基于单体电池容量差异极值的串联电池组SOC估算方法

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，c
min_remain
为单体电池间的最小剩余容量，c
min_charge
为单体电池间的最小可充电容量，c
pack_available
为电池组的可用容量。c
min_remain
和c
min_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，soc
max
和soc
min
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cell
upper
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cell
lower
并存储电池编号；在放电过程中利用特殊电池cell
lower
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cell
upper
并存储电池编号；其中，cell
lower
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；cell
upper
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soc
pack
，完全充满时soc
pack
＝1；完全放空时soc
pack
＝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)＝soc
pack
(t)c
n,pack
[0022]
式中，c
n,pack
为电池组的额定容量，q
pack
(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，q
pack
(t0)为初始时刻电池组的剩余电量，δq
pack
(t0,t)为(t
0-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))c
n,i
，上式可进一步推导为：
[0031][0032]
式中，soc
pack
(t0)为电池组初始时刻的soc，c
n,i
为第i节电池的额定容量；
[0033]
根据t
1-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cell
upper
估算充电时的电池组soc，设定式中的t
1-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cell
lower
估算放电时的电池组soc，设定式中的t
1-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cell
lower
；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cell
upper
。
[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cell
upper
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，q
i_charge
(t)为t
时刻第i节电池的可充容量，q
j_charge
(t)为t时刻第j节电池的可充容量；
[0048]
根据q
charge
(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，c
n,i
和c
n,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cell
upper
；
[0056]
放电时，在初始时刻电池组完全充满时寻找特殊电池cell
upper
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cell
upper
。
[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cell
lower
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，q
i_remain
(t)为t时刻第i节电池的剩余容量，q
j_remain
(t)为t时刻第j节电池的剩余容量；
[0062]
根据q
remain
(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cell
lower
；
[0065]
充电时，在初始时刻电池组完全放空时寻找特殊电池cell
lower
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cell
lower
。
[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cell
upper
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cell
lower
并存储电池编号；在放电过程中利用特殊电池cell
lower
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cell
upper
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)＝soc
pack
(t)c
n,pack
[0078]
式中，c
n,pack
为电池组的额定容量，q
pack
(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，q
pack
(t0)为初始时刻电池组的剩余电量，δq
pack
(t0,t)为(t
0-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))c
n,i
，上式可进一步推导为：
[0087][0088]
式中，soc
pack
(t0)为电池组初始时刻的soc，c
n,i
为第i节电池的额定容量。
[0089]
根据t
1-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cell
upper
估算充电时的电池组soc，利用特殊电池cell
lower
估算放电时的电池组soc。
[0098]
在步骤2)中，利用特殊电池cell
lower
对放电时的串联电池组soc进行估算，设定式中的t
1-t2时刻是电池组在上一次充电时的过程；利用特殊电池cell
upper
对充电时的串联电池组soc进行估算，设定式中的t
1-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t
1-t2时刻是电池组由完全放空到完全充满的过程，则：
[0100]
soc
pack
(t0)＝soc
pack
(t1)＝0，soc
pack
(t2)＝1
[0101]
soci(t0)＝soc
lower
(t0)＝0，soci(t1)＝soc
lower
(t1)＝0
[0102]
可得到此时放电时的电池组soc计算公式：
[0103][0104]
式中，soc
lower
(t)为t时刻电池cell
lower
的soc值，且该值随放电过程而变化；soc
lower
(t
full
)为电池cell
lower
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t
1-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]
soc
pack
(t0)＝soc
pack
(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soc
lower
(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t
1-t2时刻是电池组由完全充满到完全放空的过程，则：
[0111]
soc
pack
(t0)＝soc
pack
(t1)＝1，soc
pack
(t2)＝0
[0112]
soci(t0)＝soc
upper
(t0)＝1，soci(t1)＝soc
upper
(t1)＝1
[0113]
可得到此时放电时的电池组soc计算公式：
[0114][0115]
式中，soc
upper
(t)为t时刻电池cell
upper
的soc值，且该值随充电过程而变化，soc
upper
(t
empty
)为电池cell
upper
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t
1-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]
soc
pack
(t0)＝soc
pack
(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soc
upper
(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cell
lower
；在放电过程中寻找特殊电池cell
upper
。
[0123]
在步骤2)中，在充电过程中寻找特殊电池cell
lower
，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，q
i_remain
(t)为t时刻第i节电池的剩余容量，q
j_remain
(t)为t时刻第j节电池的剩余容量。
[0126]
根据q
remain
(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，c
n,i
和c
n,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cell
lower
。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cell
lower
。
[0134]
在步骤2)中，在放电过程中寻找特殊电池cell
upper
，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，q
i_charge
(t)为t时刻第i节电池的可充容量，q
j_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cell
upper
。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cell
upper
。
[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。