CN111679212A - 计算电池在不同温度和充放电倍率下soc的方法及系统和装置 - Google Patents

Abstract

一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法及系统和装置，该方法步骤为：测量电池在当前温度和充放电倍率下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同温度和充放电倍率下的可用容量损失标幺值；利用得到的电池在不同温度和充放电倍率下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。该系统包括处理器以及与处理器耦合的存储器。该装置包括测量单元和折算单元。本发明考虑温度对电池容量和库伦效率的影响，采用可用容量损失标幺值，将电池在不同工作状态下的SOC进行折算，提高了SOC在不同工作状态下的精度。

Description

计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法及系统和 装置

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法及系统和装置。

背景技术

随着锂电池应用的日益广泛，锂电池的应用环境变化越来越大，特别是在电动汽车应用领域，多变的工作环境温度、复杂的行驶工况等对锂电池提出了较高的使用要求；工作温度对锂电池性能、寿命和安全等的影响至关重要，在不同的环境温度和充放电倍率下，电池的性能和各种参数都会发生不同程度的变化，尤其在高温、低温和大倍率充放电的恶劣环境下，电池的充放电特性都会变差，特别是电池的实际可用容量会有较大的变化，而实际容量是计算电池的荷电状态(State of Charge,SOC)的关键参数，对SOC的精度影响较大。

SOC是描述电池当前状态下剩余容量的重要参数，对于电池系统的可靠运行意义重大，关系着电池系统的高效工作、安全、使用寿命及实时可用容量等问题。锂离子电池的电化学反应过程使其本身表现出很强的非线性、时变特征，另外电池受正负极材料差异性、使用环境差异性以及充放电电流倍率差异性等随机因素影响，如何准确、可靠地实现SOC估算是当前电池系统研究的难点。

要想准确估算出锂电池的SOC，首先要对SOC做一个较明确的定义。结合当前的相关研究，SOC定义为电池实际剩余容量与电池实际最大可用容量的比值：

Q_remain和Q_total都是指当前状态下电池的实际剩余容量和实际最大可用容量，但是随着电池工作状态的变化，Q_remain和Q_total会发生变化，要实现精准的SOC计算须考虑各种因素。当前，SOC估计算法种类繁多，有些算法是在电池特殊的充放电情况下进行的。如开路电压法、安时积分法、人工神经网络和卡尔曼滤波等方法；开路电压法具有简单易操作等优点，但是要求电池达到稳定状态需要将电池静置2个小时或更长时间，才能准确的获得电池的开路电压，不适合在线计算；安时积分法简单直接，是各种SOC计算方法的基础，在短时间内能够准确估算出SOC，在实际工程应用中，安时积分法常与其他方法组合使用。

传统安时积分法采用的电池容量、库伦效率和SOC的定义，都是基于电池工作在标称工作条件(温度条件和电流条件)测得的参数，但是在不同工作条件下，电池的这些参数已经发生了较大变化。锂电池在低温条件下，由于欧姆内阻增大，会导致电池端电压降低而导致放电容量减少，电池放电能力也明显下降；在高温时，由于极化内阻的增加，电池的放电能力有所衰减，但是可用容量会增加；电池在大倍率充放电时，电池极化严重，会导致实际可用容量降低；因此使用这些标称条件下的参数进行SOC计算会导致误差较大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中锂电池SOC在不同工作状态下的精度不高的问题，提供了一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法及系统和装置。

本发明采用如下技术方案来实现的：

计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，包括以下步骤：

测量电池在当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同状态下的可用容量损失标幺值；

利用得到的电池在不同状态下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。

进一步的，当前状态下的电池SOC的计算公式如下：

式中：SOC_(t,I)为当前状态下电池的荷电状态，SOC'_(t,I,Δt)为上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC，η为当前状态下电池的库伦效率，C_(t,I)为当前状态下的实际可用容量，I为当前状态下的电池电流，且放电状态时电流为正，充电状态时电流为负；Δt为当前状态与上一状态之间的充放电时间段。

进一步的，充电状态时，上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC的计算公式为：

式中：SOC_(t,I,Δt)为将上一状态的电池SOC，Q_s1为上一状态电池的实际可用容量，Q_s2为当前状态下电池的实际可用容量，Q₀为标称状态下的实际可用容量，Δq_cs1为上一状态电池的可用充电容量损失标幺值，Δq_cs2为当前状态下电池的可用充电容量损失标幺值。

进一步的，可用充电容量损失标幺值是此刻状态下的可用充电容量损失与标称状态下的实际可用容量的比值。

进一步的，计算可用充电容量损失标幺值时，均需要将电池在标称状态下和此刻状态下静置一段时间。

进一步的，放电状态时，上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC的计算公式为：

式中：SOC_(t,I,Δt)为将上一状态的电池SOC，Q_s1为上一状态电池的实际可用容量，Q_s2为当前状态下电池的实际可用容量，Q₀为标称状态下的实际可用容量，Δq_ds1为上一状态电池的可用放电容量损失标幺值，Δq_ds2为当前状态下电池的可用放电容量损失标幺值。

进一步的，可用放电容量损失标幺值是此刻状态下的可用放电容量损失与标称状态下的实际可用容量的比值。

进一步的，计算可用放电容量损失标幺值时，均需要将电池在标称状态下和此刻状态下静置一段时间。

计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的系统，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法步骤。

计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的装置，所述装置包括：

测量单元，用于测量电池在当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同状态下的可用容量损失标幺值；

折算单元，利用得到的电池在不同状态下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法及系统和装置，适用于不同状态下电池SOC的计算。传统安时积分法采用的电池容量、库伦效率和SOC的定义，都是基于电池工作在标称工作条件(温度条件和电流条件)测得的参数，本发明考虑了不同状态下电池实际最大可用容量和库伦效率的变化，并采用标称状态下电池的最大可用容量和库伦效率作为基准，计算不同状态下最大可用容量和库伦效率的标幺值，实现电池不同容量和库伦效率有名值计算繁琐的问题，折算到统一的容量和效率下，以标幺值为中间量可以简少折算的次数；传统SOC计算时，未考虑电池状态变化时，SOC发生的变化，本发明用标幺值对不同状态下估算的SOC进行换算，提高SOC在不同状态下的计算精度。

综上所述，本发明考虑了温度对电池容量和库伦效率的影响，提出了采用电池在不同温度下的最大实际可用容量、剩余容量和库伦效率的标幺值进行电池SOC的计算，同时将电池在不同工作状态下的SOC进行折算，提高了SOC在不同状态下的精度。

附图说明

图1为本发明一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法的示意图。

图2为本发明一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的装置结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，该方法采用标幺值进行计算，减少了实际值计算过程总的繁琐，提高了在实际工程中应用的便捷性，下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出了SOC适应不同状态(即不同温度和充放电倍率)的计算方法，计算公式如(2)；

式中：SOC_(t,I)为当前状态下电池的荷电状态，SOC'_(t,I,Δt)为上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC，η为当前状态下电池的库伦效率，C_(t,I)为当前状态下的实际可用容量，I为当前状态下的电池电流(放电为正，充电为负)，Δt为当前状态与上一状态之间的充放电时间段。

本发明给出采用上一状态温度和充放电倍率下的荷电状态SOC_(t,I,Δt)折算到当前温度和充放电倍率下的荷电状态SOC'_(t,I,Δt)的计算方法；如图1所示，对于同一个电池，无论环境和状态发生何种变化，电池的剩余容量是一定的，但是由于环境和充放电倍率的影响，电池内阻发生变化，使得电池剩余容量无法释放出来，或者上一状态无法释放的容量，在当前状态下得以释放，这些都将改变电池在当前状态下的实际剩余容量，因此，电池的SOC需要重新修正，本发明采用折算法计算，方法如下：

(1)电池在两个状态下的SOC折算，设定电池标称温度为T₀，标称电流为I₀，标称状态(记为S₀)下的实际可用容量为Q₀；温度T₁和电流I₁时的非标称状态记为S₁(定义为上一状态)，S₁状态下电池的实际可用容量为Q_S1；温度T₂和电流I₂时的非标称状态记为S₂(定义为当前状态)，S₂状态下电池的实际可用容量为Q_S2；

(2)测量电池在非标称状态S₁下的可用充电容量和可用放电容量的损失值，测试步骤如下：

a)将电池在标称温度T₀下静置，静置时间不小于2小时；

b)电池用标称电流I₀充电，充电至电池截止上限电压时，停止充电，此时电池充满；

c)将电池在非标称温度T₁下静置，静置时间不小于2小时；

d)电池用非标称电流I₁放电，放电至电池截止下限电压时，停止放电，电池放电容量为Q₁；

e)电池用非标称电流I₁充电，充电至电池截止上限电压时，停止充电；

f)电池用非标称电流I₁放电，放电至电池截止下限电压时，停止放电，电池放电容量为Q₂；

g)将电池在标称温度T₀下静置，静置时间不小于2小时；

h)电池用标称电流I₀充电，充电至电池截止上限电压时，停止充电，此时电池充满；

i)电池用标称电流I₀放电，放电至电池截止下限电压时，停止放电，电池放电容量为Q₃；

j)电池在非标称状态S₁下的可用充电容量损失为：ΔQ_cs1＝Q₁-Q₂；可用放电容量损失为：ΔQ_ds1＝Q₃-Q₁；

k)将ΔQ_ds1和ΔQ_cs1标幺化，电池在非标称状态S₁下的可用放电容量损失标幺值和可用充电容量损失标幺值为：

(3)参考(2)，得到电池在状态S₂时的可用放电容量损失标幺值和可用充电容量损失标幺值：

(4)电池在t时刻的状态定为S₂，在上一状态(t-Δt)的状态定为S₁，上一状态的荷电状态SOC_(t,I,Δt)，折算到当前状态t时刻的荷电状态为SOC'_(t,I,Δt)，假设两个状态均为放电状态，折算方法如下；

由(7)可得到：

假设两个状态均为充电状态，折算方法如下；

至此，得到电池在两个状态下SOC的折算值，根据公式(2)，即可计算得到电池在当前状态下的SOC。

当电池的两个状态不同时，在公式(8)和(9)中采用不同的可用容量损失标幺值进行计算，即采用可用放电容量损失标幺值和可用充电容量损失标幺值进行计算。

实际工程应用中，将不同状态下的电池实际可用容量、可用充电容量损失标幺值和可用放电容量损失标幺值做成一个数据表，在实际中进行查表，根据公式(8)和(9)计算电池从上一状态到当前状态的SOC折算。SOC折算时，根据电池在不同状态下的可用充电容量损失值和可用放电容量损失值进行计算，为减少计算量，采用标幺值进行计算。

如图2所示，本发明提供的一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的装置，所述装置包括：测量单元，用于测量电池在当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同状态下的可用容量损失标幺值；折算单元，利用得到的电池在不同状态下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。求解时，根据电池充放电状态的不同，电池在不同状态下的可用容量损失标幺值又可分为可用充电容量损失值和可用放电容量损失值，相比传统SOC计算时，未考虑电池状态变化时，SOC发生的变化，本发明用标幺值对不同状态下估算的SOC进行换算，进而提高了SOC在不同状态下的计算精度。

本发明提供的一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的系统，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的一种计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量电池在当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同状态下的可用容量损失标幺值；

利用得到的电池在不同状态下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。

2.根据权利要求1所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，当前状态下的电池SOC的计算公式如下：

式中：SOC_(t,I)为当前状态下电池的荷电状态，SOC′_(t,I,Δt)为上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC，η为当前状态下电池的库伦效率，C_(t,I)为当前状态下的实际可用容量，I为当前状态下的电池电流，且放电状态时电流为正，充电状态时电流为负；Δt为当前状态与上一状态之间的充放电时间段。

3.根据权利要求2所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，充电状态时，上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC的计算公式为：

式中：SOC_(t,I,Δt)为将上一状态的电池SOC，Q_s1为上一状态电池的实际可用容量，Q_s2为当前状态下电池的实际可用容量，Q₀为标称状态下的实际可用容量，Δq_cs1为上一状态电池的可用充电容量损失标幺值，Δq_cs2为当前状态下电池的可用充电容量损失标幺值。

4.根据权利要求3所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，可用充电容量损失标幺值是此刻状态下的可用充电容量损失与标称状态下的实际可用容量的比值。

5.根据权利要求4所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，计算可用充电容量损失标幺值时，均需要将电池在标称状态下和此刻状态下静置一段时间。

6.根据权利要求2所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，放电状态时，上一状态SOC折算到当前状态下的电池SOC的计算公式为：

式中：SOC_(t,I,Δt)为将上一状态的电池SOC，Q_s1为上一状态电池的实际可用容量，Q_s2为当前状态下电池的实际可用容量，Q₀为标称状态下的实际可用容量，Δq_ds1为上一状态电池的可用放电容量损失标幺值，Δq_ds2为当前状态下电池的可用放电容量损失标幺值。

7.根据权利要求6所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，可用放电容量损失标幺值是此刻状态下的可用放电容量损失与标称状态下的实际可用容量的比值。

8.根据权利要求6所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法，其特征在于，计算可用放电容量损失标幺值时，均需要将电池在标称状态下和此刻状态下静置一段时间。

9.计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的系统，其特征在于，所述系统包括：处理器以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的方法步骤。

10.计算电池在不同温度和充放电倍率下SOC的装置，其特征在于，所述装置包括：

测量单元，用于测量电池在当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率，并以电池在标称状态下可用容量计算电池在不同状态下的可用容量损失标幺值；

折算单元，利用得到的电池在不同状态下的可用容量损失标幺值，将上一状态的电池SOC折算，结合当前状态下的实际可用容量、电池电流和库伦效率计算的荷电状态，得到当前状态下的电池SOC。

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