电池剩余容量的估算方法及系统与流程

本发明涉及电池领域，具体地，是涉及一种对电池剩余容量的估算方法以及实现这种方法的系统。

背景技术：

电池具有储存电能的作用，已经得到广泛的应用。现有的仪器、电子设备、工业装置，甚至汽车都大量使用电池来供电。随着电池的使用，其剩余寿命也在减小，而电池每经过一个充电周期或者放电周期后，电池的自放电量也随之增加，且电池的剩余能量存储容量也随之减小，而电池的剩余寿命总能量存储容量也在减小。

在电池进行买卖交易时，电池的剩余寿命总能量存储容量以及电池的剩余能量存储容量往往是决定电池经济价值的因素，因此，正确估算电池的剩余寿命总能量存储容量以及电池的剩余能量存储容量在电池的交易过程中尤为重要。

人们在日常生活中已经知悉，电池的剩余能量存储容量是随电池的年龄、电池过往的平均放电深度和/或电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数的增加而减少，而电池的自放电量则随电池的年龄和电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数增加而增加，其中，电池的自放电量是指电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内，并且在电池没有外在的放电电路的情况下，电池的充电状态下降百分比。

并且，电池的剩余寿命随电池的年龄增加而减少，因此电池的剩余寿命总能量存储容量也是如此，其中，电池的剩余寿命总能量存储容量是在电池剩余寿命内的电池总共能够存储的能量上限，或者是在电池剩余寿命内的电池总共能够存储并能够随后释放的能量上限。而电池的剩余寿命随电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数增加而减少，因此，电池的剩余寿命总能量存储容量也是如此。

另外，对已经使用的电池进行更换或者对电池进行充电时，往往也需要估算电池的剩余能量存储容量以及电池的剩余寿命总能量存储容量。

但是，目前实践中，还没有任何系统性和客观的方法来估算个别电池的剩余寿命总能量存储容量和剩余能量存储容量，无法评估电池的经济价值，在判断是否需要更换电池、给电池进行充电或者出售电池时，无法正确判断电池的状态。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种有效估算电池的剩余容量的方法。

本发明的另一目的是提供一种为电池的交易、更换以及充电提供参考依据的估算电池的剩余容量的系统。

为了实现上述的主要目的，本发明提供的电池剩余容量的估算方法包括估算电池的剩余能量存储容量，在电池充电周期的第一时间点测量电池的初始充电状态，在充电周期的第二时间点测量电池的最终充电状态，第二时间点晚于第一时间点；测量在充电周期中第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量；使用初始充电状态、最终充电状态和输入到电池的能量计算电池的剩余能量存储容量的指标。

由上述方案可见，通过记录电池在充电周期的初始充电状态、最终充电状态和输入到电池的能量，并使用上述的参数计算出电池的剩余能量存储容量的指标，并且可以为电池的交易、更换、充电提供依据。

一个优选的方案是，计算电池的剩余能量存储容量的指标为：将输入到电池的能量除以最终充电状态和初始充电状态之间的差。

由此可见，电池的最终充电状态、初始充电状态以及输入的能量均容易被测量，使用上述的参数通过简单的计算方法即可以方便地计算电池的剩余能量存储容量的指标。

进一步的方案是，还估算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量，包括：获取电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量；和/或获取电池第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差；和/或获取电池过往的平均放电深度；和/或获取电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数；使用第一计算参数计算电池的剩余能量存储容量，和/或使用第二计算参数计算电池的剩余寿命总能量存储容量，第一计算参数至少包括以下参数的一个：电池的剩余能量存储容量的指标、电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数，第二计算参数至少包括以下参数的一个：电池的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数。其中，电池的放电深度为电池的充电状态的补数，即为一减充电状态。

可见，通过剩余能量存储容量的指标、自放电量、电池的充放电次数、充放电时间戳和当前时间之间的差、过往的平均放电深度等第一计算参数计算出电池剩余能量存储容量；通过剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、自放电量、电池的充放电次数、充放电时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度等第二计算参数计算出电池的剩余寿命总能量存储容量，从而可以有效地估算出电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量，电池的剩余能量存储容量和/或电池的剩余寿命总能量存储容量确定电池的经济价值。

更进一步的方案是，计算电池的剩余能量存储容量为：记录一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余能量存储容量与相对应的电池在相对应时间点的已知的第一计算参数，推算电池的已知的剩余能量存储容量与已知的第一计算参数之间的第一数学关系；使用当前电池的第一计算参数、第一数学关系计算当前电池的剩余能量存储容量；计算电池的剩余寿命总能量存储容量为：记录一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余寿命总能量存储容量与相对应的电池在相对应时间点的已知的第二计算参数，推算电池的已知的剩余寿命总能量存储容量与已知的第二计算参数之间的第二数学关系；使用当前电池的第二计算参数、第二数学关系计算当前电池的剩余寿命总能量存储容量。

由此可见，通过对一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余能量存储容量与包括相对应的电池在一个或者多个时间点的第一计算参数之间的关系进行分析，推算第一数学关系；通过对一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余寿命总能量存储容量与包括相对应的电池在一个或者多个时间点的第二计算参数之间的关系进行分析，推算第二数学关系，从而作为估算当前的电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量的基础，进而方便地对当前的电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量进行计算。

为实现上述的另一目的，本发明提供的电池剩余容量的估算系统包括充电状态记录模块，在电池充电周期的第一时间点测量和记录电池的初始充电状态，在充电周期的第二时间点测量和记录电池的最终充电状态，第二时间点晚于第一时间点；输入能量测量模块，测量在充电周期中第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量；剩余能量存储容量指标计算模块，使用初始充电状态、最终充电状态和输入到电池的能量计算电池的剩余能量存储容量的指标。

由上述方案可见，通过初始充电状态、最终充电状态以及输入的能量等多个容易测量的参数可以简单、方便地计算出电池的剩余能量存储容量的指标。

一个优选的方案是，还包括计算参数记录模块，用于测量和/或记录以下计算参数的至少一个：电池的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数；还包括剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块，使用上述的计算参数计算电池的剩余能量存储容量和/或电池的剩余寿命总能量存储容量。

由此可见，通过一个或者多个计算参数计算出电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量，电池的剩余能量存储容量和/或电池的剩余寿命总能量存储容量确定电池的经济价值，可以为电池的交易、更换、充电提供参考依据。

附图说明

图1是应用本发明电池剩余容量估算方法实施例的电池系统的结构框图。

图2是本发明电池剩余容量估算系统实施例的框图。

图3是本发明电池剩余容量估算方法实施例的流程图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的电池剩余容量估算方法用于对电池的剩余容量进行估算，而电池剩余容量估算系统通过检测装置以及运行在计算机上的程序实现对电池的剩余容量进行估算。本发明的电池可以是单独的一个电池模块，也可以是包含多个电池模块的电池系统。一个典型的电池系统如图1所示，电池系统包括多个可以独立拆卸、安装的电池模块，多个电池模块排列成m行n列，并且装载在一个容器内。例如，电池系统为电动汽车使用的电池系统时，则多个电池模块装载在电动汽车特定的容器内。当然，电池系统也可以是应用在其他领域上的电池系统，如应用在电子设备、仪表仪器、机械装备等多种场合的电池系统。

本发明的方法用于估算电池的剩余容量，包括电池的剩余能量存储容量以及剩余寿命总能量存储容量，其中，电池的剩余能量存储容量是电池在一次充电完成后能够存储的能量上限，或者是电池在一次充电完成后能够存储并能够随后释放的能量上限。

本实施例中，估算电池的剩余能量存储容量通过以下的方法实现，在电池的充电周期的第一时间点测量电池的初始充电状态，在充电周期随后的第二时间点测量电池的最终充电状态，并且测量在充电周期中，第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量，并且将初始充电状态、最终充电状态和输入到电池的能量来计算电池的剩余能量存储容量的指标。

其中，电池的充电状态(state of charge)是电池在某一时刻所存储的能量与该电池的能量存储容量之间的比值，即电池在某一时刻的充电状态可以表示为：电池充电状态＝电池当前所存储的能量/电池的能量存储容量，其中电池的能量存储容量是电池当前的能量存储容量，也就是电池当前能够存储的能量的上限。因此，电池的初始充电状态是电池在第一时间点下的充电状态，而电池的最终充电状态是电池在第二时间点下的充电状态。

本实施例中，估算电池剩余能量存储容量的方法是将第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量除以最终充电状态和初始充电状态之间的差，即可以通过式1计算：

其中，C为电池的剩余能量存储容量的指标，E为在第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量，S_F为电池在第二时间点的充电状态，也就是最终充电状态，S₀为电池在第一时间点的充电状态，也就是初始充电状态。

因此，如图2所示，电池剩余容量估算系统设置有充电状态记录模块10，用于测量和记录电池在充电周期的第一时间点下的初始充电状态，并且测量和记录电池在充电周期的第二时间点下的最终充电状态。优选地，充电状态记录模块10设置有充电状态测量装置。

电池剩余容量估算系统还设置有输入能量测量模块11，用于测量和记录在充电周期中第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量，输入能量测量模块11以及充电状态记录模块10将数据输出至剩余能量存储容量指标计算模块12，剩余能量存储容量指标计算模块12根据式1计算出电池的剩余能量存储容量的指标。

本发明除了计算电池的剩余能量存储容量，还计算电池的剩余寿命总能量存储容量。由于电池的剩余寿命总能量存储容量与电池的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数等因素有关，因此，电池剩余容量估算系统设置有计算参数记录模块13，用于测量和/或记录至少一个计算参数，计算参数包括电池的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数的至少一个。电池剩余容量估算系统设置有剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块14，用于使用上述的计算参数计算电池的剩余寿命总能量存储容量。

优选地，设置一个实时时钟来记录时间，从而方便地计算电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差等多个时间参数。

其中，电池的自放电量是电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内，并且在电池没有外在的放电电路的情况下，电池的充电状态下降百分比，而电池的充电状态下降百分比可以通过式2计算。

其中，σ₀是在固定时间开始时电池的充电状态，σ_F是固定时间结束时电池的充电状态。

为了计算特定的电池剩余寿命总能量存储容量，需要对一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余寿命总能量存储容量与相对应的电池在相对应时间点的计算参数进行统计、分析，例如通过回归法或者神经网络法进行计算分析，从而推算电池的剩余寿命总能量存储容量与计算参数之间的数学关系。本实施例中，数学关系推算模块15用于对一个或者多个电池在一个或者多个时间点的已知的剩余寿命总能量存储容量与相对应的电池在相对应时间点的已知的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、第一次充电和/或放电周期的时间戳和相对应时间点之间的差、过往的平均放电深度、曾经经历过的充电和/或放电周期的次数等的至少一个计算参数进行分析，推算数学关系。

首先，收集一个或者多个电池在一个或者多个时间点的大量个案的已知的数据，如个案1、2、…、n的数据，每一个个案的一组数据包括：相对应的电池在相对应时间点的剩余寿命总能量存储容量、剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、第一次充电和/或放电周期的时间戳和相对应时间点之间的差、过往的平均放电深度和/或曾经经历过的充电和/或放电周期的次数。建基于这些个案的已知的数据，可以应用回归法或者神经网络法推算数学关系。

应用回归法时，以电池在某个时间点的剩余寿命总能量存储容量作为因变量y，并以电池在该个时间点的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、第一次充电和/或放电周期的时间戳和该个时间点之间的差、电池过往的平均放电深度和/或曾经经历过的充电和/或放电周期的次数作为各个自变量x₁、x₂、…、x_m，并设定一条回归等式其中，为假定的、已知的、能够以数学表达式表达的函数，是在个案i中由上述回归等式给出的y的估计值，x_1,i是在个案i中x₁的值，x_m,i则是在个案i中x_m的值，如此类推，β₁,…,β_p为在该数学表达式中各个未知的、实数(real number)的回归系数(regression coefficient[s])，p为一个自然数，代表实数集(real number set)。

然后使用优化方法求取β₁,…,β_p的最优化值b₁,…,b_p，从而最小化其中，y_i是在个案i中y的值，为一个单调递增(monotonically increasing)函数。上述的优化方法可以是传统的微积分方法、遗传算法(genetic algorithm)等。最后将b₁,…,b_p代入上述的回归等式，成为所需要的数学关系式。

应用神经网络(neural network)法计算数学关系时，以电池在某个时间点的剩余寿命总能量存储容量作为神经网络的输出(output)y，并以电池在该个时间点的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标、在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、第一次充电和/或放电周期的时间戳和该个时间点之间的差、电池过往的平均放电深度和/或曾经经历过的充电和/或放电周期的次数作为神经网络的各个输入(input[s])x₁、…、x_m，且设定该神经网络为某个结构，并假定该神经网络由以下等式代表：其中，为假定的、未知的、不一定能够以数学表达式表达的函数，是在个案i中由上述等式给出的y的估计值，x_1,i是在个案i中x₁的值，x_m,i是在个案i中x_m的值，如此类推，π₁、…、π_q为在该神经网络中各个未知的、实数的参数(parameter[s])，初始时将π₁、…、π_q分别设定为q为一个自然数，代表实数集(real number set)。并假定该神经网络中有一个或多个已知的激活函数(activation function[s])。

然后进行监督学习(supervised learning)，即将输入该神经网络，以求取更新使分别成为将输入该神经网络，以求取更新使分别成为如此类推，反复计算，将输入该神经网络，以求取更新使分别成为其中，{i₁,…,i_n}＝{1,…,n}。以上更新的目的是为了最小化其中，y_i是在个案i中y的值，为一个单调递增的函数。

最后，虽然理论上不能亦不需要获得但是将代入上述神经网络的参数π₁、…π_q，所获得的神经网络即为所需要推算的数学关系，换句话说，当输入任何x₁、…、x_m的值到该神经网络，该神经网络所输出的y的值就是与x₁、…、x_m的值之间存在上述数学关系。

获得上述的数学关系后，将计算参数记录模块13所测量和/或记录的计算参数代入或者输入上述数学关系，剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块14计算出电池的剩余寿命总能量存储容量，例如：剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块14将上述参数代入上述回归等式的自变量x₁、x₂、…、x_m中，该回归等式的因变量y给出电池的剩余寿命总能量存储容量，或者剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块14将上述参数输入上述神经网络的x₁、…、x_m，该神经网络所输出的y给出电池的剩余寿命总能量存储容量。

当然，计算电池的剩余能量存储容量时，也可以先使用已知电池的剩余能量存储容量与计算参数之间的关系推算出一个数学关系，再应用这个数学关系和当前电池的计算参数计算出当前电池的剩余能量存储容量。例如，收集一个或者多个电池在一个或者多个时间点的大量个案的已知的数据，如个案1、2、…、n的数据，每一个个案的一组数据包括：相对应的电池在相对应时间点的剩余能量存储容量以及相对应的电池在相对应时间点的计算参数，计算参数可以包括剩余能量存储容量的指标、在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、第一次充电和/或放电周期的时间戳和相对应时间点之间的差、过往的平均放电深度和/或曾经经历过的充电和/或放电周期的次数等。然后，建基于这些个案的已知的数据，可以应用回归法或者神经网络法推算一个用于计算电池剩余能量存储容量的数学关系。应用回归法或者神经网络法推算数学关系的过程与推算用于计算电池剩余寿命总能量存储容量的数学关系的过程相同，不再赘述。

推算出用于计算电池剩余能量存储容量的数学关系后，通过计算参数记录模块13获取当前电池的上述计算参数，然后剩余能量存储容量及剩余寿命总能量存储容量计算模块14使用这些计算参数以及数学关系计算出电池的剩余能量存储容量。

参见图3，对电池的剩余容量进行估算时，首先测量和记录电池在充电周期的第一时间点下的初始充电状态以及在充电周期的第二时间点下的最终充电状态，即执行步骤S1。

并且，执行步骤S2，通过测量装置测量和记录在充电周期中第一时间点与第二时间点之间输入到电池的能量，接着执行步骤S3，计算电池的剩余能量存储容量的指标，例如，通过计算机按照式1计算出电池的剩余能量存储容量的指标。

在计算出电池的剩余能量存储容量的指标后，还计算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量，此时执行步骤S4，获取至少一个计算参数，该些计算参数除了可选地包括已经计算出的电池的剩余能量存储容量或者剩余能量存储容量的指标，还可选地包括电池在完成一个充电周期后的一个固定时间内的自放电量、电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳和当前时间之间的差、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数等。自放电量可以采用测量装置进行测量并计算获得，自放电量的计算方法与前述描述的方法相同，不再赘述。而电池的第一次充电和/或放电周期的时间戳、电池过往的平均放电深度、电池曾经经历过的充电和/或放电周期的次数可以通过本发明的电池剩余容量估算系统恒常地自动记录，也可以手动记录并在计算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量时输入到本发明的电池剩余容量估算系统中。

最后，执行步骤S5，应用数学关系计算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量。优选地，电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量与计算参数的数学关系预先推算并且存储在本发明的电池剩余容量估算系统内，计算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量时，只需要将计算参数代入或者输入到该数学关系，计算机可以自动从多个测量装置获取相应的计算参数，从而实现剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量的估算。

通过上述方法可以计算出电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量，为电池的经济价值评估提供依据。另外，需要更换电池或者给电池充电的场合，也可以根据电池的剩余寿命总能量存储容量、电池的剩余能量存储容量等数据作为判断依据。

当然，上述的方案只是本发明优选的实施方案，实际应用时还可以有更多的变化，例如，计算数学关系时还可以应用其他的方法计算，或者，计算数学关系时，不一定使用上述介绍的所有计算参数，只使用其中一个或多个计算参数，或者，不一定直接使用上述介绍的计算参数，而是使用与它门有类似意义的代理(proxy)计算参数；又或者，使用更多的其他计算参数来计算电池的剩余能量存储容量和/或剩余寿命总能量存储容量等，这些改变并不影响本发明的实施，包含在本发明的权利要求保护范围内。