基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法与流程

1.本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法。


背景技术：

2.在电动汽车的使用过程中，汽车的充电时间是汽车用户较为关注的问题之一。准确的充电时间预估，便于用户根据充电时间合理安排行程，提高用户的时间利用率，给用户更好的使用体验感。
3.目前有许多用于电动汽车动力电池的快充充电剩余时间计算方法，主要集中为下述两类方案：一是基于历史数据的剩余时间计算方法，该方法以大量的历史充电数据为基础进行充电剩余时间评估，计算精度会随充电次数的增加而提高，但是算法相对单一，若是充电条件出现变化，算法误差会变大。二是基于逻辑算法的剩余时间计算方法，相比于前述方案能够一定程度的提高充电剩余时间计算的精度，但是若是涉及到一些特殊情况(例如与预设逻辑运作方式存在差别的情况)，逻辑计算的误差则相对较大。综上，上述计算方法，虽然都能够有效地计算出动力电池的充电剩余时间，但是上述两类方法均易受外界条件(充电条件变化、逻辑局限等)影响，计算误差较大，计算精度都相对不高。


技术实现要素：

4.本发明意在提供一种基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法，用来解决现有充电剩余时间计算方法易受外界条件影响，计算误差大的技术问题，能够提升充电剩余时间预测的精准度。
5.本发明提供的基础方案为：基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法，包括以下步骤：
6.步骤1：将电池的整个充电阶段划分为数个基础充电区间；所述基础充电区间为c，划分基础充电区间时以soc为基准划分；
7.步骤2：基于基础充电区间，进一步确认充电目标区间；所述充电目标区间为d(x，y)，其中，x属于温度区间，y属于soc区间；
8.步骤3：基于电池充电map图，对充电目标区间进行曲面函数拟合，得到曲面方程 z＝f(x，y)并求得曲面f(x，y，z)的z向定积分，并基于z向定积分计算得到充电目标区间内的平均充电倍率α；且平均充电倍率α按下式进行计算，
[0009][0010]
其中，f(x，y)为对曲面f(x，y，z)的z向定积分；
[0011]
曲面方程z＝f(x，y)中，z为充电目标区间为d(x，y)的电流区间，记为z∈(i
min
，imax
)；
[0012]
步骤4：计算充电剩余时间；在计算充电剩余时间时，按下式进行计算，
[0013]
ts＝t-ta；
[0014]
式中，
[0015][0016]
式中，ts为充电剩余时间；ta为电池已充电的时间；αn为平均充电倍率值；βn为划分的soc区间值；且i-1
矩阵和c矩阵均为动态矩阵，矩阵随电池初始状态动态变化。
[0017]
本发明的工作原理及优点在于：第一，本方案将电池的整个充电阶段划分为了数个基础充电区间，并基于基础充电区间进一步确定了充电目标区间，进而以区间为单位计算充电时间，常规计算中往往没有进行细致的充电区间划分，而是将充电过程整体计算，对于充电过程中许多细致的变化阶段都缺乏分析，而本方案则不存在上述问题，对于充电时间计算的细致度较高，计算精度较高。
[0018]
第二，本方案基于电池的安时特性定义了充电剩余时间的可靠计算公式，在计算中，配合以划分的充电目标区间，将整个充电剩余时间的计算确认形式转变为了矩阵计算，能够将常规复杂的计算，转变为基于矩阵的更为简单的计算。常规计算方式中，在确定电池的充电倍率时，计算方法复杂，以致于充电剩余时间计算效率低下。常规方法中往往是采用查表计算的方法计算充电倍率，计算方式较为死板，仅能够对单一确定的充电阶段进行充电倍率计算，无法估算下一充电阶段的充电倍率，计算灵活度较差，并且，虽然有相关的温度计算模型、电流计算模型可对下一充电阶段的充电倍率进行估算，但其模型构建复杂，计算程序复杂，计算效率低。而本方案中，通过划分区间，利用充电map图细化确定各充电目标区间的平均充电倍率，降低了计算难度和计算工作量，有助于提高充电倍率计算的精确度以及提升充电剩余时间计算效率。
[0019]
并且，本方案的计算逻辑十分简单，相比于常规的基于逻辑算法的剩余时间计算方法，本方案更不易受逻辑框架影响，不易产生计算误差。特别的是，充电剩余时间计算式中所涉及的矩阵均为动态矩阵，随着电池初始状态改变而对应改变，这样设置，充电剩余时间计算式能够与处于不同初始充电状态的电池动态匹配，能够适应电池状态变化，适用性较强，针对性较强，相比于固定算式，本方案的计算准确度较高。
[0020]
第三，本方案在充电区间划分后，突破性地利用了电池充电map图，对充电目标区间进行曲面函数拟合，并计算得到各个区间的平均充电倍率以用作后续充电剩余时间计算的数据基础。基于电池充电map图计算各区间的平均充电倍率，计算精度较高，计算结果准确度较高，有助于提升后续充电剩余时间计算的精准度。并且，常规方案中往往没有想到要采用电池充电map图作为计算参考。常规方案或计算中，对于电池充电map图的应用均为利用map 图中所展现的充电电流与实时soc、温度的关系来确定实时的充电电流，其应用方式均是从 map图本身的组成出发，而并没有想到map图还可用来确认区间充电倍率以辅助完成充电剩余时间的计算。并且，若是直接在整个充电map区间对曲面进行拟合，其拟合精度
较低，拟合结果等不具备有效性，不具备实用价值。本方案则通过准确的充电目标区间划分解决了上述问题，将曲面拟合分析落实到更为细致的区间中，能够获得较高的拟合精度，获得精准度较高的拟合结果。
[0021]
进一步，在步骤1中，基础充电区间的最大划分基准为10％soc。
[0022]
有益效果：实际充电场景中，电池充电拥有不同的充电模式，将基础充电区间按此基准进行划分，一定程度上限定了基础充电区间的划分尺度，有利于缩小充电倍率的计算区域，提高计算精度。
[0023]
进一步，在步骤2中，确认充电目标区间时，按预设判定策略进行判定；所述预设判定策略包括一类判定策略，所述一类判定策略包括以下子步骤：
[0024]
s1：判定电池是否需要加热；
[0025]
s2：当电池需要加热且电流f(soc0，t0)≤ih时，依次确定下一电流变化点 in＝f(soc0，tn)-ih；其中，tn＝t
n-1
1，n≥1；直至f(soc0，tn)＞ih时，停止确认下一电流变化点；并确认得到此时的充电倍率αh，且其中，th为总加热时间； th＝t1
…
tn；其中，tn为升温1℃的温升时间；ηh为电池加热温升速率；
[0026]
s3：在f(soc0，tn)＞ih条件下，依次确定下一电流变化点in＝f(soc1，t
n 1
)-ih；其中， ih为电池加热电流；soc1＝soc0 1；soc1点的温度为t
n 1
＝tn ηh·
tn；n≥1； c0为电池标准容量；
[0027]
s4：判断soc1是否为10的倍数且不等于100；
[0028]
如果是，则选取得到充电目标区间d(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t
n 1
]；soc区间 y∈[soc0，soc1]；
[0029]
如果否，则继续确定下一电流变化点i
n 2
＝f(soc2，t
n 2
)-ih；其中，soc2＝soc1 1； soc2点的温度为t
n 2
＝t
n 1
ηh·
t
n 1
；并再次判断soc2是否为10的倍数且不等于100，直至推选得到充电目标区间。
[0030]
有益效果：基于电池所处的实际充电状态，对充电目标区间进行了细致的判断划分，基于每一电流变化点逐步推导，能够得到精度较高的充电目标区间，有助于提升后续剩余时间计算的精度。
[0031]
进一步，所述预设判定策略还包括二类判定策略；所述二类判定策略包括以下子步骤：
[0032]
子步骤1：判定电池是否需要加热；
[0033]
子步骤2：当电池不需要加热时，依次确定下一电流变化点i1＝f(soc1，t1)；其中， soc1＝soc0 1；socn点的温度为t1＝t0 ηc·
t0；ηc为电池正常充电温升速率； c0为电池标准容量；
[0034]
子步骤3：判断soc1是否为10的倍数且不等于100；
[0035]
如果是，则选取得到充电目标区间d(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t1]；soc区间 y∈[soc0，soc1]；
[0036]
如果否，则继续确定下一电流变化点i2＝f(soc2，t2)；其中，soc2＝soc1 1；soc2点的温度为t2＝t1 ηc·
t1；并再次判断soc2是否为10的倍数且不等于100，直至推选得到充电目标区间。
[0037]
有益效果：对于不需要加热的电池充电状态，设置了对应的充电目标区间判断划分方法，充电目标区间划分针对性较强，能够适配于处于不同充电状态的电池，保证区间划分稳定有效，具备较强的通用性。
[0038]
进一步，在所述预设判定策略中，以1％soc值为单次计算增量。
[0039]
有益效果：以1％soc值为单次计算增量，在1％soc的区间内充电电流是不变的，此处这样设置，能够保证时间推导计算可靠。
[0040]
进一步，在s2中，以温度升高1℃为基准计算单段加热时间。
[0041]
有益效果：以温度升高1℃的充电温升为基准，细致地统计加热时间，能够提升充电倍率的计算准确度，进而有助于提升平均充电倍率的计算准确度，保证后续充电剩余时间计算的精准度。
[0042]
进一步，当电池充电过程与一类判定策略和二类判定策略均匹配时，或电池充电过程仅与一类判定策略匹配时，则平均充电倍率α按下式进行计算：
[0043][0044]
有益效果：针对存在仅加热不充电阶段的电池充电过程，本方案在确认其平均充电倍率时特别将αh考虑在内，与后续矩阵运算更为匹配，可保证计算有效。
[0045]
进一步，当电池充电过程仅与二类判定策略匹配，或电池充电过程仅与一类判定策略的 s3匹配，或电池充电过程与一类判定策略的s3及二类判定策略均匹配，则平均充电倍率α仍按步骤3中的平均充电倍率α计算式计算。
[0046]
有益效果：针对不存在仅加热不充电阶段的电池充电过程，本方案也明确了其对应的平均充电倍率计算方法，对处于不同充电状态的电池，均有针对性的计算策略，适用性较强。
[0047]
进一步，在s1和子步骤1中判定电池是否需要加热时，若电池温度t0小于电池加热启动温度th，则判定电池需要加热；若电池温度t0大于等于电池加热启动温度th，则判定电池不需要加热。
[0048]
有益效果：对电池是否需要加热的状态判定给出了明确的判定标准，可保证后续策略步骤设置有效。
附图说明
[0049]
图1为本发明基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法实施例的方法流程示意图；
[0050]
图2为本发明基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法实施例的电池充电map图。
具体实施方式
[0051]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0052]
实施例基本如附图1所示：
[0053]
基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤1：将电池的整个充电阶段划分为数个基础充电区间；所述基础充电区间为c，划分基础充电区间时以soc为基准划分；
[0055]
具体地，基础充电区间的最大划分基准为10％soc；即至多可划分得到10个基础充电区间。
[0056]
步骤2：基于基础充电区间，进一步确认充电目标区间；所述充电目标区间为d(x，y)，其中，x属于温度区间，y属于soc区间。
[0057]
确认充电目标区间时，按预设判定策略进行判定；所述预设判定策略包括一类判定策略，所述一类判定策略包括以下子步骤：
[0058]
s1：判定电池是否需要加热；若电池温度t0小于电池加热启动温度th，则判定电池需要加热，充电桩根据电池的请求电流进行电流输出，且电池的初始充电电流 i0＝f(soc0，t0)-ih；若电池温度t0大于等于电池加热启动温度th，则判定电池不需要加热，电池的初始充电电流i0＝f(soc0，t0)。
[0059]
s2：当电池需要加热且电流f(soc0，t0)≤ih时，电池处于只加热不充电的状态，此时，电池的soc值不变化。依次确定下一电流变化点in＝f(soc0，tn)-ih；其中，tn＝t
n-1
1， n≥1；直至f(soc0，tn)＞ih时，停止确认下一电流变化点；并确认得到此时的充电倍率αh，且其中，th为总加热时间。
[0060]
具体地，本实施例中，以温度升高1℃为基准计算单段加热时间；所述单段加热时间为相邻两个电流变化点的间隔时间；所述单段加热时间为th＝t1
…
tn；其中，ηh为电池加热温升速率。在实际应用中，ηh的实际数值由标定测试确定，具体地，ηh＝f(te)，即表示电池加热温升速率与环境温度te有关。
[0061]
s3：在f(soc0，tn)＞ih条件下，依次确定下一电流变化点in＝f(soc1，t
n 1
)-ih；其中， ih为电池加热电流；soc1＝soc0 1；soc1点的温度为t
n 1
＝tn ηh·
tn；n≥1； c0为电池标准容量。
[0062]
s4：判断soc1是否为10的倍数且不等于100；
[0063]
如果是，则选取得到充电目标区间d(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t
n 1
]；soc区间 y∈[soc0，soc1]；
[0064]
如果否，则继续确定下一电流变化点i
n 2
＝f(soc2，t
n 2
)-ih；其中，soc2＝soc1 1；soc2点的温度为t
n 2
＝t
n 1
ηh·
t
n 1
；并再次判断soc2是否为10的倍数且不等于100，直至推选得到充电目标区间。
[0065]
具体地，以f(soc0，t0)＞ih条件下为例对上述步骤进行具体说明。
[0066]
在f(soc0，t0)＞ih条件下，电池自soc0充电至soc1＝soc0 1的充电时间为
soc1点的温度为t1＝t0 ηh·
t0；因此，下一电流变化点i1＝f(soc1，t1)-ih。
[0067]
此时，判断soc1是否为10的倍数且不等于100，如果是，则选取得到充电目标区间d1，确定为d1(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t1]；soc区间y∈[soc0，soc1]。
[0068]
如果不是，则继续进行充电区间计算及选取，电池自soc1充电至soc2＝soc1 1的充电时间为soc1点的温度为t2＝t1 ηh·
t1；因此，下一电流变化点 i2＝f(soc2，t2)-ih。此时，判断soc2是否为10的倍数且不等于100，如果是，则选取得到充电目标区间d1，确定为d1(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t2]；soc区间 y∈[soc0，soc2]。
[0069]
如果不是则继续进行充电区间计算，以此类推，直至推算出第一个充电区间d1。
[0070]
所述预设判定策略还包括二类判定策略；所述二类判定策略包括以下子步骤：
[0071]
子步骤1：判定电池是否需要加热；若电池温度t0小于电池加热启动温度th，则判定电池需要加热；若电池温度t0大于等于电池加热启动温度th，则判定电池不需要加热。
[0072]
子步骤2：当电池不需要加热时，依次确定下一电流变化点i1＝f(soc1，t1)；其中， soc1＝soc0 1；socn点的温度为t1＝t0 ηc·
t0；ηc为电池正常充电温升速率； c0为电池标准容量；
[0073]
具体地，所述电池不需要加热的情况包括以下两种类别：类别(1)为，t0＞th时，电池不需要加热，电池直接正常充电。类别(2)为，tn＞tc时，电池加热结束，不再需要加热，电池继续正常充电。其中，th为电池加热启动温度；tc为电池加热停止温度。
[0074]
子步骤3：判断soc1是否为10的倍数且不等于100；
[0075]
如果是，则选取得到充电目标区间d(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t1]；soc区间 y∈[soc0，soc1]；
[0076]
如果否，则继续确定下一电流变化点i2＝f(soc2，t2)；其中，soc2＝soc1 1；soc2点的温度为t2＝t1 ηc·
t1；并再次判断soc2是否为10的倍数且不等于100，直至推选得到充电目标区间。
[0077]
具体地，以类别(1)为例对上述步骤进行具体说明。
[0078]
在t0＞th时，电池不需要加热，电池直接正常充电，电池自soc0充电至soc1＝soc0 1 的充电时间为soc1点的温度为t1＝t0 ηc·
t0；其中，ηc为电池正常充电温升速率；ηc实际数值由标定测试确定，ηc＝f(α
x
)，电池正常充电温升速率与充电倍率α
x
以及环境温度有关。因此，下一电流变化点i1＝f(soc1，t1)-ih。
[0079]
此时，判断soc1是否为10的倍数且不等于100，如果是，则选取得到充电目标区间d1，确定为d1(x，y)，其中，温度区间x∈[t0，t1]；soc区间y∈[soc0，soc1]。
[0080]
如果不是，则继续进行充电区间计算及选取，按上述示例类推，直至推算出第一个充电区间d1。
[0081]
在所述预设判定策略中，以1％soc值为单次计算增量。具体地，在充电开始时，以
soc0为计算基点，以1％soc值为计算步骤的增量。其中，soc0为电池开始充电时的充电起始soc 值。并且，在1％soc的区间内充电电流是不变的，此处这样设置，能够保证每次的推导计算可靠。
[0082]
具体地，本实施例中，基于上述判定策略将电池的整个充电过程划分为五种模式。
[0083]
模式一对应为电池充电过程与一类判定策略和二类判定策略均匹配的情况，即，电池充电过程涵盖了仅加热——边充电边加热——正常充电的情况。其中，由仅加热切换至边充电边加热，需判定f(soc0，tn)＞ih条件，以及，t0＜th条件同时成立。由边充电边加热切换至正常充电，需判定tn＞tc条件成立。
[0084]
模式二对应为电池充电过程仅与一类判定策略匹配的情况，即，电池充电过程涵盖了仅加热——边充电边加热的情况。
[0085]
模式三对应为电池充电过程与一类判定策略的s3及二类判定策略均匹配，且属于二类判定策略类别(2)的情况，即，电池充电过程涵盖了边充电边加热——正常充电的情况。
[0086]
模式四对应为电池充电过程仅与一类判定策略的s3匹配的情况，即，电池充电过程仅涵盖了边充电边加热的情况，即电池进入充电状态时，电池即处于加热状态直至充满。
[0087]
模式五对应为电池充电过程仅与二类判定策略匹配，且属于二类判定策略类别(1)的情况，即，电池充电过程涵盖了正常充电的情况，即电池进入充电状态时，电池即进入正常充电模式。
[0088]
当电池充电过程与一类判定策略和二类判定策略均匹配时，或电池充电过程仅与一类判定策略匹配时，即对应为模式一和模式二时，平均充电倍率α按下式进行计算，
[0089][0090]
当电池充电过程仅与二类判定策略匹配，或电池充电过程仅与一类判定策略的s3匹配，或电池充电过程与一类判定策略的s3及二类判定策略均匹配，即对应为模式三、模式四和模式五时，平均充电倍率α仍按步骤3中的平均充电倍率α计算式计算。
[0091]
步骤3：如附图2所示，基于电池充电map图，对充电目标区间进行曲面函数拟合，得到曲面方程z＝f(x，y)并求得曲面f(x，y，z)的z向定积分，并基于z向定积分计算得到充电目标区间内的平均充电倍率α；且平均充电倍率α按下式进行计算，
[0092][0093]
其中，f(x，y)为对曲面f(x，y，z)的z向定积分；
[0094]
曲面方程z＝f(x，y)中，z为充电目标区间为d(x，y)的电流区间，记为z∈(i
min
，i
max
)。
[0095]
步骤4：计算充电剩余时间；在计算充电剩余时间时，按下式进行计算，
[0096]
ts＝t-ta；
[0097]
式中，
[0098][0099]
式中，ts为充电剩余时间；ta为电池已充电的时间；n为矩阵维度，以soc值判定确认，具体地，αn为平均充电倍率值；βn为划分的soc区间值；且i-1
矩阵和 c矩阵均为动态矩阵，矩阵随电池初始状态动态变化；i为各充电目标区间的平均充电电流，依据充电目标区间平均充电倍率α计算得到。
[0100]
具体地，以电池初始soc为53％，电池初始温度为25℃的电池初始状态为例，对应的：
[0101][0102][0103][0104]
则充电时间
[0105]
则，最终得到的充电剩余时间为：ts＝t-ta。
[0106]
本实施例提供的一种基于曲面积分算法的动力电池快充充电剩余时间计算方法，能够准确计算充电剩余时间，能够为汽车用户提供准确的充电时间参考。并且，本方案能够适应于各种充电环境下的处于不同充电状态的电池充电剩余时间计算，本方案将电池充电过程分为了五种模式并特设了预设判定策略，完全涵盖了电池充电过程的各种可能情况，并对应给不同模式匹配了相对应的判定策略及相对应的平均充电倍率计算方法等，计算的细致度较高，针对性较强，可保证对不同模式下电池充电剩余时间计算的高精准度。
[0107]
此外，本方案在确认充电目标区间时，采用预设判定策略进行确认，以1％soc为初始增长点，并考虑充电温升，对充电目标区间进行逐一推导，相比于常规在区间划分时会采用的等分区间方法等，本方案的充电目标区间选取方法更为准确、细致，能够计算出精准度更高的充电目标区间，有助于提升充电剩余时间计算的准确度。并且，再相比于常规充电时间计算方法，常规方法首先不会想到进行区间划分，因为例如现今惯常采用的基于历史数据的剩余时间计算方法等，其计算精度基于整体的历史充电数据量而保证，并不会想到再额外进行区间划分去区别数据，也没有这样做的动机。进一步地，即使在常规方法中有少部分对电池的整体充电过程进行了划分，但其划分最多止步于按充电阶段进行整块划分，因为按充电阶段划分更为明显及方便，并且惯常思维认为在单个充电阶段内，充电条件是相对稳定的，也就无需再做细致分析。但是，实际上，在单个充电阶段中，电池温度的每一增
长，soc值的每一增长，受电池的实际充电环境或充电状态影响，达到的充电量、充电损耗等均存在较多的变化，而这种变化是现有计算方案未察觉，未考量到的；也是惯常思维的盲点所在。
[0108]
而本方案则发现了这一盲点，并较好地弥补了这一盲点。本方案在计算时，将充电过程细分为充电目标区间，充电目标区间的确认充分考虑了充电温升及充电soc的增长，能够将各个充电阶段中的细微充电变化均考虑到，以此区间为基础计算得到的平均充电倍率更为贴合实际充电情况，更为精准，进而可保证充电剩余时间计算的准确度。
[0109]
并且，本实施例所提供的计算方法，将充电剩余时间计算形式转为矩阵计算，计算逻辑简单，避免了复杂的逻辑运算，计算效率更高；还特别应用了电池充电map图，在确定的充电目标区间的基础上进行曲面拟合，然后以拟合函数在充电目标区间进行曲面积分，计算出平均充电倍率，能够达到较高的计算精度。这其中，本方案发挥了电池充电map图的特别应用方式，即应用于充电倍率计算。常规的电池充电map图的应用多是用于显示充电电流，而并不会用它来计算充电倍率，因为map图整体的拟合精度过低，拟合计算结果并不可靠。但是，本方案首先通过充电目标区间划分解决了这一问题，将曲面拟合落实到更细小的区间中再做积分，有效提升了拟合精度，并进而利用电池充电map图进行充电倍率计算，计算精准可靠，能够达到较高的计算精度。
[0110]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。