一种电动汽车动力电池系统SOF多参数表征与估计方法

一种电动汽车动力电池系统sof多参数表征与估计方法
技术领域
1.本发明涉及纯电动汽车的电池管理系统技术领域，特别的为一种基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池系统sof多参数表征与估计方法。


背景技术：

2.sof(state of function)，一般指电池的功能状态。其起源于启动电池，一个启动电池最主要的功能是在发动机需要启动的时候能够满足起动机的功率要求，供能给启动机转动，启动发动机。
3.对于纯电动汽车的车用动力电池，由于需要满足的动力功能比较多，因此动力电池系统能否完成电动汽车规定的功能，其评价也就较为复杂。状态估计是bms重要功能，其中用于估计预测电动车的剩余电量荷电状态soc(state of charge)、直接对应能耗的状态参数能量状态soe(state of energy)、规定一个即时的额定容量与设计额定容量的比值来表示电池的剩余额定容量,soh(state of health)、评估电池最大能够支持的功率的状态参数,sop(state of power)是最常用的状态参数。
4.然而,实际车辆在行驶过程中,仅仅知道上述状态参数还不够,驾驶员想知道纯电动汽车的动力现在能够完成规定功能的能力，这就出现了一个新的状态参数sof(state of function)功能状态。
5.在现有的许多专利中对于sof估计直接定义为在任何给定的充放电条件下,可以预测出的电池的充放电电流极限值、电压极限值及功率极限值，这种定义接近通常意义上的sop功率状态，而且并没用针对于纯电动汽车车用动力电池的功能进行估计表示。
6.因此，提出一种针对纯电动汽车车用平台的关于纯电动汽车车用动力电池相关的功能状态估计，对于纯电动汽车这一平台具有现实意义，同时也提供了一种将动力电池功能状态与其他新能源汽车进行匹配关联的思路。


技术实现要素：

7.本发明提供的发明目的在于提供一种电动汽车动力电池系统sof多参数表征与估计方法，能够对纯电动汽车车用动力电池相关的功能状态进行估计。
8.一种电动汽车动力电池系统sof多参数表征与估计方法，包括以下步骤：
9.步骤1，建立等效电路模型，利用滤波算法估计纯电动汽车动力电池荷电状态soc；步骤2，基于荷电状态soc并结合具体行驶的工况分别估计纯电动汽车动力电池实时的能量状态soe与功率状态sop；步骤3，定义融合性能需求的纯电动汽车动力电池系统sof，sof＝(sof
1 sof2)，sof1为纯电动汽车车用功能对动力电池所能提供的能量需求，与能量状态soe相关，sof2为纯电动汽车车用功能对动力电池所能提供的功率需求，与功率状态sop相关；步骤4，在预测工况下基于sof系统纯电动汽车动力电池判断是否满足功能要求，并对比相应需求进行预警提示。
10.作为优选，步骤1具体为：
11.步骤1.1，建立等效电路模型，具体为连续系统的动力电池模型方程：其中，r0为等效电阻、r1为等效电阻、r2为等效电阻、c1为等效电容和c2为等效电容，u
l
为输出电压、u
oc
为对于soc下的开路电压、i分别为对应时间t下的输出电流；
12.步骤1.2，实时获取当前纯电动汽车动力电池的开路电压、放电电流，基于所述等效电路模型得到系统状态方程和观测方程，包括系统状态方程、系统观测方程、过程误差协方差、观测误差协方差，基于卡尔曼滤波算法预测系统内部的动力电池性能、荷电状态soc。
13.作为优选，步骤2在得到在线估计的荷电状态soc等参数的基础上，分别估计soe、sop并与车用动力功能相关联，车用动力功能包括续航里程、最高速度、最大爬坡度和最大加速度；
14.所述能量状态soe与能量需求相关，具体表现在续航里程上，所述功率状态sop与功率需求相关，具体表现在最高车速、最大爬坡能力和最大加速度。
15.作为优选，步骤2具体包括：
16.步骤2.1，估计动力电池的能量状态soe，标定最小续航里程为s1，标定汽车行驶的单位能耗为e1，若满足soe≥s1e1，则表示续航里程满足要求；
17.步骤2.2，估计动力电池的功率状态sop，标定最小加速度a1为，当前巡航速度为u，若满足则表示功率状态满足要求，η
t
为传递效率，mg为电车的重量，f为地面摩擦系数，cd为空气助力系数，a为迎风面积。
18.作为优选，步骤3中能量状态soe与能量需求相关为在满足某一工况下的续航里程的能量需求，具体的，设定当前能量状态为soe，设定最低续航要求为s，当前工况下单位距离下的能耗为initec，sof1＝soe/s
×
initec。
19.作为优选，步骤3中功率状态sop与功率需求相关具体表现为：
20.1)满足某一设定的巡航速度u所需的功率需求：需求：所需功率记为p1；
21.2)满足对于一定坡度i的爬坡性能需求：性能需求：所需功率记为p2；
22.3)满足某一设定的加速度α所需的功率需求：3)满足某一设定的加速度α所需的功率需求：所需功率记为p3。
23.作为优选，若当前功率状态为sop，设定预测工况下最大巡航速度为u，最大加速度为a，最大爬坡度为i，并得到满足条件的最小功率值p
1 p
2 p3，sof2＝sop/max(p
1 p
2 p3)。
24.作为优选，步骤4中基于性能需求，预测动力电池提供给纯电动汽车的能量和功率满足纯电动汽车各项动力性指标的情况；
25.结合工况预测对其在各工况下的情况进行仿真验证，证明基于性能需求预测的纯电动汽车功能状态估计这一方案的可行性；
26.对当前预测的当前工况下所需要的能量和功率要求与可以提供的进行比较，低于一定百分比时进行预警提醒。
27.有益效果：
28.(1)本发明基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池sof多参数功能状态估计，从能量和功率两个方面，建立车用动力性能与动力电池的具体联系，重新基于纯电动汽车平台定义了功能状态sof；
29.(2)本发明在能量状态soe和功率状态sop与纯电动汽车建立了联系，具有一定的实用价值和参考意义。在这一基础上可以针对于纯电动汽车动力电池其他性能进行扩展相关定义，从而将纯电动汽车动力电池功能状态sof的表述具体化，应用到车用平台。
附图说明
30.图1为本发明的一个实施例的sof功能状态估计流程图；
31.图2为本发明的一个实施例的sof功能状态与具体车用功能的关联；
32.图3为本发明的一个实施例的考虑在线soc估计具体工况的实施流程。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池sof多参数功能状态估计，从能量和功率两个角度，建立车用动力性能与动力电池的具体联系，预测纯电动汽车在具体工况下的功能状态是否满足正常行驶需求，参考动力电池的荷电状态soc估计等对功能状态sof基于纯电动汽车这一平台进行定义，并给出相应的估计方案。
35.本发明包括，基于工况预测的纯电动汽车动力电池多参数soe能量状态估计、基于工况预测的纯电动汽车动力电池多参数sop功率状态估计、基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池多参数sof功能状态估计的规定方法、指标及估计方法。
36.基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池多参数sof功能状态估计规定方法，首先动力电池首先动力电池最基本的功能是给纯电动汽车提供电能，因此在规定的工作电压范围内，按照标准规定或厂家规定能够提供的总能量作为一个动力电池功能是合理的。针对于纯电动汽车来说，车辆的规定续航里程、加速时间、最高车速、最高车速、最高爬坡能力、回收电能功率、充电时间、使用温度范围等功能为车辆设计的最基本的功能，因此也需要从功率角度入手，针对于上述功能，本专利从能量和功率两个角度入手，基于纯电动汽车这一平台规定纯电动汽车动力电池的功能状态sof。
37.基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池多参数sof功能状态估计指标，指在基于纯电动汽车这一平台，通过对动力电池荷电状态soc、能量状态soe、功率状态sop等的估计，对纯电动汽车各项动力性能进行量化，在预测工况下，当各项功能指标不满足时进行预警，即本发明中所定义的基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池多参数sof功能状态。
38.如图1至图3所示，基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池多参数sof功能状态
以如下实例描述，包括如下步骤：
39.步骤1，建立等效电路模型，利用滤波算法估计纯电动汽车动力电池荷电状态soc，具体的，
40.步骤1.1，本实施例中选取thevenin等效电路模型，来反映动力电池充放电特性，且对其模型各项参数识别。选取二阶thevenin等效电路模型参数：等效电阻r0、等效电阻r1、等效电阻r1、等效电容c1和等效电容c2，建立连续系统的动力电池模型方程：，建立连续系统的动力电池模型方程：u
l
为输出电压、u
oc
为对于soc下的开路电压、i分别为对应时间t下的输出电流。
41.步骤1.2，利用卡尔曼滤波算法的闭环控制以及强实时性得到较为准确地soc估计，具体的，
42.结合等效电路模型得到系统状态方程、系统观测方程、系统过程误差协方差、系统观测误差协方差，对动力电池的电荷状态soc等进行状态估计。
43.步骤2，在得到荷电状态soc的基础上，利用卡尔曼滤波等算法分别估计纯电动汽车动力电池的能量状态soe与功率状态sop，具体的：
44.步骤2.1，在得到实时电荷状态soc估计的基础上，对动力电池的能量状态soe进行估计，结合预测的工况对动力电池的能量即续航里程是否满足需求进行判定。例如当处于某一匀速行驶工况下，标定续航里程低于s1(km)时判定不满足需求，且1km下汽车行驶所消耗的能量为e1，则通过判断soe≥s1e1，来判断续航里程功能是否符合要求。
45.步骤2.2，在得到实时电荷状态soc估计的基础上，对动力电池的功率状态sop进行估计，结合工况判断动力电池的功率是否满足需求(单个的针对于巡航速度，爬坡度，加速度的功率需求)。例如当处于加速行驶的工况下，标定最大加速度低于a1时判定不满足需求，且当前速度为u，则通过判断求，且当前速度为u，则通过判断来判断动力电池的功率状态是否满足车用功能需求。
46.步骤3，在分别得到基于性能需求预测的纯电动汽车动力电池能量状态soe、功率状态sop后，需要将能量和功率建立关系，即对纯电动汽车动力电池的功能状态估计。
47.定义融合性能需求的纯电动汽车动力电池系统sof为纯电动汽车动力电池可以提供能量和功率以满足纯电动汽车车用动力功能的能力，并表达为sof＝(sof
1 sof2)，sof1为纯电动汽车车用功能对动力电池所能提供的能量需求，与能量状态soe相关，sof2为纯电动汽车车用功能对动力电池所能提供的功率需求，与功率状态sop相关。
48.本发明将动力电池的能量状态soe与纯电动汽车的性能建立关系，即soe可以表示为在一定条件下，基于预测工况以及性能需求，在当前情况下动力电池可以给纯电动汽车提供的最大能量
49.能量状态soe与能量需求相关具体表现为：在满足某一工况下(等速、等加速、等减速、怠速等)的续航里程的能量需求，具体的，设定当前能量状态为soe，设定最低续航要求为s，当前工况下单位距离下的能耗为initec，sof1＝soe/s
×
initec。
50.功率状态sop与功率需求相关具体表现为：
51.1)满足某一设定的巡航速度u所需的功率需求：1)满足某一设定的巡航速度u所需的功率需求：所需功率记为p1；
52.2)满足对于一定坡度i的爬坡性能需求：2)满足对于一定坡度i的爬坡性能需求：所需功率记为p2；
53.3)满足某一设定的加速度α所需的功率需求：3)满足某一设定的加速度α所需的功率需求：所需功率记为p3。
54.若当前功率状态为sop，设定预测工况下最大巡航速度为u，最大加速度为a，最大爬坡度为i，sof2＝sop/max(p
1 p
2 p3)
55.对当前预测工况下的各项功能需求与动力电池可提供的能量和功率进行比较，当低于一定数值时进行预警提醒。
56.本发明专利中满足sof的首要条件是纯电动汽车在某一具体的行驶工况下，纯电动汽车的续驶里程、功率满足需求，从而表现在动力电池上是能量状态soe和功率状态sop满足使用需求。在预测工况下可以得到动力电池在当前时刻下的续驶里程需求和功率需求，以及通过滤波算法我们可以得到动力电池当前时刻的能量状态和功率状态，进而对于当前工况下功能状态的估计，表现形式为百分比。
57.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。