基于單體電池的串聯(lián)電池組荷電狀態(tài)soc在線估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電池管理系統(tǒng)技術(shù)，具體是一種基于單體電池的串聯(lián)電池組荷電狀態(tài)SOC在線估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002 ]荷電狀態(tài)SOC用于表征電池的剩余電量，是評價(jià)電池剩余能力、合理充分地使用電池和避免濫用電池的重要參數(shù)，對電動(dòng)汽車而言，高精度SOC的可靠估計(jì)更是解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]問題的重要基礎(chǔ)。為滿足如電動(dòng)汽車對電池的大功率和大儲(chǔ)能量要求，需要將單體電池串聯(lián)使用。
[0003]影響SOC估計(jì)精度的因素很多，包括使用環(huán)境條件、使用工況條件以及電池內(nèi)部的電化學(xué)效應(yīng)等，是不可直接在線測量的，只能利用采集到的電池電壓、電流和溫度等傳感器信號進(jìn)行估計(jì)。目前，SOC的在線估計(jì)方法主要有安時(shí)積分法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法等，存在沒有很好面向電池壽命周期和估計(jì)精度低的問題。尤其對串聯(lián)電池組而言，理論上應(yīng)將電池組中SOC最低的單體電池的SOC作為電池組的SOC O但現(xiàn)有的串聯(lián)電池組SOC估計(jì)方法，由于考慮到成本和電池管理系統(tǒng)的復(fù)雜度等，未能實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)電池組中單體電池的SOC的在線估計(jì)，從而使所估計(jì)出來的串聯(lián)電池組的SOC與串聯(lián)電池組的實(shí)際SOC存在較大的誤差，導(dǎo)致對串聯(lián)電池組的實(shí)際充放電能力未能合理充分地利用，造成了對電池組能力的浪費(fèi);或存在欲充分利用電池組而導(dǎo)致的濫用電池的風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于單體電池的串聯(lián)電池組荷電狀態(tài)SOC在線估計(jì)方法。
[0005]本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種基于單體電池的串聯(lián)電池組荷電狀態(tài)SOC在線估計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0006]步驟1、中央控制器BCU發(fā)送采樣開始時(shí)間基準(zhǔn)TB和軟同步采樣時(shí)間間隔At給所有本地控制器BMU;
[0007]步驟2、中央控制器BCU從TB開始、，每間隔At對通過所述串聯(lián)電池組的電流進(jìn)行采樣得，并將通過串聯(lián)電池組的電流序列Ini及其對應(yīng)的采樣的時(shí)間戳nNI通過CAN總線發(fā)送給各本地控制器BMU，其中，ηΝΙ*ΙΝΙ采樣時(shí)刻與TB間的At的個(gè)數(shù)，下標(biāo)NI為采樣所得的通過串聯(lián)電池組的電流值的序號；
[0008]步驟3、各本地控制器BMU從TB開始，每間隔Λt通過其同步采樣保持電路對串聯(lián)電池組中其各自對應(yīng)的單體電池的電壓、溫度進(jìn)行采樣，得單體電池的電壓V1,、溫度TiunS記錄每次氕嚴(yán)山,廣采樣時(shí)刻與TB間的At的個(gè)數(shù)m./e作為V1.j'T1./e采樣的時(shí)間戳，其中，下標(biāo)i為本地控制器BMU的編號、下標(biāo)j為第i個(gè)本地控制器BMU所對應(yīng)的單體電池的編號，上標(biāo)NC為采樣所得的單體電池的電壓值、溫度值的序號；
[0009]步驟4、各本地控制器BMU通過CAN總線接收來自中央控制器B⑶的電流值Ini及其相應(yīng)的nNI，將m,嚴(yán)= nNI對應(yīng)的單體電池的電壓1,/^、溫度T1,嚴(yán)與Ini配組，從而得到基于時(shí)間戳軟同步后的同一時(shí)刻的單體電池的電壓Vs1, >電流Isiu和溫度Tsiu;
[0010]步驟5、各本地控制器分別使用各單體電池的電壓Vsi,」、電流Isi, j和溫度Tsi,」，執(zhí)行基于電池等效電路模型中的各單體電池參數(shù)及對電池等效電路模型中未涵蓋電池效應(yīng)進(jìn)行綜合模擬的各單體電池參數(shù)的遞推在線辨識；
[0011 ]步驟6、各本地控制器執(zhí)行雙端自校正的自適應(yīng)荷電狀態(tài)SOC估計(jì)方法，得各單體電池的荷電狀態(tài)SOCi, j，并將SOCi, j通過CAN總線發(fā)送給中央控制器B⑶；
[0012]步驟7、中央控制器B⑶通過以下公式計(jì)算串聯(lián)電池組的荷電狀態(tài)SOCbp
[0013]SOCbp=min[ SOCi, j，
[0014]式中，i = 1-本地控制器BMU的個(gè)數(shù)，j = 1-第i個(gè)本地控制器BMU所對應(yīng)的單體電池的個(gè)數(shù)。
[0015]所述步驟5中的各本地控制器分別使用各單體電池的電壓Vslu、電流Isiu和溫度Ts^，執(zhí)行基于電池等效電路模型中的各單體電池參數(shù)及對電池等效電路模型中未涵蓋電池效應(yīng)進(jìn)行綜合模擬的各單體電池參數(shù)的遞推在線辨識，所述電池等效電路模型為Thevenin模型，所述電池等效電路模型中的各單體電池參數(shù)包括單體電池的開路電壓V。。, i, j、單體電池的直流內(nèi)阻Rin, i, j、用于模擬單體電池的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的RC回路中的電阻RP, i,j和電容CP,i,j，在時(shí)刻k，電池等效電路模型中未涵蓋電池效應(yīng)進(jìn)行綜合模擬的單體電池參數(shù)為由白噪聲的滑動(dòng)平均值所構(gòu)建的在電池等效電路模型的輸出端添加的有色噪聲
ffk, i, j ο
[0016]所述遞推在線辨識的方法為遞推擴(kuò)展最小二乘法，對每一單體電池(i，j，i= 1-本地控制器BMU的個(gè)數(shù)，j = 1-第i個(gè)本地控制器BMU所對應(yīng)的單體電池的個(gè)數(shù))，記時(shí)刻k時(shí)的單體電池(i，j)的Vsi, j、電流Isi, j和溫度Tsi,』分別為Vt,k、Ik、Tk，具體包括如下步驟:
[0017]步驟501、按公式Γ\=[1 Ik(Ik-1k-1)/At(Vt,k-Vt,k-1)/At nk-1…nk-nc]計(jì)算時(shí)刻k輸入向量的遞推值Γ，其中，Γ'= Γτ2 =…=rTnc= Γο，Γο為給定的初始值，1、Vt為通過傳感器米樣的電池的電流(充電時(shí)為負(fù)，放電時(shí)為正)、端電壓，下標(biāo)k代表第k時(shí)刻、k-1代表第k-Ι時(shí)刻，At為第k時(shí)刻和第k-Ι時(shí)刻間的時(shí)間，nk-1、…、nk-n。分別為前一時(shí)刻k-Ι、前nc時(shí)亥ljk-nc的隨機(jī)誤差；
[0018]步驟502、按公式Pk=[Pk-1-Pk-1 Γ k Γ TkPk-1/(A+ Γ TkPk-1 Γ k) ]Λ更新第k時(shí)刻的增益因子Pk，其中，下標(biāo)k、k-l分別代表第k時(shí)刻和k-1時(shí)刻，λ為遺忘因子(通常取值區(qū)間為0.95-
1);
[0019]步驟503、按公式Ok = Ok-1+Pk Γ k[Vt,k_ Γ Tk0k-1]計(jì)算第k時(shí)刻的待辨識參數(shù)向量Ok;
[0020]步驟5O4、在k+1時(shí)刻電池的電流I和端電壓Vt采樣值更新后，按公式nk+卜i=Vt,k+1-1-rTk+1-10k+1-1(i = l，2，3，…，nc)更新當(dāng)前時(shí)刻以前的nc個(gè)時(shí)刻的隨機(jī)誤差，將k用k+I代替，返回步驟501，實(shí)現(xiàn)遞推；
[0021]步驟505、利用在步驟501-504遞推計(jì)算中獲得待辨識參數(shù)向量Ok中的元素O1,k、
02,k、03,k、04,k，分別按公式Voc = Ol, k、Rin = 03, k/04,k、Rp =-02,k-03,k/04,k、CP = 04, k2/(02,k04,k+
03,k)計(jì)算出電池等效電路模型中的電池開路電壓V。。、直流內(nèi)阻Rin、RC電路中的仏和^。
[0022]所述步驟6具體包括如下步驟:
[0023 ]步驟601、利用基于相同電化學(xué)體系的電池的SOC與電池的開路電壓與溫度的關(guān)系不隨電池老化而改變的原理，通過實(shí)驗(yàn)測出單體電池SOC與其開路電壓Voc和溫度T的關(guān)系SOCocv'T = f (Voc，T)，使用步驟5中遞推在線辨識出的單體電池的開路電壓V。。, i, j和所述步驟4中得到的單體電池溫度Tsid代替50(:[0’7 =汽￥0(3，1')中的￥0(3和1'，計(jì)算單體電池(1，」)的模型荷電狀態(tài)S0CM°deli,j;
[0024]步驟602、利用步驟4中得到的單體電池電流Islu，按公式
[0025]S0CAhi,j= 2(ISi,jAt)計(jì)算單體電池(i，j)的積分荷電狀態(tài)S0CAhi,j，其中；At為前后兩次IS i, j更新間的時(shí)間間隔；
[0026]步驟603、按以下步驟計(jì)算單體電池(i，j)的荷電狀態(tài)SOCi, j:
[0027]I)如果電池靜置時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間Tl，則SOC1.jzSOC—’TzfXVoc，!')，其中，Voc為BMS上電后I Isiu I近似為O期間在所述步驟4中得到的單體電池的電流Is1, j;
[0028]2)如果卜\廠^1,」<1則30(:1^ = 50(^(1(311,」，其中4為電壓差用于判斷所述步驟5中遞推在線辨識出的單體電池參數(shù)是否準(zhǔn)確(一般取，10-20mV)，Vmlu為按下式計(jì)算的單體電池(i，j)的電壓:
[0029]Vmi,j = Voc,i,j-(Rin,i,j+RP,i,j)Isi,j-RP,i,jCP,i,j(Rin,i,jAIs/At+AVs/At)+ffk,i,j
[0030]式中，￥。6小1?^小1^小0^小1&分別為步驟5中辨識出的單體電池(^)的開路電壓、直流內(nèi)阻、RC回路中的電阻和電容、有色噪聲，At為當(dāng)前時(shí)刻與前一時(shí)刻的時(shí)間差，Δ IS = I Si, j_I Si, j、AVs = Vsi, j_Vsi, j , Isi, j、Vsi,j 分力|J 為如時(shí)刻的 Vsi, j、I Si, j，Vs1, j、ISlu分別為步驟4中得到的基于時(shí)間戳軟同步后的同一時(shí)刻的單體電池的電壓、電流；
[0031 ] 3)如果(Vsi, j>VH或Vsi, j<VL)且 | Isilj <IL且 | Isilj <IL的持續(xù)時(shí)間 >Tlim,M用￥8^代替￥、1^,」代替1'計(jì)算50(^,」=0(￥，1')，其中41(￥，1')為通過實(shí)驗(yàn)獲得的單體電池SOC與其電壓V和溫度T的關(guān)系，VH、VL、IL、Tlim分別為通過實(shí)驗(yàn)獲得的對電池進(jìn)行恒流限壓充電時(shí)接近充滿電狀態(tài)時(shí)的單體電池電壓、進(jìn)行恒流限壓放電時(shí)接近放空時(shí)的單體電池電壓、用于判斷電池恒流充電或放電過程中是否達(dá)到限壓狀態(tài)的電流值、用于確認(rèn)電池恒流充電或放電過程中是否達(dá)到限壓狀態(tài)的時(shí)間；
[0032]4)否則，S