态SOC_ini的修正。

4、动力电池的最大容量Q_max的计算

结合电池荷电状态的定义和上述计算可知，动力电池的最大容量可通过下式进行计算得到：

根据上述介绍的，动力电池在实际充电或放电过程中的ΔQ可以在线累加，只要这个过程中能够有效地得到SOC_ini和SOC_end即可实现对Q′_max的估算。为了得到更好的估算效果，需要SOC_ini～SOC_end尽可能大，可采用充电前和充满电两个时刻进行电池最大可用容量的修正。故可采用上次充满电情况下或者放完电情况下得到的实际最大容量Q′_max作为该动力电池进行该次充电或放电中的动力电池的最大容量Q_max。

为了实现上述方法，现采用了如图1所示的系统来实现对电流、端电压的采集，具体的电流采集、电压采集电路分别如图2-1、2-2、3-1、3-2所示。

如图1所示，该系统包括MCU模块，通过IIC接口连接电流检测模块，通过SPI接口连接单体电池电压检测模块。MCU模块为该系统的核心处理模块，可读取电流检测模块采集的电流数据和单体电池电压检测模块采集的电压数据，以实现对动力电池SOC的估算，并将该信息通过CAN1接口发送至整车控制器。

这里的MCU模块可选用单片机MPC5744P芯片，该芯片具有三路CAN接口，CAN1接口外接整车控制器，CAN2接口外接充电机，CAN3接口为预留接口。

如图2-1、2-2所示，电流检测模块包括分流电路、电流放大电路、A/D采样电路和信号隔离电路。

分流电路包括设置在母线上的分流器FL1，用于采集动力电池母线电流信号。分流器FL1采集的电流信号输入至电流放大电路，以对采集的信号进行放大。

电流放大电路包括滤波模块和运放芯片U1，滤波模块用以将分流器FL1采集的电流信号进行滤波，滤波模块的输入端连接分流器FL1的输出端，输出端连接至运放芯片U1的输入端IN-/IN+，用以通过运放芯片U1将经过滤波的信号进行放大。这里的滤波模块是由第一π型滤波器、第二π型滤波器、电阻R1、电阻R2组成的滤波模块。运放芯片U1选用AD620AN，运放芯片U1的输出端DUTPUT通过电阻R4连接A/D采样电路的输入端；同时，运放芯片U1的第一管脚通过运放增益系数电阻R3连接运放芯片U1的第八管脚。

A/D采样电路包括A/D芯片U2，A/D芯片U2的输入端AIN0通过电阻R4连接运放芯片U1的输出端，还通过电容C1接地；A/D芯片U2的输出端连接信号隔离电路的输入端。这里的A/D芯片U2选用ADS1115。

信号隔离电路包括数字隔离芯片U3，数字隔离芯片U3的SCL1端连接A/D芯片U2的SCL端，还通过上拉电阻R5连接+5VS；SDA1端连接A/D芯片的SDA端，还通过上拉电阻R6连接+5VS。数字隔离芯片U3的输出端SCL2和SDA2将母线电流采集值发送给MCU模块；SCL2端还通过上拉电阻R7连接+5VS，SDA2端还通过上拉电阻R8连接+5VS。

这里的单体电池电压检测电路包括十二节电池输入电路，如图3-1所示，包括由电阻R11～R23、电容C10～C22、电感L4、齐纳二极管D1～D13组成滤波模块，将滤波后的信号输入至电池监控芯片U4进行电压采集。这里的电池监控芯片U4选用LTC6803HG-4(即A/D芯片)，进行电压采集。然后，如图3-2所示，将采集的电压信号经数字隔离芯片U5，将单体电压信号值发送至MCU模块。这里的数字隔离芯片可选用ADuM1401ARZ。

基于上述电路，可将本发明的方法应用于电动汽车动力电池SOC的估算上来，具体控制过程如图4所示：

1、通过点火钥匙开关切换档位或插入充电机插头两种方式给系统上电，启动MCU模块。

2、MCU进行软件初始化工作，包括硬件初始化和系统变化量初始化。硬件初始化包括电流检测模块初始化、单体电池电压检测模块初始化等；系统变量初始化包括SOC_ini和Q_max的赋值(SOC_ini和Q_max从EEPROM中读取)。

3、此时电动汽车未启动，动力电池输出电流较小，可以忽略欧姆压降和极化电压，MCU模块启动单体电池电压检测模块，获取单体电池的电压数据。

4、MCU模块通过查询SOC-OCV表来获取与单体电池电压数据相对应的电池的SOC_ini。若本次和上一次的MCU模块启动时间间隔大于2个小时，则更新系统变量SOC_ini，并在EEPROM中更新SOC_ini；反之，则丢掉本次查表获取的SOC_ini。

5、MCU模块每100ms读取电流检测模块的电流数据，通过电流对时间的积分得到放电/充电变化容量ΔQ。

6、在电动汽车行驶过程中，MCU模块可根据SOC_ini、ΔQ和Q_max三个值并根据式(1)来实时估算电池的荷电状态。

7、电动汽车充满电时，MCU模块根据式(3)修正Q_max，并在EEPROM中更新Q_max。

8、点火锁断电，MCU模块在EEPROM中更新SOC_end。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

在动力电池进行充电或放电时，获取该动力电池初始时刻的荷电状态；

计算得到从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量；

以上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量作为该动力电池的最大容量；

根据所述该动力电池初始时刻的荷电状态、容量变化量和最大容量，得到该动力电池当前时刻的荷电状态；所述当前时刻的荷电状态为：

SOC_end＝SOC_ini+ΔQ/Q_max

其中，SOC_end为当前时刻的荷电状态，SOC_ini为初始时刻的荷电状态，ΔQ为容量变化量，Q_max为最大容量。

2.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，当动力电池距离上次工作时间超过设定时间时，通过采集动力电池初始时刻的端电压，查SOC-OCV表来得到与端电压对应的该动力电池初始时刻的荷电状态。

3.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，采用安时积分法来得到所述从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量：

其中，ΔQ为从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量，为初始时刻，为当前时刻，i为从初始时刻到当前时刻的充电电流或放电电流。

4.根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOC估算方法，其特征在于，所述上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量为：

其中，Q′_max为上次充满电情况下得到的动力电池的实际最大容量，为上次充满电或放完电过程中的容量变化量，t_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻，t_end为上次充满电或者放完电情况下的结束时刻，i′为上次充满电情况下充电过程中的充电电流或上次放完电情况下放电过程中的放电电流，SOC′_end为上次充满电或者放完电后的荷电状态，SOC′_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻的荷电状态。

5.一种电动汽车动力电池SOC估算装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

在动力电池进行充电或放电时，获取该动力电池初始时刻的荷电状态；

计算得到从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量；

以上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量作为该动力电池的最大容量；

根据所述该动力电池初始时刻的荷电状态、容量变化量和最大容量，得到该动力电池当前时刻的荷电状态；所述当前时刻的荷电状态为：

SOC_end＝SOC_ini+ΔQ/Q_max

其中，SOC_end为当前时刻的荷电状态，SOC_ini为初始时刻的荷电状态，ΔQ为容量变化量，Q_max为最大容量。

6.根据权利要求5所述的电动汽车动力电池SOC估算装置，其特征在于，当动力电池距离上次工作时间超过设定时间时，通过采集动力电池初始时刻的端电压，查SOC-OCV表来得到与端电压对应的该动力电池初始时刻的荷电状态。

7.根据权利要求5所述的电动汽车动力电池SOC估算装置，其特征在于，采用安时积分法来得到所述从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量：

其中，ΔQ为从初始时刻到当前时刻的动力电池的容量变化量，

为初始时刻，

为当前时刻，i为从初始时刻到当前时刻的充电电流或放电电流。

8.根据权利要求5所述的电动汽车动力电池SOC估算装置，其特征在于，所述上次充满电或者放完电情况下计算得到的动力电池的实际最大容量为：

其中，Q′_max为上次充满电情况下得到的动力电池的实际最大容量，

为上次充满电或放完电过程中的容量变化量，t_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻，t_end为上次充满电或者放完电情况下的结束时刻，i′为上次充满电情况下充电过程中的充电电流或上次放完电情况下放电过程中的放电电流，SOC′_end为上次充满电或者放完电后的荷电状态，SOC′_ini为上次充满电或者放完电情况下的初始时刻的荷电状态。

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