一种电池荷电状态的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气工程领域，设及电池管理系统，尤其设及一种电池荷电状态的检 测方法。
【背景技术】
[0002] 随着化石能源的不断消耗，电动汽车将成为新的交通工具，并且逐渐取代传统的 依靠化石能源的汽车。然而电池作为电动车的能量来源，它的正确管理将直接影响到电动 车的安全与稳定运行。因此，电池管理系统中电池的荷电状态（S0C)，也就是电池的剩余电 量的估算问题至关重要，不精确的电池S0C估算会导致对电池的实时状态把握不正确，可 能导致电池的过充和过放，甚至过热等现象。运些危害都会对电池造成永久性的损伤。
[0003] 电池荷电状态的定义
[0004] 电池荷电状态（S0C)定义为电池剩余容量与电池额定容量的比值： 阳0化]
阳006] 其中Qt表示剩余的电池电量，Q。表示电池的额定电量。根据电池充放电的规律， 有W下对应关系
[0007]
[0008] 其中S0C。表示电池初始的剩余荷电状态，i(τ)表示实时的充放电电流，放电电流 为正，充电电流为负。
[0009] 现有S0C估算方案存在的问题：
[0010] (1)难于确定电池的初始S0C;因为电池的初始S0C和之前发生的充放电情况有 关，在无法知道电池的先前状态W前，电池的初始S0C的估算精度比较难W满足，而且电池 的初始S0C也影响着电池后续的电量实时估算。 W11] 似电动车实际运行过程中，剧烈的电压电流波动很容易引入电磁干扰和噪声信 号，运样的噪声会造成S0C估算误差，且该误差会不断积累。误差的积累会造成电池S0C估 算的精度不够。
[0012] (3)对于裡电池的充放电过程，电池容量受到充放电倍率、电池溫度、充放电循环 次数等因素的影响：充放电倍率因素，即裡电池在不同的放电电流情况下，所能放出的电量 是不同的。电池的可用容量总是随着电池放电的倍率，即电池的放电电流的增加而下降。
[0013] 溫度因素，在一般情况下，裡电池的容量总是随着电池的溫度上升而增加。当溫度 过低时，电池的实际可用容量减小、能量利用效率下降，允许的最大放电倍率也减小。当溫 度升高时，裡离子嵌入脱嵌更加活跃，放出电池容量也随之变大。但溫度过高时，电池容量 会因里面的带电粒子自由运动加剧而导致容量不再上升，反而电池的内阻增加，充放电效 率下降。
[0014] 充放电循环次数因素，即电池老化因素，主要是指随着电池循环充放电次数的增 加，会出现电池容量衰减和电池内阻增加等现象。运主要是由于在充放电过程中电极活性 物质表面积减少，极化增大，电池内部短路，隔膜损坏等原因导致。导致电池的充放电容量 减小，电池健康度（SOH)减小，如果不考虑电池老化因素，电池容量的误差会不断累积，SOC 计算会变得越来越不准确。
[0015] 传统的S0C测量大多是采用安时计量法，电池管理系统都是对连续变量进行采 样，然后再对得到的离散数据进行处理。在一个采样周期时间内，电池的电流都是通过零阶 保持环节来保持不变的。若t。时刻的电池电量为S0C。，采样间隔为Δt，检测到ti=te+Δt 时刻的电池充放电电流为i(1)，则ti时刻的电池电量SOC1可W用t。的表示出来：
[0016] S0Ci=SOC〇-i(l)*At
[0017] 但是从t。到t1的时间内，电流并不是i(1)，会有一个小小的误差存在。对于连续 的一段时间，用求和表示如下：
[0018]
[0019] 因此按照传统的安时计量法来进行算法实现，会有如图1的误差积累。
[0020] 传统安时积分法所采用的零阶保持环节会和实际的充放电电量有图中Ξ角形的 积累误差，该误差会随着时间的积累越来越多。虽然可W通过提高采样频率来解决，但是电 流的采样频率也会受到电池管理系统的使用环境，运行速度W及硬件等多方面的限制，该 问题依然不能很好解决。
【发明内容】
[0021] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种电池荷电状态（S0C)的检测方 法，该方法可针对电动车的电池管理系统，实时精确获得电池的S0C值。
[0022] 本发明的电池荷电状态的检测方法，包括如下步骤： 阳02引 1)根据电池的化evenin模型，确定参数：电池的极化内阻R1、极化电容C1及电池 内阻R0 ;
[0024] 目前多数研究认为电池的模型可由化巧herd模型、化newe虹universal模型W 及化rnst模型Ξ个模型进行整合，得到一个复合模型，其开路电压与电池S0C的关系可W表不为： 阳0巧]
[0026] 其中Ek为电池的负载电压，E。为电池充满电后的空载电压，R为电池的内阻，ik为 k时刻的瞬时电流值，SOCk为K时刻的电池S0C，K。、Κι、馬、而是电池的模型参数，是常数。
[0027] 运个模型很显然存在问题，当S0C趋于0时，|;^|趋于无穷大的速度远大于 K2!n(S0Ck)I的速度，所WEk将趋于无穷大；当S0C趋于1时候，iKslnQ-SOCk)I将趋于无 穷大，所WEk将趋于无穷大。运两种情况显然不符合实际情况。
[0028] 基于上述问题，本发明基于化evenin模型的电池S0C与电压关系模型，电池在由 工作突然进入静置状态时候会存在电压回弹，一段时间W后电压进入稳定状态，运个稳定 的电压就是电池的稳定电动势，运个电压的大小主要和电池的剩余容量有关。电池的回弹 特性主要是由电池内部极化效应引起的，对电池用化evenin模型进行等效，如图2所示，其 中电池的回弹特性代表的运种极化效应可W在电池模型中用电容C1和电阻R1并联体现出 来。
[0029] 其中由电极材料、电解液、隔膜内阻及各部分零件的接触电阻组成引起的电阻是 反应电池充放电时压降的电池内阻R0 ;R1是电池的极化内阻，它是电化学反应时由极化引 起的电阻，极化电容C1表示由浓度差引起的电压回弹影响。化为电池端电压，即实时检测 到的电压。R1与C1并联构成阻容回路，用于模拟电池状态突然发生变化过程中表现出的动 态特性。
[0030] 2)建立S0C-R0 和S0C-E查询表
[0031] 采用传统方法获得电池S0C值，如利用新威8点电池充放电测试仪进行测试，并测 得电池不同S0C时对应的电池内阻R0,建立S0C-R0查询表；
[0032] 获得电池内阻R0的方法为：
[0033] 电池在静置状态和某一S0C值状态间有四种状态突变方式：（1)静置状态到额定 放电状态、（2)额定放电状态到静置状态、（3)静置状态到额定充电状态、（4)额定充电状态 到静置状态，按下式计算相应电池内阻：
[0034]
[0035] 其中Δυ表示电压的突变，I表示充放电电流；将四种状态下分别获得的电池内阻 求平均值，即获得该S0C值对应的电池内阻R0 ;采用传统方法获得电池S0C值，并测得电池 不同S0C时对应的端电压Uo,根据下式（定义为g函数）：
[0036] U〇=E-R〇I+Ui
[0037]
[0038] U。为电池的端电压，I表示电池的充放电电流，E表示电池的稳定开路电压，该电 压只和电池的S0C有关，U1为等效的极化电容两端的电压，联立上述两个方程式，可获得不 同S0C对应的电池稳定开路电压E，获得S0C-E查询表；
[0039] 3)估算电池的初始S0C
[0040] 电池管理系统在启动时先判断本次启动是否第一次运行，若不是，则读取上次停 机时间和记录的最后一个S0C数据，当停机时间超过预先设定值T1 (根据电池的电压回弹 特性，需要大于电池电压回弹后达到稳定的最小时间，可W取运个时间的10倍作为T1)时， 测得此时电池开路电压并根据步骤2)的S0C-E查询表获得相应S0C，即为初始S0C，当停机 时间未超过T1，则直接读取停机时最后一个S0C数据作为初始S0C; 阳〇川若电池管理系统是第一次工作，则实时测量电池的电压变化，直至电池的电压变 化率不超过设定值A，（运个值得选取是在判断电压的变化率，可W取O.Olv/min)则认为 该电压为稳定开路电压，根据S0C-E查询表获得相应S0C，作为初始S0C;
[0042] 4)电池充放电后估算k+1时刻的S0C
[0043] 利用安时积分法估算充放电At时长后电池的S0C值，公式如下（定义为f函 数）：
[0044]
[0045] 其中SOCk为k时刻电池的SOC，在充放电时长后为k+1时刻，i为k+1时刻电池的 充放电电流，Q。为实时校正后的电池额定电量；初始S0C为0时刻的S0C; W46]W获得精确S0C值
[0047] 根据步骤4)获得的k+1时刻的S0C值，对应S0C-E查询表及S0C-R0查询表，获得 相应的稳定开路电压E和电池内阻R0,根据公式（2)和（3)可获得k+1时刻估算的端电压 Uo,同时通过测量获得k+1时刻实际的端电压，检测该实际端电压是否达到充电完成时的 电压，若达到则强制将电池S0C值设为100%，反之，则采用扩展卡尔曼滤波器增益算法获 得修正后的k+1时刻