一种储能电池剩余容量估算方法及装置制造方法
【专利摘要】一种储能电池剩余容量估算方法及装置。该方法及装置实时估算储能电池的SOC(剩余容量)，主要包括以下步骤：获取电池单体电压、电池温度、电池组电流等参数；通过电流的安时积分实时估算SOCi(基于电流的剩余容量)、历史充放电安时数据；以及在特定条件下通过开路电压校正，估算SOCv(基于电压的剩余容量)；将SOCi与SOCv其中一个设置为储能电池组的SOC，并将SOC与历史充放电安时数据定期存储。实现为储能系统能量调度提供数据支持，充分利用储能电池容量，防止过充过放发生，提高电池使用寿命等目的。
【专利说明】一种储能电池剩余容量估算方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于电池管理【技术领域】，特别是应用于大规模储能系统的电池管理。
【背景技术】
[0002]由于风能、太阳能等新能源发电其固有的间歇性、随机性的特点，会对电网的安全、稳定运行带来不利影响。发展储能技术，可以提高其运行质量。合理高效的电池管理系统对电池堆的寿命以及整个储能系统的安全性有着至关重要的作用。
[0003]电池管理系统的兴起与近年来电动汽车的推广有着紧密联系，电动汽车的电池管理系统主要包括电池保护，电池瞬间功率估算，续驶里程估算，绝缘检测等功能。动力电池应用于风电储能在国内尚属于起步阶段，与电动汽车不同的是，一般储能所需的电池数量更多，成本巨大，如何充分利用储能电池的容量，和延长其使用寿命，是储能项目长期运营与发展的重中之重。
[0004]本申请针对储能系统能量调度需求，提出一种比较准确、可靠的剩余容量估算方法及装置，实时估算电池组的S0C，记录历史运行数据，保护电池安全的前提下充分利用电池容量，延长电池使用寿命。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种准确且实用的储能电池剩余容量估算方法及装置。
[0006]本申请具体采用以下技术方案:
[0007]—种储能电池剩余容量估算方法，其特征在于:所述估算方法通过测量电池单体电压、电池温度、串联电池组电流等参数，采用电流的安时积分与单体开路电压校正相结合的方式，实时估算电池组的基于电池组电流数据的剩余容量SOCi与基于电池组单体电压数据的剩余容量S0CV，并使用所述SOCi与SOCv其中一个来设置电池组的剩余容量SOC ;在安时积分的同时，累积历史充放电安时数据，并定期将历史充放电安时与剩余容量SOC输入至存储器进行存储。
[0008]进一步，所述估算方法具体包括以下步骤:
[0009](I)读取存储器中的电池组剩余容量SOC初值，以及历史充放电安时数据初值；
[0010](2)通过测量所述电池单体电压、电池温度、串联电池组电流等参数，获取相应的电压数据、温度数据、电流数据；
[0011](3)通过累加所述电流数据，对电池组电流进行安时积分，计算基于电池组电流数据的电池组剩余容量SOCi，将所述的SOCi设置为电池组的剩余容量S0C，同时累加历史充放电安时数据；
[0012](4)测量储能电池的静置时间，当静置时间达到期望时间后，根据储能电池的单体电压与电池温度，得到基于电池单体电压数据的电池组剩余容量SOCv ；
[0013](5)判断SOCv与SOCi两者之差，当所述两者之差大于设定的门限值时，将SOCv设置为电池组的SOC ；[0014](6)周期性的将储能电池组的历史充放电安时数据、SOC写入非易失性存储器。进一步，所述的计算SOCi包括以下步骤:
[0015]3.1判断电池组电流方向，电流为正则代表储能电池充电，安时积分结果增大，电流为负则代表储能电池放电，安时积分结果减小；
[0016]3.2周期性的执行电池组电流的安时积分运算，本申请将安时积分运算周期设为I毫秒:
[0017]Ah00=Aha^Ik
[0018]S0Ci=S0C0+Ah(k)/(K*Cnom)；
[0019]其中，Ah(k):当前时刻的安时积分值；Ah0rf):上次安时积分运算时所得安时积分值；Ik:当前电流值，储能电池充电时Ik为正，放电时Ik为负；S0C1:基于电池组电流数据的电池组剩余容量；S0C0:电池组剩余容量SOC初始值；；Cnom:电池额定容量；
[0020]K:单位换算系数，为一小时内完成安时积分运算的次数，如安时积分周期为I毫秒，则 K=3600s/lms=3600000 ；
[0021]3.3周期性的执行历史充放电安时累加，所述的历史充放电安时代表储能电池从储能系统第一次运行开始起，充电与放电的总安时数:
[0022]储能电池充电时有:
[0023]Total_In_Ah(k) =Total_In_Ah(k_1)+Ik
[0024]Total—Ah—In=Total—Ah—InO+Total—In—Ah(k)/K
[0025]储能电池放电时有:
[0026]Total _0u t_Ah (k) =Total _0u t_Ah (h )+1 k
[0027]Total_Ah_0ut=Total_Ah_0ut0+Total_0ut_Ah(k)/K
[0028]其中，Total_In_Ah(k):当前时刻的历史充电安时积分值^otalIruAhari):上次历史充放电安时积分时的历史充电安时积分值；Total_Ah_In:历史充电安时；Total_Ah_InO:历史充电安时初始值；Total_0ut_Ah(k):当前时刻的历史放电安时积分值；Total_0ut_Ah(k_1):上次历史充放电安时积分时的历史放电安时积分值；Total_Ah_0ut:历史放电安时；Total_Ah_0ut0:历史放电安时初始值；K:同步骤3.2中K的定义
[0029]进一步，所述的SOCv计算包括以下步骤:
[0030]4.1判断电池静置时间是否达到期望时间值；
[0031]4.2当静置时间达到期望时间值后，判断最大单体电池电压是否处于高电量区间或最小单体电池电压是否处于低电量区间；
[0032]4.3如果同时满足4.2中的两个条件，则根据不同温度下电池开路电压与SOC的对应关系，估算SOCv。
[0033]进一步，所述的期望时间为120秒；
[0034]所述的高低电量区间分别对应SOC的90%_100%与0%_10%。
[0035] 进一步，当SOCv与SOCi 二者之差大于2%时，将SOCv作为电池组新的SOC值。
[0036]进一步，在符合开路电压校正的情况下，如果最高单体电压落入高荷电区间，则以最高单体电压对应的SOC值作为电池组的SOCv ;如果最低单体电压落入低荷电区间，则以最低单体电压对应的SOC值设置为电池组的SOCv。
[0037]本申请还公开了一种使用上述剩余容量估计方法的储能电池剩余容量估算装置，包括:
[0038]单体电压与温度获取部，测量电池单体电压数据、温度数据，并将电压与温度数据通过CAN总线传输至电池信息运算部；
[0039]电池组电流获取部，测量电池组的电流数据，并通过SCI总线传输至电池信息运算部；
[0040]电池信息运算部，接收单体电压数据、温度数据、电池组电流数据，进行SOCi与SOCv估算，并将所述的SOCi与SOCv其中一个设置为电池组的S0C，以及累加历史充放电安时数，控制电池信息存储部的读写；
[0041]电池信息存储部，实时存储电池组的SOC与历史充放电安时数据。
[0042]进一步，所述的单体电压与温度获取部主要包括LT6802-2专用电池管理芯片、表贴式热敏电阻、读取单体电压与温度数据的MCUl、CAN通讯接口。
[0043]LT6802-2将测量的单体电压与温度数据通过SPI总线传输至MCUl ；
[0044]MCUl通过CAN通讯将单体电压与温度数据上传至电池信息运算部；
[0045]表贴式热敏电阻固定于电池极柱处。
[0046]进一步，所述的电池组电流获取部，主要包括双向霍尔电流传感器、电流信号调理电路、电流信号读取处理器MCU2。
[0047]霍尔电流传感器串接于电池组的总正端，根据电流方向不同，可输出双向模拟电
压量;
[0048]电流信号调理电路对霍尔电流传感器输出的模拟电压量进行方向判断，输出方向信号至MCU2，并将传感器输出的正模拟电压量滤波后接入MCU2，负模拟电压量反相并滤波后接入MCU2 ；
[0049]电流信号读取处理器MCU2将上述的电流方向信号读取，判断电流方向，并将传感器输出的模拟电压量进行AD转换，计算出电流值，实时累加电池电流值，周期性的将电流值与电流值累加结果通过SCI总线传输至电池信息运算部的处理器MCU3。在每次电流累积结果传输至MCU3后，MCU2内的电流累积结果被清零。
[0050]进一步，所述的电池信息运算部包括电池信息运算处理器MCU3、CAN通讯接口。
[0051]MCU3接收MCUl上传的单体电压与温度数据、MCU2上传的电流值与电流累积值。通过累加电流数据，估算电池组的SOCi;判断静置时间，根据单体电压与温度，估算电池组的S0CV，最后将所述的SOCi与SOCv中的一个设置为电池组的S0C。
[0052]进一步，所述的电池信息运算部，在进行SOC估算的同时，进行历史充放电安时数据的累加，并将所述的历史充放电安时数据与SOC写入电池信息存储部。
[0053]进一步，所述的电池信息存储部由型号为FM3164的非易失性存储器及其外围电路构成。
[0054]电池信息运算部的处理器MCU3通过IIC总线对上述的非易失性存储器进行读、写操作。
[0055]本申请具有以下有益效果:
[0056]采用安时积分，实时估算储能系统的剩余容量，历史充放电数据。充分利用电池静置时间，简捷的实现开路电压校正，减小安时积分带来的估算误差，提高SOC估算精度。最终，为储能系统的能量调度提供可靠的数据支持，充分利用储能电池的容量。【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1为本申请储能电池剩余容量估算方法流程示意图；
[0058]图2是本申请储能电池剩余容量估算装置结构示意图；
[0059]图3是电流传感器输出信号处理电路。
【具体实施方式】
[0060]下面根据附图详细的说明本发明的实施方式:
[0061]如图1所示,为本申请储能电池剩余容量估算方法流程示意图，储能电池剩余容量估算方法包括以下几个步骤:
[0062]1.读取储能电池的SOC初值与历史充放电安时初值，连续读三次，对读取结果进行判断，如果三次结果相同则进入下一步骤，否则重新读取初值。
[0063]2.循环检测储能电池组的单体电压、温度、电池组电流。
[0064]3.判断电流，如电池组电流非零，进行安时积分，估算基于电池组电流数据的电池组剩余容量SOCi，并将SOCi赋值给电池组剩余容量S0C，同时对历史充放电安时数据进行累加。具体计算公式如下:
[0065]Ah (k) =Ah ^1)+Ik
[0066]S0Ci=S0C0+Ah(k)/(K*Cnom)；
[0067]Total_In_Ah(k) =Total_In_Ah(k_1)+Ik (I>0)
[0068]Total_Ah_In=Total_Ah_InO+Total_In_Ah(k)/K (I>0)
[0069]Total _0u t_Ah (k) =To t a I _0u t_Ah (k-!)+1 k (KO)
[0070]Total_Ah_0ut=Total_Ah_0ut0+Total_0ut_Ah(k)/K (I〈0)
[0071]Ah(k)—当前时刻的安时积分值
[0072]Ahari)—上次安时积分运算时所得安时积分值
[0073]Ik一当前电流值，储能电池充电时Ik为正，放电时Ik为负
[0074]SOCi—基于电池组电流数据的电池组剩余容量；
[0075]SOCO—电池组剩余容量SOC初始值
[0076]Cnom一电池额定容量
[0077]K:单位换算系数，为一小时内完成安时积分运算的次数，如安时积分周期为I毫秒，则K=3600s/lms=3600000 ；
[0078]Total_In_Ah(k)一当前时刻的历史充电安时积分值
[0079]Total_In_Ah (^1)—上次历史充放电安时积分时的历史充电安时积分值
[0080]Total_Ah_In—历史充电安时
[0081]Total_Ah_InO—历史充电安时初始值
[0082]Total_0ut_Ah(k)一当前时刻的历史放电安时积分值
[0083]Total_0ut_Ah (^1)—上次历史充放电安时积分时的历史放电安时积分值
[0084]Total_Ah_0ut—历史放电安时
[0085]Total_Ah_0ut0一历史放电安时初始值；
[0086]4.如电池组电流为零，开始计时并判断电池静置时间，进行SOC的单体开路电压校正，估算基于电压数据的电池组剩余容量SOCv，具体如下:
[0087]当电池静置时间达到120秒后，判断储能电池组的各单体电压，当有单体电池落入高或低电量区间时，根据电池的温度与单体电压估算电池组的SOCv。如下表为某品牌磷酸铁锂单体电池不同温度下开路电压与SOC的对应关系:
[0088]
【权利要求】
1.一种储能电池剩余容量估算方法，其特征在于:所述估算方法通过测量电池单体电压、电池温度、串联电池组电流等参数，采用电流的安时积分与单体开路电压校正相结合的方式，实时估算电池组的基于电池组电流数据的剩余容量SOCi与基于电池组单体电压数据的剩余容量S0CV，并使用所述SOCi与SOCv其中一个来设置电池组的剩余容量SOC ;在安时积分的同时，累积历史充放电安时数据，并定期将历史充放电安时与剩余容量SOC输入至存储器进行存储。
2.根据权利要求1所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于，所述估算方法具体包括以下步骤: (1)读取存储器中的电池组剩余容量SOC初值，以及历史充放电安时数据初值； (2)通过测量所述电池单体电压、电池温度、串联电池组电流等参数，获取相应的电压数据、温度数据、电流数据； (3)通过累加所述电流数据，对电池组电流进行安时积分，计算基于电池组电流数据的电池组剩余容量SOCi，将所述的SOCi设置为电池组的剩余容量S0C，同时累加历史充放电安时数据； (4)测量储能电池的静置时间，当静置时间达到期望时间后，根据储能电池的单体电压与电池温度，得到基于电池单体电压数据的电池组剩余容量SOCv ； (5)判断SOCv与SOCi两者之差，当所述两者之差大于设定的门限值时，将SOCv设置为电池组的SOC。 (6)周期性的将储能电池组的历史充放电安时数据、电池组的剩余容量SOC写入非易失性存储器。
3.根据权利要求2所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于，所述的计算SOCi包括以下步骤: 3.1判断电池组电流方向，电流为正则代表储能电池充电，安时积分结果增大，电流为负则代表储能电池放电，安时积分结果减小； 3.2周期性的执行电池组电流的安时积分运算，将安时积分运算周期设为I毫秒:
Ah (k)=Ah (H)+Ik
S0Ci=S0C0+Ah (k)/ (K*Cnom) 其中，Ah(k):当前时刻的安时积分值！Ah0rf):上次安时积分运算时所得安时积分值；Ik:当前电流值，储能电池充电时Ik为正，放电时Ik为负；S0C1:基于电池组电流数据的电池组剩余容量；S0C0:电池组剩余容量SOC初始值；Cnom:电池额定容量；K:单位换算系数，为一小时内完成安时积分运算的次数，当安时积分周期为I毫秒，则K=3600s/lms=3600000 ； 3.3周期性的执行历史充放电安时累加，所述的历史充放电安时代表储能电池从储能系统第一次运行开始起，充电与放电的总安时数: 储能电池充电时有:
Total_In_Ah(k) =Total_In_Ah(k_1)+Ik
Total—Ah_In=Total—Ah_InO+Total_In—Ah (k)/K
储能电池放电时有:
Total—Out—Ah (k) =Total—Out—AhnfIk
Total—Ah—0ut=Total—Ah—OutO+Total—Out—Ah(k)/K其中，Total_In_Ah(k):当前时刻的历史充电安时积分值；TotalIruAhari):上次历史充放电安时积分时的历史充电安时积分值；Total_Ah_In:历史充电安时；Total_Ah_InO:历史充电安时初始值；Total_Out_Ah(k):当前时刻的历史放电安时积分值；Total_0ut_Ah0rf):上次历史充放电安时积分时的历史放电安时积分值；Total_Ah_Out:历史放电安时；Total_Ah_OutO:历史放电安时初始值；K:同步骤3.2中K的定义。
4.根据权利要求2所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于，所述的SOCv计算包括以下步骤: 4.1判断电池静置时间是否达到期望时间值； 4.2当静置时间达到期望时间值后，判断最大单体电池电压是否处于高电量区间或最小单体电池电压是否处于低电量区间； 4.3如果同时满足4.2中的两个条件，则根据不同温度下电池开路电压与SOC的对应关系，估算SOCv。
5.根据权利要求4所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于: 所述的期望时间为120秒； 所述的高低电量区间分别对应SOC的90%-100%与0%-10%。
6.根据权利要求4所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于: 在4.3中，在符合开路电压校正的情况下，如果最高单体电压落入高荷电区间，则以最高单体电压对应的SOC值作为电池组的SOCv ;如果最低单体电压落入低荷电区间，则以最低单体电压对应的SOC值作为电池组的SOCv。
7.根据权利要求2所述的储能电池剩余容量估算方法，其特征在于: 当SOCv与SOCi 二者之差大于2%时，将SOCv设置为电池组新的SOC值。
8.一种基于上述权利要求所述的剩余容量估计方法的储能电池剩余容量估算装置，包括: 单体电压与温度获取部，测量电池单体电压数据、温度数据，并将电压与温度数据通过CAN总线传输至电池信息运算部； 电池组电流获取部，测量电池组的电流数据，并通过SCI总线传输至电池信息运算部；电池信息运算部，接收单体电压数据、温度数据、电池组电流数据，进行SOCi与SOCv估算，并将所述的SOCi与SOCv其中一个设置为电池组的S0C，以及累加历史充放电安时数，控制电池信息存储部的读写； 电池信息存储部，实时存储电池组的SOC与历史充放电安时数据。
9.根据权利要求8所述的储能电池剩余容量估算装置，其特征在于: 所述的单体电压与温度获取部主要包括LT6802-2电池管理芯片、表贴式热敏电阻、读取单体电压与温度数据的MCUUCAN通讯接口 ； LT6802-2将测量的单体电压与通过表贴式热敏电阻测量的温度数据通过SPI总线传输至所述MCUl ； MCUl通过CAN通讯将单体电压与温度数据上传至电池信息运算部； 其中，表贴式热敏电阻固定于电池极柱处。
10.根据权利要求8所述的储能电池剩余容量估算装置，其特征在于: 所述的电池组电流获取部，主要包括双向霍尔电流传感器、电流信号调理电路、电流信号读取处理器MCU2 ； 霍尔电流传感器串接于电池组的总正端，根据电流方向不同，可输出双向模拟电压量; 电流信号调理电路对霍尔电流传感器输出的模拟电压量进行方向判断，输出方向信号至MCU2，并将传感器输出的正模拟电压量滤波后接入MCU2，负模拟电压量反相并滤波后接入 MCU2 ； 电流信号读取处理器MCU2将上述的电流方向信号读取，判断电流方向，并将传感器输出的模拟电压量进行AD转换，计算出电流值，实时累加电池电流值，周期性的将电流值与电流值累加结果通过SCI总线传输至电池信息运算部的处理器MCU3，在每次电流累积结果传输至MCU3后，MCU2内的电流累积结果被清零。
11.根据权利要求8所述的储能电池剩余容量估算装置，其特征在于: 所述的电池信息运算部包括电池信息运算处理器MCU3、CAN通讯接口 ； 所述MCU3接收所述MCUl上传的单体电压与温度数据、所述MCU2上传的电流值与电流累积值，通过累加电流数据，估算电池组的SOCi ;判断静置时间，根据单体电压与温度，估算电池组的SOCv，最后将所述的SOCi与SOCv中的一个设置为电池组的S0C。
12.根据权利要求11所述的储能电池剩余容量估算装置，其特征在于:所述的电池信息运算部，在进行SOC估算的同时，进行历史充放电安时数据的累加，并将所述的历史充放电安时数据与SOC写入电池信息存储部。`
13.根据权利要求8所述的储能电池剩余容量估算装置，其特征在于: 所述的电池信息存储部由型号为FM3164的非易失性存储器及其外围电路构成。 电池信息运算部的处理器MCU3通过IIC总线对上述的非易失性存储器进行读、写操作。
【文档编号】G01R31/36GK103499794SQ201310477613
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】余康, 董德鑫, 裴丽娜, 黄哲 申请人:北京华电天仁电力控制技术有限公司