专利名称：在线反馈式蓄电池soc预测方法
技术领域：
本发明涉及蓄电池荷电状态(State of Charge, S0C)预测技术领域,具体涉及一种在线反馈式蓄电池SOC预测方法。
背景技术：
蓄电池的荷电状态(State of Charge, S0C)用于描述蓄电池的剩余容量，目前比较统一的是从电量角度定义S0C，其定义为电池在一定放电倍率下，剩余容量与相同条件下 额定容量的比值，它是电池使用过程中的重要参数。准确的SOC可以有效得知蓄电池的使用状态，管理蓄电池的充放电情况，使其均衡及防止过充、过放，提高蓄电池组的使用寿命；对于电动汽车用蓄电池SOC还可以较准确的反映续驶里程，提醒驾驶人员何时充电或更换电池。因此，SOC的估算是电池管理的一项研究热点。目前SOC的预测方法主要有以下几种(I)根据电池内部参数的变化来推断SOC的大小，如铅酸电池的介质浓度与SOC有最直接的关系，但电池在充放电过程中介质浓度始终不能达到平衡，而且铅酸电池由于其密封性，使该方法很难应用于电池的SOC的在线估测；(2)开路电压法，应用于内部达到平衡状态的蓄电池，其开路电压与SOC有很好的映射关系，但该方法不能用于在线估测；(3)安时积分法，这是目前应用较多的方法，简单易行，其基本思想是把不同电流下的放电电量等效成某个特定电流下的放电电量，再根据剩余电量来判定S0C，但放电系数随很多因素的变化而变化，很难得到稳定的精确值。此外，在安时积分法中如何考虑电池自放电和充放电效率的问题，如何矫正因误差不断积累、SOC估计值最终可能严重偏离实际值的问题，是提高安时积分法准确度的难点所在；(4)内阻法，通过试验建立电池内阻与SOC的对应关系，因此需要建立模型来估算电池的内阻，再根据算出的内阻求出S0C，该方法计算量较大，且需建立电池模型，模型的准确性必然影响SOC的估测结果的准确性；(5)Kalman滤波法，由一系列数学公式递归描述，用一种高效的计算方法来估计过程的状态，并使估计均方误差最小。其基本思想是采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻的估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出现在时刻的估计值。该方法需要建立电池模型，且方程的建立和求解都较复杂，很难实际应用。目前应用最为广泛的是基于安时积分法的SOC估算。公开号为CN101359036A的中国专利申请“电池荷电状态的测定方法”采用基本安时法加修正函数Φ (t)来估算S0C，如下式
t
C0 -sOC{t)^ ——^-+ φ(
CilC0 - ι{τ) τ其中，修正系数Φ (t)的测定采用如下方法用公式I 计算多
个时刻的SOC理论值S0Ca，X表示多个时刻中的一个时刻，测得在该多个时刻的SOC实际值SOCp然后采用最小二乘法计算得到用于表达SOCi^P SOCi的差值与所用多个时刻之间的关系修正函数Φ (t)。该方法依赖电量测量装置确定初始容量Ctl、蓄电池的剩余电量或电量变化量，SP所述的多个时刻的SOC实际值SOCg的获得及精确度都依赖于外加的电量测量装置；公开号为CN102162836的中国专利申请“一种汽车电池SOC的估算方法”应用开路电压和历史结果确定电池的初始容量，用安时积分法估算S0C，考虑影响SOC的各类因素对SOC进行校正,补偿校正考虑因素包括
I、充放电效率，根据Peukert经验公式，采用查表法对不同电流下的SOC进行修正；2、温度，采集大量实验数据预先获得电池温度系数；3、电池的一致性情况，设置电池差异性的多个点，根据不同的差异点对SOC进行修正；4、电池的自放电，通过大量实验方法预先估计蓄电池的自放电情况，通过数据查表法校正；5、老化，SOCage = (SOC-Af)/(I-Af)，SOCage为老化补偿后的SOC值，Af为衰老因子。电池充满电时直接置SOC数值为100%，利用开路电压法得到SOC时，若电池环境温度超过电池工作极限温度，此时SOC为0，并切断充放电回路以保护电池。但系数通过查表获得，不能随电池的使用寿命、老化程度等改变，随着时间的累积其获得的系数不能真实反映电池当前状况，准确度会受到影响；并且表中数据的获得需作大量的实验，而且随电池组的种类、组合方法不同，数据都要重新做实验得出，难以实现。专利申请“Method for Measuring SOC of a Battery in a BatteryManagementSystem and the Apparatus Thereof ”同样用于开路电压-安时积分的方法求SOC，其开路电压通过搭建电路模型来求得，这种方法的缺点在于电池容量估算的精度取决于电池模型的精度。综上，现有安时积分修正方法或者依赖于外部装置，或者需要大量实验数据作依据，设备复杂，并且系数不能实现自适应校正。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提高蓄电池SOC预测准确度。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种在线反馈式蓄电池SOC预测方法，包括以下步骤SI、将蓄电池的工作状态分为充满静置、放完静置、普通静置和普通运行四种，并置蓄电池的初始工作状态为普通运行，所述充满静置指蓄电池达到浮充条件并保持一段时间以上；放完静置指蓄电池达到放电下限并保持一段时间以上；普通静置指充电电流小于一定值，不满足浮充条件且保持一段时间以上，或者，放电电流小于一定值，不满足放电下限且保持一段时间以上；以上三种状态以外的状态为普通运行；S2、采集蓄电池电压U、电流I、温度T，然后进入步骤S3 ；S3、判断蓄电池的工作状态，若为充满静置，则进入步骤S4，若为放完静置，则进入步骤S5，若为普通静置，则进入步骤S6，若为普通运行，则进入步骤S7 ；S4、刷新荷电状态S0C，然后进入步骤S8 ；S5、刷新S0C，然后进入步骤S9 ；S6、将普通静置时间计时开始，刷新S0C，判断U与Utl差值是否大于给定值，若满足，则校正自放电系数，然后进入步骤S10，其中U为当前时刻电压值，Utl为进入普通静置时 刻的电压值；S7、刷新S0C，然后进入步骤Sll ；S8、进行第一状态转换判断，然后返回步骤S2 ；S9、进行第二状态转换判断，然后返回步骤S2 ；S10、进行第三状态转换判断，然后返回步骤S2 ；S11、进行第四状态转换判断，然后返回步骤S2。优选地，步骤S4、S5、S6、S7中刷新SOC的步骤包括如下步骤判断普通静置时间是否大于给定值t5，若满足，则以当前的电压值作为开路电压值，根据以下公式(I)刷新电池初始容量值SOCtl,然后计算S0C，若不满足，直接计算SOCSOC0 = f (OCV) (I)。优选地，步骤S4、S5、S6、S7中，根据SOC估算模型计算S0C，所述SOC估算模型如公式⑵所示
~ t tSCX' = SO( ；- JK1K2Idt I Cb-\kdJt ( 2 )
_tl J tl其中，K1为库伦效率系数，K2为温度系数^代表在标准温度下，以标准电流Ib放电放出的电量Qib与以不同放电电流I放电放出的电量Q1之比，K2代表在标准温度Tb下蓄电池的容量Qtb与在温度T下蓄电池的容量Qt之比，kdis为自放电系数，Cb为蓄电池的额定容量，tl>t表示不同时刻。优选地，步骤S8中所述第一状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态，同时判断是否满足电流小于给定值I1、电压小于给定值U1且保持时间大于给定值〖4，若满足，则置普通静置状态并记录此时电压值U0和此时时刻h。优选地，步骤S9中所述第二状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态。优选地，步骤SlO中所述第二状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流小于给定值I1且电压达到放电电压值下限且保持时间大于给定值t4，若满足，则置放完静置状态，计时结束，同时判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态，计时结束。
优选地，步骤Sll中所述第二状态转换判断的判断方法如下121、判断蓄电池电流I是否小于I1且保持时间大于t2，若满足，则进入步骤122 ；122、判断蓄电池电压是否达到浮充电压值，若满足，进入步骤123，否则进入步骤124 ；123、令 SOC = 100%, SOC0 = 100%，进入步骤 125 ；124、判断蓄电池电压是否达到放电下限值，若满足，则进入步骤128，若不满足，则进入步骤129 ； 125、判断是否第一次满足I小于I1且保持 时间大于t2，若满足，则进入步骤126，若不满足，则进入步骤127;126、置充满静置状态；127、校正待修正库伦效率相关系数η、待修正温度系数kT，进入步骤126 ；128、令 SOC = 0%, SOC0 = 0%，进入步骤 1210 ；129、置普通静置状态,记录此时电压值Uci和此时时刻tQ ；1210、判断是否第一次满足I小于I1且保持时间大于t2，若满足，则进入步骤1211，若不满足，则进入步骤1212 ；1211、置放完静置状态；1212、校正系数n、kT，进入步骤1211。优选地，步骤127和1212中校正系数n、kT的步骤具体为电池首次进入充满静置或放完静置状态时，记为U时刻，相应地置SOC = SOC0 = 100%或置SOC = SOC0 = 0%,当再次进入充满静置或放完静置状态时，记为tn时刻,相应地置SOC = SOC0 = 100%或置SOC = SOC0 = 0%,则算出公式(7)中的A值
m f j Λ" ^
「0058! 〉' ~— ·-7-r · I' · tsi = A ( 7 )
_8」i + kr(7；-20)A为算出的确定值，其中取历二，已知n e [I. 15，1.42]，kT e
，在η取值范围内取最小值，代入公式(7)，求出kT，若kT在取值范围内，则刷新n、kT，若kT不在取值范围内，则将最小η值加固定步长取下一 η值，再代入公式(7)，求出kT，重复上述过程，直到取到合适的kT或，η值取到最大值。优选地，所述校正自放电系数的步骤中按公式⑶刷新kdis值
,f(u0)-f(u)tJ
t-to其中，U为当前电压值，t为当前时间，Utl为刚进入普通静置时的电压值，h为刚进入普通静置时的时间。(三)有益效果本发明的方法在蓄电池在线运行过程中，利用历史数据进行SOC估算模型参数的修正，该方法考虑了温度、库伦效率、自放电对电池SOC的影响，只需监测蓄电池的基本运行参数，在电池运行过程中只要满足条件就修正相关系数，反复校正系数值，随着时间的累积，SOC的估测结果会更加接近真值，因此准确度高，能实现在线预测蓄电池S0C。


图I为本发明实施例的方法流程图；图2为计算SOC流程图；图3为状态转换判断I流程图；图4为状态转换判断2流程图；图5为状态转换判断3流程图； 图6为状态转换判断4流程图；图7为校正系数流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明利用历史数据进行SOC估算模型参数的修正，蓄电池在线运行过程中，定时采集所有单体电池的电流(I)、电压(U)、温度(T)等数据并存储，并将蓄电池运行过程分为充满静置、放完静置、普通静置和普通运行四种工作状态，充满静置指蓄电池达到浮充条件并保持一段时间以上；放完静置指蓄电池达到放电下限并保持一段时间以上；普通静置指充电电流小于一定值，不满足浮充条件且保持一段时间以上，或者，放电电流小于一定值，不满足放电下限且保持一段时间以上。本实施例中，充满静置指电池达到充满(此时SOC = 100% )且保持充满一段时间，放完静置指电池达到放完(此时SOC = 0% )且保持放完一段时间，普通静置时，0%< SOC < 100%。系统上电开始，置初始状态为普通运行，初始化S0C，代入SOC估算模型参数初值，此后转入循环运行。在循环运行过程中，通过分析运行工况和数据变化，实现蓄电池管理系统工作状态转换。其中，在普通运行状态下，依据SOC估算模型刷新SOC值，若满足充满静置条件，则置SOC=SOC0 = 100%, SOCtl为蓄电池的初始容量值，SOC为蓄电池的当前容量值，并置工作状态为充满静置；若满足放完静置条件，则置SOC = SOC0 = 0%，并置工作状态为放完静置；若满足普通静置条件，则置工作状态为普通静置。在充满静置状态下，刷新SOC值；在放完静置状态下，刷新SOC值；在普通静置状态下，记录系统处于普通静置的时间，刷新SOC值，满足校正自放电系数的条件时，校正自放电系数。刷新SOC的过程包括，判断蓄电池普通静置的时间，若大于给定时间，则测出此时蓄电池的电压值，作为开路电压OCV(Open CircuitVoltage)，根据系统给定的SOCtl与OCV的对应关系函数f得到SOCtl，刷新初始容量SOCtl，然后根据SOC估算模型计算SOC ；在系统满足充满静置条件或放完静置条件时，满足一定条件就修正安时积分中的库伦效率系数和温度系数。参见图I，本发明实施例的方法包括如下步骤I)开始2)初始化S0C，为库伦效率相关系数、温度系数、自放电系数赋初值，置蓄电池的初始运行状态为普通运行；3)采集蓄电池电压U、电流I、温度T，进入步骤4;4)判断蓄电池的工作状态，若为充满静置，则进入步骤5，若为放完静置，则进入步骤6，若为普通静置，则进入步骤7，若为普通运行，则进入步骤8 ；5)刷新S0C，进入步骤9 ；6)刷新S0C，进入步骤10 ；7)进入普通静置时间计时开始，刷新50(，判断U与U。差值是否大于给定值(U为此刻电压值，Utl为刚进入普通静置时刻电压值)，若满足，则校正自放电系数。进入步骤11 ；
8)刷新S0C，进入步骤12 ；9)状态转换判断I，返回步骤3 ；10)状态转换判断2，返回步骤3 ；11)状态转换判断3，返回步骤3 ；12)状态转换判断4，返回步骤3 ；进一步的，步骤5、6、7、8中刷新SOC包括如下过程，如附图2所示判断普通静置时间是否大于给定值t5，若满足，则以此时的电池电压作为开路电压值，根据公式(I)SOC0 = f (OCV)(I)刷新初始容量SOCtl,然后按SOC估算模型计算S0C，若不满足，直接按SOC估算模型计算SOC ；f (OCV)表示以OCV为参数的函数。进一步的，所述公式(I)由实验获得，在标准温度下以标准电流放电，记录若干开路电压值，用安时积分法算出对应的若干SOC值，再应用数学方法求出SOC与OCV的关系函数f，例如，可以采用最小二乘法。将得到的函数关系存到系统的数据库中，估算过程中，由系统根据检测到的开路电压值OCV得到SOCtl ；进一步的，所述SOC估算模型如公式(2)所示
~ t tS(X ■ = S()( , - j K, K2 Idl I (·Β - J k:,Ji K 2 )
_tt J tl其中K1为库伦效率系数，K2为温度系数^代表在标准温度下，以标准电流Ib放电放出的电量Qib与以不同放电电流I放电放出的电量Q1之比，K2代表在标准温度Tb下蓄电池的容量Qtb与在温度T下蓄电池的容量Qt之比，kdis为自放电系数，Cb为蓄电池的额定
容量，tl、t表示不同时刻，Ib根据电池的种类、生产厂家而定。进一步的，Kl=^i根据
Lr/
本领域技术人员所熟知的Peukert方程，如式(3)所示In · t = K (3)
/■ NK-I变形得111_1小七=1(，即111-1.0 = 1(，0为蓄电池容量，则有&= + =^~ ，
Ql \^BJ
η为待修正库伦效率相关系数;Κ2 = (督，根据已知的应用最为广泛的温度修正的经验公式⑷
权利要求
1.一种在线反馈式蓄电池SOC预测方法，其特征在于，包括以下步骤 s1、将蓄电池的工作状态分为充满静置、放完静置、普通静置和普通运行四种，并置蓄电池的初始工作状态为普通运行，所述充满静置指蓄电池达到浮充条件并保持一段时间以上；放完静置指蓄电池达到放电下限并保持一段时间以上；普通静置指充电电流小于一定值，不满足浮充条件且保持一段时间以上，或者，放电电流小于一定值，不满足放电下限且保持一段时间以上；以上三种状态以外的状态为普通运行； s2、采集蓄电池电压U、电流I、温度T，然后进入步骤S3； s3、判断蓄电池的工作状态，若为充满静置，则进入步骤S4，若为放完静置，则进入步骤S5，若为普通静置，则进入步骤S6，若为普通运行，则进入步骤S7 ； s4、刷新荷电状态S0C，然后进入步骤S8； s5、刷新S0C，然后进入步骤S9； s6、将普通静置时间计时开始，刷新S0C，判断U与U0差值是否大于给定值，若满足，则校正自放电系数，然后进入步骤S10，其中U为当前时刻电压值，U0为进入普通静置时刻的电压值； s7、刷新S0C，然后进入步骤Sll； s8、进行第一状态转换判断，然后返回步骤S2； s9、进行第二状态转换判断，然后返回步骤S2； s10、进行第三状态转换判断，然后返回步骤S2； s11、进行第四状态转换判断，然后返回步骤S2。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤S4、S5、S6、S7中刷新SOC的步骤包括如下步骤判断普通静置时间是否大于给定值t5，若满足，则以当前的电压值作为开路电压值，根据以下公式(I)刷新电池初始容量值SOCtl，然后计算S0C，若不满足，直接计算SOC SOC0 = f (OCV) (I)。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4、S5、S6、S7中，根据SOC估算模型计算S0C，所述SOC估算模型如公式(2)所示
4.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤S8中所述第一状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态，同时判断是否满足电流小于给定值I1、电压小于给定值U1且保持时间大于给定值t4，若满足，则置普通静置状态并记录此时电压值U0和此时时刻h。
5.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤S9中所述第二状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态。
6.如权利要求I所述的方法，其特征在于，步骤SlO中所述第二状态转换判断的判断方法如下判断蓄电池电流小于给定值I1且电压达到放电电压值下限且保持时间大于给定值t4，若满足，则置放完静置状态，计时结束，同时判断蓄电池电流是否大于给定值I2且保持时间大于给定值t3，若满足，则置普通运行状态，计时结束。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤Sll中所述第二状态转换判断的判断方法如下 121、判断蓄电池电流I是否小于I1且保持时间大于t2，若满足，则进入步骤122； 122、判断蓄电池电压是否达到浮充电压值，若满足，进入步骤123，否则进入步骤124； 123、令SOC = 100%, SOC0 = 100%，进入步骤 125 ； 124、判断蓄电池电压是否达到放电下限值，若满足，则进入步骤128，若不满足，则进入步骤129 ； 125、判断是否第一次满足I小于I1且保持时间大于t2，若满足，则进入步骤126，若不满足，则进入步骤127 ； 126、置充满静置状态； 127、校正待修正库伦效率相关系数n、待修正温度系数卜，进入步骤126； 128、令SOC = 0%, SOC0 = 0%，进入步骤 1210 ； 129、置普通静置状态，记录此时电压值U0和此时时刻h； 1210、判断是否第一次满足I小于I1且保持时间大于t2，若满足，则进入步骤1211，若不满足，则进入步骤1212; 1211、置放完静置状态； 1212、校正系数n、kT，进入步骤1211。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤127和1212中校正系数n、kT的步骤具体为电池首次进入充满静置或放完静置状态时，记为I^cici时刻,相应地置SOC = SOC0 =100%或置SOC = SOC0 = 0%，当再次进入充满静置或放完静置状态时，记为tn时刻，相应地置SOC = SOC0 = 100%或置SOC = SOC0 = 0%，则算出公式(7)中的A值
9.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述校正自放电系数的步骤中按公式(8)刷新kdis值
全文摘要
本发明涉及蓄电池荷电状态预测技术领域，公开了一种在线反馈式蓄电池SOC预测方法，该方法在蓄电池在线运行过程中，利用历史数据进行SOC估算模型参数的修正，该方法考虑了温度、库伦效率、自放电对电池SOC的影响，只需监测蓄电池的基本运行参数，在电池运行过程中只要满足条件就修正相关系数，反复校正系数值，随着时间的累积，SOC的估测结果会更加接近真值，因此准确度高，能实现在线预测蓄电池SOC。
文档编号G01R31/36GK102662148SQ20121014357
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者丑丽丽, 杜海江 申请人:中国农业大学