一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法

本发明属于电动汽车电池管理系统领域，具体涉及一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法。

背景技术：

电池包是构成纯电动汽车的重要部分，通常由数百上千个单体电池组成。然而，在电动汽车运行过程中，电池荷电状态（state-of-charge，简称soc）差异使得电池包寿命及容量大幅衰退，进而使得电动汽车成本及性能无法满足使用需求。另外，电池soc估计是电池管理系统（battery-management-system，简称bms）实施管理、制定控制命令的决策基础，直接反映了电动汽车的剩余行驶里程。因此，准确高效地估计电池soc，对于提高电池系统性能、确保纯电动汽车安全可靠工作具有重要意义。

电池soc是电池当前可用容量与额定容量的比值，无法直接通过传感器测量。并且，电动汽车行驶工况复杂，其反复加减速对电池soc估计造成较大困难。目前常用的方法有开路电压法、安时积分法、基于等效电路模型（equivalent-circuit-model，简称ecm）的估计方法以及基于数据驱动的估计方法。其中，研究人员主要研究基于等效电路模型和数据驱动的soc估计方法，主要包括扩展卡尔曼、开路电压递归、联合估计、神经网络以及支持向量机等方法。然而，上述方法极为复杂，其控制成本较高不利于直接应用于工业领域中。此外，安时积分法精度受限于传感器测量精度，在使用过程中会出现累积误差，导致soc估计精度逐渐降低，无法准确获取电池soc。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，该方法不仅估计精度高，而且简单可行，易于实现。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，将电池ecm的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制器的输入，并通过反馈校正控制器输出的电流值调控电池ecm的工作状态，使电池ecm的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池ecm的开路电压，获取实际电池荷电状态估计值。

进一步地，所述基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：

建立电池等效电路模型ecm；

设计端电压校准的反馈校正控制器，使电池ecm的端电压始终跟随实际电池端电压变化，从而模拟实际电池工作状态；

使用电池充放电测试仪获取实际电池端电压，将电池ecm的端电压与实际电池端电压的差值输入反馈校正控制器；

将反馈校正控制器输出的电流值输入电池ecm，校正电池ecm输出的端电压；

通过不断反馈校正，使电池ecm的端电压趋近于实际电池端电压，即使两者的差值小于设定的阈值，从而模拟实际电池工作状态，获取电池荷电状态估计值。

进一步地，根据实际电池的端电压数据，不断对电池ecm的输入电流进行反馈调节，使电池ecm的端电压与实际电池端电压的差值小于设定的阈值，从而不断校准电池ecm的开路电压；在此过程中，由于电池ecm与实际电池的阶跃响应近似，使得电池ecm的运行状态，包括工作电流、工作电压以及soc，与实际电池近似相等，进而获取实际电池soc估计值。

进一步地，所述电池ecm采用二阶rc电池ecm，首先根据所得到的脉冲放电曲线拟合得到电池ocv-soc曲线，计算公式如下：

(1)

(2)

其中vocv为电池ecm的开路电压，vm为二阶rc电池ecm的端电压，vr0为二阶rc电池ecm中r0的电压，v1、v2分别为1、2阶rc环节的电压，并可通过插值获得电池ecm中rc参数，计算公式如下：

(3)。

进一步地，测试所建立的电池ecm的模型精度，测试时，分别将实际电池和电池ecm在幅值1/3c脉冲充放电工况下进行试验，并对比两者的端电压响应。

进一步地，分别采用比例-积分(proportional-integral，简称pi)反馈控制器和滑模控制(sliding-mode-control，简称smc)反馈控制器作为反馈校正控制器对电池ecm的输入电流进行反馈调节，分别如下所示：

(4)

(5)

其中kp为比例系数，ki为积分系数，va为实际电池端电压，vm为电池ecm的端电压，ibat为电池ecm的输入电流。

进一步地，搭建电池soc估计精度测试平台，并将所获取的电池电流、端电压数据加载到电池soc估计精度测试平台中，得到电池soc估计结果，分别包括基于pi反馈控制器与基于smc反馈控制器的估计结果，分析不同反馈校正控制器在不同工况下的电池soc估计精度。

进一步地，所述电池soc估计精度测试平台使用电池充放电测试仪分别以美国城市循环工况（urbandynamometerdrivingschedule，简称udds）和新欧洲行驶工况（neweuropeandrivingcycle，简称nedc）所获得的电气工况对单体电池进行充放电测试，分析不同反馈校正控制器在不同工况下的电池soc估计精度：相对于基于pi反馈控制器的soc估计精度，基于smc反馈控制器的soc估计精度更高；对比不同工况下的soc估计精度，电池运行在nedc电气工况下的最大估计误差较大，而在udds工况下的最大估计误差较小。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：该方法主要通过电池ecm和反馈校正控制器来实现电池荷电状态估计，其将电池ecm的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制的输入，并输出电流值作为电池ecm的输入以校准电池ecm的工作状态，使电池ecm的端电压趋近于实际电池端电压，从而获取电池荷电状态估计值。该方法可以使得电池ecm输出的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池ecm的开路电压，获取电池实际soc，所获取的电池soc误差大约在4%以内，具备较高的估计精度。此外，该方法对控制电路的复杂度要求较低，简单可行，易于实现，可高效稳定地运行在嵌入式系统中，应用于储能电源、电动汽车动力电池、消费电子电源等领域中。

附图说明

图1是本发明实施例的工作原理图。

图2是本发明实施例中n阶rc电池等效电路模型。

图3是本发明实施例中电池模型动态响应曲线图。

图4是本发明实施例中udds电流工况下基于pi反馈控制器的电池端电压变化曲线图。

图5是本发明实施例中udds电流工况下基于pi反馈控制器的电池soc估计曲线图。

图6是本发明实施例中nedc电流工况下基于pi反馈控制器的电池端电压变化曲线图。

图7是本发明实施例中nedc电流工况下基于pi反馈控制器的电池soc估计曲线图。

图8是本发明实施例中udds电流工况下基于smc反馈控制器的电池端电压变化曲线图。

图9是本发明实施例中udds电流工况下基于smc反馈控制器的电池soc估计曲线图。

图10是本发明实施例中nedc电流工况下基于smc反馈控制器的电池端电压变化曲线图。

图11是本发明实施例中nedc电流工况下基于smc反馈控制器的电池soc估计曲线图。

图中：1-电池充放电测试仪(bts5v12a)，2-18650型三元锂电池，3-电池等效电路模型，4-反馈校正控制器，11-自放电电阻，12-电池电容，13-电池内阻，14-电池第一阶rc，15-电池第n阶rc。

具体实施方式

为了更清楚地展现本发明内容及特点，以下将结合附图和技术方案讲述基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法的具体实施过程。本发明可以以不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施案例。

本实施例中提出的一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其实现原理如图1所示，其中测试系统分别由电池充放电测试仪，电池ecm和反馈校正控制器组成。具体工作过程：首先初始化电池soc初始值，然后反馈校正控制器根据电池ecm输出的端电压和测量得到的实际电池端电压的差值对电池ecm的输入电流进行实时调节，并使电池ecm输出的端电压始终跟随实际电池端电压变化，进而得到校准后的电池ecm的开路电压，最终获取电池ecm中的电池soc值，即认为是实际电池soc估计值。

该方法具体实现流程包括以下步骤：

(a)、根据图1分析基于开路电压校准的电池soc估计方法的工作原理；

(b)、以18650型三元锂电池为实验对象，建立电池二阶rc电池ecm；

(c)、使用电池充放电测试仪对18650型三元锂电池进行充放电测试，分别获取在udds和nedc电气工况下的实验数据；

(d)、分别应用步骤(c)中获取的实验数据测试所提出基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法的工作性能；

在本实施例中，步骤(a)包括以下过程：

a、参考图1，电池充放电测试仪对18650型三元锂电池进行充放电测试以模拟电池正常工作状态，而基于开路电压校准的电池soc估计方法将根据实际电池的端电压数据通过不断校正电池ecm的输入电流使电池ecm的端电压与实际电池端电压近似相等，进而获取校准后的开路电压，得到电池实际soc。在此过程中，由于电池ecm与实际电池的阶跃响应近似，将使得电池ecm运行状态，包括工作电流、工作电压以及soc，与实际电池类似，进而获取实际电池soc值。

在本实施例中，步骤(b)依据图2建立电池ecm，以二阶rc电池ecm为例实现所提出的电池soc估计方法，电池ecm建立包括以下过程：

b1、首先进行ecm中rc等效电路的参数设计：设计脉冲放电试验以固定容量百分比对电池进行放电，并在放电结束时静置使其电池开路电压趋于稳定，以此进行循环直至电池放空。其次，在不同温度下分别进行上述测试得到电池不同温度下的脉冲放电曲线。

b2、根据所得到的脉冲放电曲线首先拟合得到电池ocv-soc曲线，最终得到如下公式：

(1)

(2)

其中vocv为电池ecm的开路电压，vm为二阶rc电池ecm的端电压，vr0为二阶rc电池ecm中r0的电压，v1、v2分别为1、2阶rc环节的电压，并可通过插值获得ecm中rc参数，进而确定公式(3)：

(3)

b3、测试所建立电池ecm的模型精度，即分别将实际电池和ecm在幅值1/3c脉冲充放电工况下进行充放电测试，对比其端电压响应，其结果如图3所示。

在本实施例中，步骤(c)采用电池充放电测试仪对18650型三元锂电池进行充放电，分别获取在udds和nedc电气工况下的实验数据。其中，udds和nedc电气工况分别采用advisor基于实际电动汽车参数仿真获取，而电池工作过程的运行状态数据获取的实验步骤如下：首先采用电池充放电测试仪将18650在25℃下以1c进行充电，当达到充电截止电压4.2v后静置1h。然后以udds和nedc工况分别加载到电池两端对其持续循环充放电，当到放电至截止电压后静置一段时间后结束实验。两种工况下18650型三元锂电池端电压响应分别如图4、图8和图6、图10。

在本实施例中，步骤(d)分别应用步骤(c)中获取的实验数据测试所提出的电池荷电状态估计方法的工作性能，其具体流程如下：

d1、设计端电压校准的反馈校正控制器，使其电池ecm的输出端电压始终跟随实际电池端电压变化，从而模拟实际电池工作状态，获取电池soc。本发明分别采用pi控制器和smc控制器对电池ecm的输入电流进行反馈调节，分别如下所示：

(4)

(5)

其中kp为比例系数，ki为积分系数，va为实际电池端电压，vm为电池ecm的端电压，ibat为电池ecm的输入电流。

d2、根据图1所示搭建所提出的电池soc估计精度测试平台，并将所获取的电池电流、端电压数据加载到基于开路电压校准的电池荷电状态估计仿真平台中得到电池soc估计结果，其中基于pi反馈控制器的测试结果分别如图4、图5、图6和图7，而基于smc反馈控制器的测试结果分别如图8、图9、图10和图11。

d3、分析不同反馈校正控制器在不同工况下的电池soc估计精度：由图5、图7、图9和图11中的估计结果，基于smc反馈控制器的soc估计精度更高，最大不超过4.8%，而基于pi反馈控制器的soc估计精度略差，最大不超过8.8%；分别对比不同工况下的soc估计精度，结果显示电池运行在nedc电气工况下的最大估计误差较大，而对于udds工况下的最大估计误差较小。

本发明提出的一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法在保证电池soc估计精度的同时降低了估计难度，进而降低了控制系统成本，减少了电池荷电状态估计的复杂性。

显然，本领域的研究人员可以在不脱离本发明范围的情况下对此发明进行各种改动。因此，若本发明的改动属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，本发明也包含这些改动在内。