| 专利名称： | 一种锂离子动力电池荷电状态估算方法 | ||
| 专利名称(英文)： | Lithium ion power battery state-of-charge estimation method | ||
| 专利号： | CN201510669746.6 | 申请时间： | 20151013 |
| 公开号： | CN105223515A | 公开时间： | 20160106 |
| 申请人： | 中国第一汽车股份有限公司 | ||
| 申请地址： | 130011 吉林省长春市西新经济技术开发区东风大街2259号 | ||
| 发明人： | 刘海洋 | ||
| 分类号： | G01R31/36 | 主分类号： | G01R31/36 |
| 代理机构： | 长春吉大专利代理有限责任公司 22201 | 代理人： | 杜森垚 |
| 摘要： | 本发明公开了一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，其根据车辆锂离子动力电池状态选择相应的锂离子动力电池荷电状态修正方法：方法一：若车辆静置且静置超过2小时，则利用车辆上电单体电压进行锂离子动力电池荷电状态修正：车辆锂离子动力电池静置超过2小时及以上时，此时车辆上电，电池管理系统采集的单体电压信号接近于单体的开路(OCV值)电压值，利用此电压值进行电池荷电状态的修正；方法二：若锂离子动力电池进入充电流程，则利用充电过冲中的单体电压进行锂离子动力电池荷电状态修正：充电机充电过程中，利用电池管理系统实时采集的单体电压值修正电池荷电状态，要求充电电流小于电池容量的七分之一。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses a lithium ion power battery state-of-charge estimation method. Corresponding lithium ion power battery state-of-charge correction methods are selected according to the status of a vehicle lithium ion power battery. A first method is as follows : if a vehicle stands and stands for more than 2 hours, the state of charge of a lithium ion power battery is corrected by using the single-cell voltage for vehicle powering-on; and if the vehicle lithium ion power battery stands for more than 2 hours and above, the vehicle is powered on, a single-cell voltage signal collected by a battery management system is close to the open-circuit voltage value (OCU value) of a single cell, and the state of charge of the battery is corrected by using the open-circuit voltage value. A second method is as follows : if a lithium ion power battery enters the charging process, the state of charge of the lithium ion power battery is corrected by using the single-cell voltage in the charging process; and in the charging process of a charger, the state of charge of the battery is corrected by using the single-cell voltage collected by the battery management system, wherein the charging current must be smaller than 1/7 of the battery capacity. | ||
1.一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、电池管理系统初始化，判断车辆锂离子动力电池状态； 步骤二、根据车辆锂离子动力电池状态选择相应的锂离子动力电池荷电状 态修正方法： 方法一：若车辆静置且静置超过2小时，则利用车辆上电单体电压进行锂 离子动力电池荷电状态修正：车辆锂离子动力电池静置超过2小时及以上时， 此时车辆上电，电池管理系统采集的单体电压信号接近于单体的开路电压值， 利用此电压值进行电池荷电状态的修正； 方法二：若锂离子动力电池进入充电流程，则利用充电过冲中的单体电压 进行锂离子动力电池荷电状态修正：充电机充电过程中，利用电池管理系统实 时采集的单体电压值修正电池荷电状态，要求充电电流小于电池容量的七分之 一； 若车辆处于行驶过程中或不满足上述两种修正方法中任一种的修正条件 时，直接进入步骤三； 步骤三、利用AH积分法实时计算锂离子动力电池荷电状态。
1.一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、电池管理系统初始化，判断车辆锂离子动力电池状态； 步骤二、根据车辆锂离子动力电池状态选择相应的锂离子动力电池荷电状 态修正方法： 方法一：若车辆静置且静置超过2小时，则利用车辆上电单体电压进行锂 离子动力电池荷电状态修正：车辆锂离子动力电池静置超过2小时及以上时， 此时车辆上电，电池管理系统采集的单体电压信号接近于单体的开路电压值， 利用此电压值进行电池荷电状态的修正； 方法二：若锂离子动力电池进入充电流程，则利用充电过冲中的单体电压 进行锂离子动力电池荷电状态修正：充电机充电过程中，利用电池管理系统实 时采集的单体电压值修正电池荷电状态，要求充电电流小于电池容量的七分之 一； 若车辆处于行驶过程中或不满足上述两种修正方法中任一种的修正条件 时，直接进入步骤三； 步骤三、利用AH积分法实时计算锂离子动力电池荷电状态。
翻译：技术领域
本发明涉及一种插电混合动力汽车(PHEV)和纯电动汽车(EV)的锂离子 动力电池荷电状态(SOC)估算方法，也可以应用于其它类型的锂离子动力电池 新能源汽车，属于新能源汽车动力电池管理系统(BMS)技术领域。
背景技术
最近几年来，锂离子动力电池在混合动力汽车(HEV)，插电混合动力汽车 以及纯电动汽车中取得了广泛应用。由于锂离子动力电池单体电压存在平台区 (特别是磷酸铁锂类型的锂离子动力电池单体)，以及汽车的复杂使用条件，因 此锂离子动力电池荷电状态估算，是电池管理系统核心功能之一，也是电池管 理系统开发难点之一。提供精确的、稳定的锂离子动力电池荷电状态估算方法， 对于提高当前电池管理系统性能、以及新能源汽车动力电池产业化具有巨大推 动作用，将产生可观经济效益。
目前国内外整车企业、锂电池公司、科研院所对锂离子动力电池荷电状态 估算做了大量研究，目前的论文和专利中普遍采用的方法包括：AH积分方法、 开路电压修正方法、卡尔曼滤波修正方法。
本发明采用车辆静置一定时间(要求静置2小时及以上)后，车辆上电时 电池管理系统采集初始单体电压修正SOC方法和充电机充电过程中的单体电压 修正SOC方法，适用于具有充电功能的插电式混合动力汽车和纯电动汽车。车 辆静置一定时间(要求静置2小时及以上，此时间可以根据电池特性不同，通 过单体试验确定新的时间值)后，车辆上电时利用采集的初始单体电压修正SOC 方法也适用于HEV汽车。目前利用这种方法进行锂离子动力电池荷电状态估算 的研究还未见报道。
发明内容
本发明提供一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，其适应性强，能充分 满足锂离子动力电池荷电状态估算精度要求。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，包括以下步骤：
步骤一、电池管理系统初始化，判断车辆锂离子动力电池状态；
步骤二、根据车辆锂离子动力电池状态选择相应的锂离子动力电池荷电状 态修正方法：
方法一：若车辆静置且静置超过2小时，则利用车辆上电单体电压进行锂 离子动力电池荷电状态修正：车辆锂离子动力电池静置超过2小时及以上时， 此时车辆上电，电池管理系统采集的单体电压信号接近于单体的开路(OCV值) 电压值，利用此电压值进行电池荷电状态的修正；
方法二：若锂离子动力电池进入充电流程，则利用充电过冲中的单体电压 进行锂离子动力电池荷电状态修正：充电机充电过程中，利用电池管理系统实 时采集的单体电压值修正电池荷电状态，本方法仅适用于小电流充电情况，不 适用于快速充电过程，要求充电电流小于电池容量的七分之一；
若车辆处于行驶过程中或不满足上述两种修正方法中任一种的修正条件 时，直接进入步骤三；
步骤三、利用AH积分法实时计算锂离子动力电池荷电状态。
本发明采用方法一和方法二的综合体进行动力电池荷电状态估算；对荷电 状态的修正条件，修正数据，试验验证做了全方位的分析，具有良好的效果和 实际推广价值。
附图说明
图1本发明的锂离子动力电池荷电状态估算整体流程框图。
图2本发明中荷电状态精度测试用到的测试工况1(25％～70％SOC)的工 况电流。
图3本发明中荷电状态精度测试用到的测试工况2(15％SOC)的工况电 流。
图4锂离子电池一阶电模型。
具体实施方式
本发明提供的一种锂离子动力电池荷电状态估算方法，包括以下步骤：
步骤一、电池管理系统初始化，判断车辆锂离子动力电池状态；
步骤二、根据车辆锂离子动力电池状态选择相应的锂离子动力电池荷电状 态修正方法：
方法一：若车辆静置且静置超过2小时，则利用车辆上电单体电压进行锂 离子动力电池荷电状态修正：车辆锂离子动力电池静置超过2小时及以上时， 此时车辆上电，电池管理系统采集的单体电压信号接近于单体的开路(OCV值) 电压值，利用此电压值进行电池荷电状态的修正；
方法二：若锂离子动力电池进入充电流程，则利用充电过冲中的单体电压 进行锂离子动力电池荷电状态修正：充电机充电过程中，利用电池管理系统实 时采集的单体电压值修正电池荷电状态，要求充电电流小于电池容量的七分之 一；
若车辆处于行驶过程中或不满足上述两种修正方法的修正条件时，直接进 入步骤三；
步骤三、利用AH积分法实时计算锂离子动力电池荷电状态。
本发明的核心思想是静置2小时(此时间根据不同单体性质需要重新进行 试验确定)及以上时，利用电池管理系统初始化过程中采集的电压值修正电池 荷电状态，下面对其理论基础进行详细分析。
第一，当动力电池静置达到2小时及以上时，充、放电过程中导致的累积 离子会逐步扩散，并且达到离子平衡状态。第二，通过在单体内埋设温度传感 器进行测试，静置1.5小时后，单体内的温度恢复到与环境温度一致，在恒定 温度和荷电状态下，结合图4的锂离子电池单体一阶电模型，图4中的电阻和 电容近似认为为恒定值；由公式(1)中的Q(t)计算公式可知，在t＝5RC时(5RC 大约等于100秒)，图4中的电容电压会达到稳态电压值的99％以上，此时电容 效应近似可以忽略。结合以上两条原因，本文选择静置2小时及以上时进行动 力电池荷电状态修正具有很好的理论基础。
Q(t)＝Q0e-t/RC+e-t/RC∫iet/RCdt(1)
本发明研究开发了锂离子动力电池荷电状态估算方法，其整体设计流程如 图1所示。本发明仅针对图1中的SOC修正方法进行研究，不研究AH积分方法。 一是车辆静置时间达到2小时及以上时，车辆上电时电池管理系统采集的单体 电压信号接近于单体的开路(OCV值)电压值，利用此电压值进行电池荷电状态 的修正；二是充电机充电过程中，当SOC大于80％时，利用电池管理系统采集单 体电压修正SOC的方法。
一.车辆静置后上电时利用电池管理系统采集单体电压修正SOC方法
A公司插电混合动力轿车动力电池荷电状态在车辆行驶过程中采用AH积分 方法计算荷电状态，但如果仅利用AH积分法，由于A公司动力电池电流采样误 差为≤±2.5％，车辆经过长时间行驶，会导致荷电状态的累积误差，无法满足 整车对SOC的要求。A公司插电混合动力轿车按照NEDC工况进行台架试验，8 小时台架工况循环结束后，其AH积分方法导致的荷电状态累积误差达到±6％， 如果时间长达一天以上，会累积更大误差，因此进行荷电状态的修正估算方法 是十分必要的。
目前无论是开路电压修正动力电池荷电状态方法，还是卡尔曼滤波修正动 力电池荷电状态方法都想得到准确的开路电压值，利用开路电压值与荷电状态 之间的对应关系得到高精度的荷电状态估算值，因此获取准确的开路电压值对 于准确估算动力电池荷电状态具有决定性作用。
本方法就是为了得到开路电压值。当车辆静置时间达到2小时及以上时， 车辆上电时电池管理系统采集的单体电压近似等于开路电压值。本方法结合车 辆实际使用情况(A公司新能源汽车在中国某城市的示范运行项目)，即大多数 情况下车辆每天可以满足静置2小时的要求；以及锂离子电池的电压特性，即 达到2小时及以上时，电池单体的电压进入稳定状态；此时车辆上电，在BMS 初始化阶段，动力电池电流为0安培的情况下，BMS采集动力电池中每个单体电 压，然后计算动力电池单体电压的平均值，利用此电池单体电压平均值，查表1 (当单体变化时，表1数据需要通过试验重新测定)中单体电压与荷电状态对 应关系图谱，得到对应的荷电状态修正值。
表1
序号 单体电压值/mv 目标SOC值 1 ＞3342 100 2 ∈(3335，3342] 90 3 ∈(3325，3335] 80 4 ∈(3314，3325] 70 5 ∈(3307，3314] 65 6 ∈(3295，3307] 60 7 ∈(3287，3295] 50 8 ∈(3276，3287] 35 9 ∈(3262，3276] 30 10 ∈(3241，3262] 25 11 ∈(3222，3241] 20 12 ∈(3213，3222] 15 13 ∈(3203，3213] 10 14 ∈(2998，3203] 5
15 ≤32998 0.5
车辆行驶过程中以及不满足修正条件时利用AH积分实时计算动力电池荷 电状态；当满足车辆静置后利用上电单体电压修正SOC时，进行对应的修正。 两者结合起来，能够保证磷酸铁锂类型的动力电池单体荷电状态在±6％精度范 围内，满足车辆和电池管理系统的要求。值得注意的是，利用本方法需要电池 管理系统的单体电压采样精度达到≤±2mV。
二.充电机充电过程中利用电池管理系统采集单体电压修正SOC方法
对于插电混合动力和纯电动汽车，本方法是对方法一的补充。
插电混合动力汽车和纯电动汽车都具有充电机充电功能，本发明考虑充电 机充电时进行动力电池荷电状态的修正原因有以下两点：第一，当电池总成荷 电状态大于80％时，其单体开路电压值随SOC值变化率显著增大，这为修正创 造了条件；第二，A公司的插电混合动力汽车其慢充电电流为电池容量的七分 之一，属于小电流充电。
由于磷酸铁锂电池单体在平台区单体电压变化小，为防止在平台区出现误 修正动作，本发明选定动力电池荷电状态大于80％时进行充电时荷电状态修正； 并选定SOC为80％，85％，90％这三个离散荷电状态点进行动力电池单体电压 与荷电状态的修正。
利用单体充、放电设备测试出SOC为80％、85％、90％三个点，不同温度， 不同充电电流(≤5A)时的单体电压值。并将这些数据存储到电池管理系统中， 电池管理系统利用实时采集到的单体电压查表，当实时采集的单体电压值与查 表得到的不同温度、电流、荷电状态下的单体电压相等时，将动力电池荷电状 态修正到80％、85％、90％中对应的值。
三.测试结果
本发明的荷电状态估算方法目前已经应用于A公司插电混合动力汽车的动 力电池管理系统中。在车辆应用之前，进行了动力电池总成荷电状态精度的台 架试验，试验分为SOC＝15％，25％，35％，50％，70％五个初始条件，利用图2、 图3以及NEDC三个工况进行循环测试。
试验前检查动力电池单体的一致性，本发明要求动力电池单体在静置7天 及以上时电压差≤4mV。利用DIGATRON充、放电设备调整动力电池总成的SOC 初始值，分别调整到SOC＝15％，25％，35％，50％，70％，然后对每个SOC点进行 24个工况循环，循环工况见图2、图3和NEDC工况。循环完成后，将电池总 成静置2小时以上，记录电池管理系统上报的SOC值。记录完成后，将电池总 成放电到截止电压值进行容量检测，得到表2中的荷电状态估算误差结果。
表2
通过表2的测试结果可以看出，本发明开发的荷电状态估算修正方法，应 用于A公司的插电混合动力磷酸铁锂类型的动力电池，其动力电池荷电状态估 算精度可以达到≤±6％，满足磷酸铁锂动力电池荷电状态估算精度要求以及A 公司的插电混合动力车辆使用要求。
