基于单体电池容量差异极值的串联电池组SOC估算方法

测量装置的制造及其应用技术基于单体电池容量差异极值的串联电池组soc估算方法技术领域1.本发明涉及基于单体电池容量差异极值的串联电池组soc估算方法，属于电池领域。背景技术：2.锂离子电池具有电压高、无污染、自放电小、循环寿命长且成本适中的优势，已成为主要的储能元件并得到了广泛的应用。但由于其内部电化学反应复杂且具有强非线性特性，外部仅有电池端电压和端电流可被检测，属于典型的黑箱系统。为确保电池的使用安全，不仅需要利用电池管理系统对电池的工作状态进行实时监控，更需要确定合适的估计算法、测试工况以及评价方法实现对soc的准确预测。3.soc是用来评估电池剩余电量的重要技术指标，电池组的soc可定义为剩余容量与可用容量的比值：[0004][0005]式中，cmin_remain为单体电池间的最小剩余容量，cmin_charge为单体电池间的最小可充电容量，cpack_available为电池组的可用容量。cmin_remain和cmin_charge的计算公式如下：[0006][0007][0008]式中，ci和cj表示不同单体电池的实际可用容量，soci和socj分别为不同单体电池的soc值。该定义法是可被应用于实际工程的电池组soc计算方法，但需要监控电池组中的所有单体电池的可用容量，这无疑增大了电池管理系统的工作负担以及soc估算程序的复杂性。[0009]另外还有通过计算单体电池soc来估算电池组soc的方法：[0010][0011]式中，socmax和socmin分别为单体电池soc的最大和最小值。该方法一般认为充电时电池组的soc值等于单体电池间soc的最大值；放电时电池组的soc值等于单体电池间soc的最小值。这种方法可有效地避免电池的过充电和过放电现象，然而却没有考虑单体电池之间的差异导致的soc突变。举例来说，电池组中有两节单体电池在满充状态下的的初始soc分别为100％和80％，此时根据上式，电池组的soc为100％。但是当下一时刻进入到放电状态时，电池组soc会马上变为80％或其他更小的值，这也是限制其应用于实际工程中的主要弊端。技术实现要素：[0012]针对以上提及的现有技术存在的不足之处，本发明要解决的技术问题在于提供一种串联电池组的soc估算方法，使得在减轻电池管理系统计算工作量的同时，保证电池组soc估算的连续性和平滑性。[0013]为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：[0014]基于单体电池容量差异极值的串联电池组soc估算方法，所述串联电池组由n节单体电池串联而成，n是大于等于2的整数，所述串联电池组的soc估算方法包含以下步骤：[0015]1)首先设定计算周期并计算电池组中所有单体电池soc值并存储所需要的单体电池soc数据；其中，所需要存储的单体电池的soc数据为充放电初始时刻和结束时刻对应的单体soc值以及充放电过程中任意三个时刻点对应的单体soc值；[0016]2)在充电过程中利用特殊电池cellupper的soc值计算电池组的soc值，两两比较基于soc表征的单体电池的剩余容量，寻找特殊电池celllower并存储电池编号；在放电过程中利用特殊电池celllower的soc值计算电池组的soc值，两两比较基于soc表征的单体电池的可充容量，寻找特殊电池cellupper并存储电池编号；其中，celllower为剩余容量最少的电池，代表在放电时最先达到截止电压的单体电池；cellupper为可充容量最少的电池，代表在充电时最先达到最高电压的单体电池；[0017]3)最后存储所需要的电池组soc数据；其中，所需要存储的电池组soc数据为充放电初始时刻和结束时刻对应的电池组soc值。[0018]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤1)中，单体电池的soc利用bms(battery management system)进行估算。[0019]本发明技术方案的进一步改进在于：串联电池组的soc记为socpack，完全充满时socpack＝1；完全放空时socpack＝0。[0020]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，首先给出串联电池组的soc计算公式：[0021]qpack(t)＝socpack(t)cn,pack[0022]式中，cn,pack为电池组的额定容量，qpack(t)为t时刻电池组的剩余电量，[0023]得到t时刻电池组的soc计算公式为：[0024][0025]式中，qpack(t0)为初始时刻电池组的剩余电量，δqpack(t0,t)为(t0-t)时刻因充电或放电导致的电池组的电量变化值，充电时为正，放电时为负；[0026]相同时刻内，串联电池组的电量变化值等于单体电池的电量变化值：[0027][0028]将t时刻电池组的soc计算公式进一步推导为：[0029][0030]式中，δqi(t0,t)＝(soci(t)-soci(t0))cn,i，上式可进一步推导为：[0031][0032]式中，socpack(t0)为电池组初始时刻的soc，cn,i为第i节电池的额定容量；[0033]根据t1-t2时刻内安时积分法的计算公式：[0034][0035]得到额定容量的表达式：[0036][0037]得到第i节电池和电池组的额定容量之比：[0038][0039]得到最终的串联电池组soc计算公式为：[0040][0041]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，防止电池组发生过充电和过放电现象，利用特殊电池cellupper估算充电时的电池组soc，设定式中的t1-t2时刻是电池组在上一次放电时的过程，t0为初始时刻；利用特殊电池celllower估算放电时的电池组soc，设定式中的t1-t2时刻是电池组在上一次充电时的过程。[0042]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，基于电池组的连续充放电情况，为保证实时对电池组的soc进行估算，在充电过程中两两比较基于soc表征的单体电池的剩余容量，寻找特殊电池celllower；在放电过程中两两比较基于soc表征的单体电池的可充容量，寻找特殊电池cellupper。[0043]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，放电时电池组的初始时刻包含完全充满和不完全充满两种情况；充电时电池组的初始时刻包含完全放空和不完全放空两种情况。[0044]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，放电时，在初始时刻电池组不完全充满时寻找特殊电池cellupper的过程为：[0045]t时刻为放电过程中的任意时刻，将某两节单体电池的可充容量做比值：[0046][0047]式中，为t时刻第i节电池和第j节电池的可充容量之比，qi_charge(t)为t时刻第i节电池的可充容量，qj_charge(t)为t时刻第j节电池的可充容量；[0048]根据qcharge(t)＝(1-soc(t))cn，可得到：[0049][0050]式中，soci(t)和socj(t)分别为t时刻第i节电池和第j节电池的soc，cn,i和cn,j分别为第i节电池第j节电池的额定容量；[0051]根据第i节电池和第j节电池的额定容量之比：[0052][0053]可将t时刻某两节单体电池的可充容量之比化简为只与soc有关的表达式：[0054][0055]若的值小于1，说明第i节电池的可充容量小于第j节电池的可充容量；通过对串联电池组中所有的单体电池的可充容量两两做比值，便可找到单体电池cellupper；[0056]放电时，在初始时刻电池组完全充满时寻找特殊电池cellupper的过程为：[0057]t时刻为放电的初始时刻，此时电池组已完全充满并已有单体电池的soc＝1，则该电池就是cellupper。[0058]本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤2)中，充电时，在初始时刻电池组不完全放空时寻找特殊电池celllower的过程为：[0059]t时刻为充电过程中的任意时刻，将某两节单体电池的剩余容量做比值：[0060][0061]式中，为t时刻第i节电池和第j节电池的剩余容量之比，qi_remain(t)为t时刻第i节电池的剩余容量，qj_remain(t)为t时刻第j节电池的剩余容量；[0062]根据qremain(t)＝soc(t)cn，以及第i节电池和第j节电池的额定容量之比，可将t时刻某两节单体电池的剩余容量比值化简为只与soc有关的表达式：[0063][0064]若的值小于1，说明第i节电池的剩余容量小于第j节电池的剩余容量；通过对串联电池组中所有的单体电池的soc两两做比值，便可找到单体电池celllower；[0065]充电时，在初始时刻电池组完全放空时寻找特殊电池celllower的过程为：[0066]t时刻作为充电的初始时刻，此时电池组完全放空并已有单体电池的soc＝0，则可认为该电池就是celllower。[0067]由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：[0068]本发明在计算过程中不需要实时监控单体电池的可用容量值，只需要利用soc值即可，减轻了电池管理系统的工作负担以及程序的复杂性，同时保证了电池组soc显示的连续平滑性。附图说明[0069]图1为本发明中串联电池组soc估算方法的流程图。具体实施方式[0070]下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。[0071]在实际应用中，为防止电池发生过充电和过放电现象，必须使所有单体电池的soc值工作在[0,1]的闭区间内。当某节单体电池的soc达到0或1，电池组必须停止放电或充电状态。图1给出了电池组soc估算方法的流程图。串联电池组的soc估算方法包含以下步骤：[0072]1)首先设定计算周期并计算电池组中所有单体电池的soc值并存储所需要的soc数据；[0073]2)在充电过程中利用特殊电池cellupper的soc值计算电池组的soc值，两两比较基于soc表征的单体电池的剩余容量，寻找特殊电池celllower并存储电池编号；在放电过程中利用特殊电池celllower的soc值计算电池组的soc值，两两比较基于soc表征的单体电池的可充容量，寻找特殊电池cellupper并存储电池编号；[0074]3)最后存储所需要的电池组soc数据。[0075]首先，在步骤1)中，单体电池的soc需要利用bms进行估算。[0076]在步骤2)中，首先给出串联电池组的soc计算公式。根据公式：[0077]qpack(t)＝socpack(t)cn,pack[0078]式中，cn,pack为电池组的额定容量，qpack(t)为t时刻电池组的剩余电量。[0079]得到t时刻电池组的soc计算公式为：[0080][0081]式中，qpack(t0)为初始时刻电池组的剩余电量，δqpack(t0,t)为(t0-t)时刻因充电或放电导致的电池组的电量变化值，该值在充电时为正，放电时为负。[0082]在相同时刻内，串联电池组的电量变化值等于单体电池的电量变化值：[0083][0084]可将t时刻电池组的soc计算公式进一步推导为：[0085][0086]式中，δqi(t0,t)＝(soci(t)-soci(t0))cn,i，上式可进一步推导为：[0087][0088]式中，socpack(t0)为电池组初始时刻的soc，cn,i为第i节电池的额定容量。[0089]根据t1-t2时刻内安时积分法的计算公式：[0090][0091]可得到额定容量的表达式：[0092][0093]可得到第i节电池和电池组的额定容量之比：[0094][0095]可得到最终的串联电池组soc计算公式为：[0096][0097]在于步骤2)中，为防止电池组发生过充电和过放电现象，利用特殊电池cellupper估算充电时的电池组soc，利用特殊电池celllower估算放电时的电池组soc。[0098]在步骤2)中，利用特殊电池celllower对放电时的串联电池组soc进行估算，设定式中的t1-t2时刻是电池组在上一次充电时的过程；利用特殊电池cellupper对充电时的串联电池组soc进行估算，设定式中的t1-t2时刻是电池组在上一次放电时的过程；t0为初始时刻。[0099]在步骤2)中，对放电时的串联电池组soc进行估算，假设t1-t2时刻是电池组由完全放空到完全充满的过程，则：[0100]socpack(t0)＝socpack(t1)＝0，socpack(t2)＝1[0101]soci(t0)＝soclower(t0)＝0，soci(t1)＝soclower(t1)＝0[0102]可得到此时放电时的电池组soc计算公式：[0103][0104]式中，soclower(t)为t时刻电池celllower的soc值，且该值随放电过程而变化；soclower(tfull)为电池celllower在电池组完全充满时的soc值，该值是固定的。[0105]在步骤2)中，对放电时的串联电池组soc进行估算，假设t1-t2时刻是电池组由完全放空或不完全放空到不完全充满的过程，则：[0106]socpack(t0)＝socpack(t1)，soci(t0)＝soci(t1)[0107]可得到此时放电时的电池组soc计算公式：[0108][0109]公式中只有一个变量soclower(t)，且该值在放电过程中是变化的。[0110]在步骤2)中，对充电时的串联电池组soc进行估算，假设t1-t2时刻是电池组由完全充满到完全放空的过程，则：[0111]socpack(t0)＝socpack(t1)＝1，socpack(t2)＝0[0112]soci(t0)＝socupper(t0)＝1，soci(t1)＝socupper(t1)＝1[0113]可得到此时放电时的电池组soc计算公式：[0114][0115]式中，socupper(t)为t时刻电池cellupper的soc值，且该值随充电过程而变化，socupper(tempty)为电池cellupper在电池组完全放空时的soc值，该值是固定的。[0116]在步骤2)中，对充电时的串联电池组soc进行估算，假设t1-t2时刻是电池组由完全充满或不完全充满到不完全放空的过程，则：[0117]socpack(t0)＝socpack(t1)，soci(t0)＝soci(t1)[0118]可得到此时放电时的电池组soc计算公式：[0119][0120]公式中只有一个变量socupper(t)，且该值在充电过程中是变化的。[0121]通过上述电池组soc的推导过程，可以看出在计算过程中简化了容量值，只需要特殊单体电池的soc实时变化值和存储值即可。当初始时刻或终止时刻为完全充满或完全放空状态时，只利用到特殊电池的soc存储值，其他情况需要用到电池组和特殊电池在上一次充放电过程中的初始soc存储值和结束soc存储值。[0122]在步骤2)中，考虑到电池组的连续充放电情况，为保证实时对电池组的soc进行估算，在充电过程中寻找特殊电池celllower；在放电过程中寻找特殊电池cellupper。[0123]在步骤2)中，在充电过程中寻找特殊电池celllower，在t时刻将某两节单体电池的剩余容量做比值：[0124][0125]式中，为t时刻第i节电池和第j节电池的剩余容量之比，qi_remain(t)为t时刻第i节电池的剩余容量，qj_remain(t)为t时刻第j节电池的剩余容量。[0126]根据qremain(t)＝soc(t)cn，可得到：[0127][0128]式中，soci(t)和socj(t)分别为t时刻第i节电池和第j节电池的soc，cn,i和cn,j分别为第i节电池第j节电池的额定容量。[0129]根据第i节电池和第j节电池的额定容量之比：[0130][0131]可将t时刻某两节单体电池的剩余容量比值化简为只与soc有关的表达式：[0132][0133]若的值小于1，说明第i节电池的剩余容量小于第j节电池的剩余容量。通过对串联电池组中所有的单体电池的soc两两做比值，便可找到单体电池celllower。值得注意的是，若将t时刻作为充电的初始时刻，此时电池组完全放空并已有单体电池的soc＝0，则可认为该电池就是celllower。[0134]在步骤2)中，在放电过程中寻找特殊电池cellupper，在t时刻将某两节单体电池的可充容量做比值：[0135][0136]式中，为t时刻第i节电池和第j节电池的可充容量之比，qi_charge(t)为t时刻第i节电池的可充容量，qj_charge(t)为t时刻第j节电池的可充容量。[0137]根据第i节电池和第j节电池的额定容量之比，可将t时刻某两节单体电池的可充容量之比化简为只与soc有关的表达式：[0138][0139]若的值小于1，说明第i节电池的可充容量小于第j节电池的可充容量。通过对串联电池组中所有的单体电池的可充容量两两做比值，便可找到单体电池cellupper。同理，若将t时刻为放电的初始时刻，此时电池组已完全充满并已有单体电池的soc＝1，则可认为该电池就是cellupper。[0140]通过上述推导过程可以看出，寻找两节特殊电池的时间过程很短，往往需要几秒钟或者几分钟即可。同时在寻找过程中简化了容量值，只需要比较单体电池的soc值即可。[0141]本发明实现了对串联电池组的soc在线估计，计算过程中不需要实时监控单体电池的可用容量值，只需要利用soc值即可，减轻了电池管理系统的工作负担以及程序的复杂性，同时保证了电池组soc显示的连续平滑性以及有效防止了电池组的过充电和过放电现象。









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