一种电池剩余容量估算管理系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电池的荷电状态判断和剩余容量估算系统和方法，尤其涉及一种电池剩余容量估算管理系统及方法。
【背景技术】
[0002]日益严峻的环境污染和能源危机，加速了电动车的普及和发展。
[0003]在电动车的使用过程中，需要对其电池组的荷电状态(State Of Charge，简称S0C)进行实时监测，准确估测出电池的剩余容量，这不仅是保证车辆能可靠续航的基本条件，也是确保人员和车辆安全的重要因素。
[0004]从电池的充放电特性曲线中可以看到，在充、放电的初期和末期，都分别有一段电池电压迅速上升和下降的阶段，除此外的其它阶段则电压变化很小，较为平稳。我们通常把出现电压突变的点称为“拐点”，把中间的平稳部分称为充放电的“平台期”。
[0005]电池的拐点现象是不可避免的，拐点过后的电压突变说明，电池已处于将要充满或耗尽的状态，若继续充放，势必对电池的使用寿命造成影响。若电池长期处于过充过放的疲劳状态，则其内部不断增加的结晶物可能会刺破隔膜层而引发爆炸燃烧事故。
[0006]目前，常用的S0C估算方法包括开路电压法、安时积分法、卡尔曼滤波法等。它们各有其适用范围和优缺点:开路电压法简单方便，但只能在电池组未带负载时使用，无法适用于充放电过程；安时积分法被广泛采用，但每次电流的采集过程都会引入测量误差，且会随着时间的推移而越来越大，从而造成估算偏差也越来越大；卡尔曼滤波法准确度高，但由于需要事先针对具体的电池产品建立真实的状态模型和测量方程，所以实现的难度大，算法复杂。
[0007]电池的荷电状态除了与充放电电流相关外，还与电池的充放电特性、内阻、所处的环境温度、电池的循环使用寿命也即老化程度密切相关，若在S0C估算过程中未考虑到这些因素的影响，必将导致较大的误差。
[0008]针对以上问题，本发明提供了一种电池的荷电状态判断和估算系统及方法，对电池所处充放阶段进行判断，并结合不同方法进行估算，同时综合考虑温度、老化程度的影响，对结果进行二次校正。这样一方面提升了估算精度，另方面有效避免了电池长时间的过充过放，降低了危险，延长了寿命。经测试，该方法和系统可适用于多种充放特点的动力电池在不同环境下的使用和监控。
【发明内容】
[0009]针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种电池剩余容量估算管理系统及方法，充分考虑到开路电压估算容量的适用条件，在满足使用条件的情况下，利用细致的多温度区间下0CV数据的准确性，来弥补长时间安时积分造成的误差，从而提高了估算精度。
[0010]本发明的目的通过下述技术方案实现:
[0011]—种电池剩余容量估算管理系统，包括电源模块、采集模块、存储读写模块、计时模块、通信模块、报警显示模块、时钟模块、接插件和继电器模块、以及MCU控制模块；所述采集模块、存储模块、计时模块、计数模块、通信模块、报警显示模块、时钟模块、接插件和继电器模块、以及MCU控制模块分别与电源模块电连接；所述采集模块、存储读写模块、计时模块、通信模块、报警显示模块、时钟模块分别与MCU控制模块电连接；
[0012]所述电源模块用于在输入电源的基础上产生稳定可靠的多路直流电源；
[0013]所述采集模块由电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块组成，电压采集模块用于采集单体电池端电压及发电机总电压，电流采集模块用于采集电池组充放电电流，温度采集模块用于采集电池极柱表体温度和环境温度；
[0014]所述计时模块用于记录电池组处于开路状态的延续时间；
[0015]所述存储模块用于存储读写多个查找表数据，以及N个估算周期中获得的电压、电流、温度、剩余容量历史数据；
[0016]所述通信模块用于实现本系统与车辆上位机控制单元之间的指令和数据传输；
[0017]所述报警显示模块用于提供单个估算周期的电压、电流、温度、荷电状态的数据显示，以及分级预警的判断结果显示；
[0018]所述时钟模块用于提供系统时钟，所述接插件和继电器模块用于通断功率器件的作用；
[0019]所述MCU控制模块包括主控单元、S0C估算单元、中断响应单元、状态判断单元、CAN控制单元、存储控制单元、计数单元、定时器和看门狗。所述MCU控制模块还包括内部时钟单元、端口管理单元。
[0020]一种电池剩余容量估算管理方法，其方法步骤如下:
[0021]第一步、完成电池剩余容量估算管理系统初始化后，由采集模块按照数据采集周期“T_C0L”，经中断响应单元获得单体电池的电压数组U [η]、温度数组Tem[n]，然后经存储控制单元存入存储模块；由S0C估算周期“T_S0C”，获取电池组总电流数组Ipadi[c]、环境温度数组Tem—envi [c]，存入存储模块；
[0022]其中，T_C0L与T_S0C成倍数关系，即
[0023]T_S0C = c X T_C0L，c 为倍数；
[0024]第二步、将U[n]、Tem [η]经“最值”处理，获得c批次的单个T_C0L内的单体电压最大值U_max、最小值U_min、单体温度最大值Tem_max、最小值Tem_min，并将U_max[c]、U_min [c]、Tem_max [c]、Tem_min [c]存入存储模块中；
[0025]第三步、根据预置的分级报警阈值，对单fT_C0L内的单体电压最大值U_max、单体电压最小值U_min、单体温度最大值Tem_max、单体温度最小值Tem_min，以及各接插件和继电器状态进行自检和状态判断，若均处正常范围则进行后续步骤；否则启动相应的报警处理并上报；
[0026]第四步、将U_max[c]、U_min[c]、Tem_max[c]、Tem_min[c]、Ipack[c]、Tem envi [c]经滤波处理后，获得本次 T_S0C 内的 U_max、U_min、Tem_max、Tem_min、Ipad1、Tem—envi，提供给后续步骤使用；
[0027]第五步、读取存储模块，获得相邻的上一个T_S0C存入的历史数据，包括上次容值Q_last、上次剩余容比S0C_last、上次单体电压最小值U min—last、上次单体电压最大值Umax last ；
[0028]第六步、通过计时模块，获得由上次电池组停机到本次开机之间的时长Time_stop ;
[0029]第七步、若Time—stop大于设定的阈值，说明电池组已处于相对稳定状态，满足0CV使用条件；此处的0CV是采用事先预存在存储单元中的由试验获得的多段温度区间的开路电压--容量对应表数据来完成；具体过程为:依据本次Tem—envi值，通过查到对应温度的0CV表，获得此时与U_min相对应的容量值Q。；
[0030]若Time_St0p小于阈值，或本次估算周期非初开机状态，则直接将上一个相邻周期的结果Q_last，作为初始容量Q。；
[0031]第八步、计算本次周期内的容量变化值:
[0032]Qtenp = COX I packXT_S0C其中，CO为电池的库伦效率；
[0033]第九步、计算本次周期的容量值:
[0034]Qt= Q。土Q一;充时为加，放时为减；
[0035]第十步、根据Ipad1、Tem—env1、U_max、U_min来判断此时的电池容值状态，具体步骤如下:
[0036]由充放状态、Ipad1、Tem—envi查到与此电流、温度对应的电压和S0C阈值:电压拐点下限值U_CHA_BRE_L0W、电压拐点上限值U_CHA_BRE_HIGH、拐点处S0C充电下限值S0C_CHA_BRE_L0W、拐点处S0C充电上限值SOC_CHA_BRE_HIGH、电压拐点下限值U_DIS_BRE_L0W、电压拐点上限值U_DIS_BRE_HIGH、拐点处S0C放电下限值S0C_DIS_BRE_L0W、拐点处S0C放电上限值 SOC_DIS_BRE_HIGH ；
[0037]充电时，若U_max在[U_CHA_BRE_HIGH, U_CHA_BRE_L0W]区间内，则说明电池处于充电或放电平台期，否则处于突变期；
[0038]放电时，若U_min在[U_DIS_BRE_HIGH, U_DIS_BRE_HIGH]区间内，则说明电池处于充电或放电平台期，否则处于突变期；
[0039]第十一步、若电池组处于平台期，则直接由下式计算本周期的S0C:
[0040]S0Ct= (Q t/QN) X 100 %，QN 为额度容量值；
[0041]若电池组处于电压突变期，则采用插值法计算本周期的S0C:
[0042]充电状态下两种情况如下:
[0043]低压突变期:S0Ct=S0C_CHA_BRE_L0ff — (U_CHA_BRE_L0W — U_min) X (S0C_CHA_BRE_L0 - S0C_last)/(U_CHA_BRE_L0ff — U_min_last)；
[0044]高压突变期:S0Ct=[SOC_CHA_BRE_HIGHX (U_min — U_min_last) — S0C_lastX (U_mi — U_CHA_BRE_HIGH)]/(U_CHA_BRE_HIGH — U_min_last)；
[0045]放电状态下两种情况如下:
[0046]低压突变期:S0Ct=S0C_DIS_BRE_L0ff+ (S0C_last — S0C_DIS_BRE_L0W) X (U_DIS_BRE_L0ff - U_min)/(U_DIS_BRE_L0 — U_min_last)；
[0047]高压突变期:S0Ct=SOC_last+(U_min_last — U_min) X (SOC_DIS_BRE_HIGH —SOC_last)/(U_min_last — U_DIS_BRE_HIGH)；
[0048]第十二步、对估算结果进行温度、老化校正:根据Tem—envi，通过查找表获取对应的单周期偏移量，完成温度校正；由计数单元提供目前电池组已充放电的次数N，通过查找表获取N对应的单周期偏移量，完成老化校正；
[0049]