专利名称：一种车载电池管理系统电池放电终止状态判断方法
技术领域：
本发明属于车载动力源管理的技术领域，特别涉及到对混合动力车以及纯电动车车载动力电池重要参数SOC的控制方法。
背景技术：
石油作为传统汽车的动力源，不仅因储量日益减少而导致价格昂贵，其燃烧所产生的汽车尾气还造成了环境的污染，增加了温室气体的排放。因此，以电能作为部分或全部动力源的混合动力车及纯电动车应运而生，并逐渐走向主流汽车市场。动力蓄电池是混合动力电动汽车(HEV)的动力源泉之一，其主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命等。目前制约包括HEV在内的各种电动汽车发展的关键因素之一， 是动力蓄电池的性能指标不理想。要使各种电动汽车能与传统内燃机汽车相竞争，关键是开发出比能量高、比功率大、使用寿命长和成本低廉的动力蓄电池。就现有动力蓄电池而言，如何实现无损电池的充电策略、实时监控电池的放电状态、避免过充过放以确保电池组的性能和寿命？如何提高HEV整车的燃油经济性？这些问题都需要通过开发有效合理的电池管理或监控系统(BMS)来加以解决。电池是电动汽车的关键组成部分，如何合理使用电池，充分利用电池组中的能量， 延长电池的使用寿命是电动汽车及混合动力汽车进一步发展中所必须解决的问题。为了充分利用电池的能量又要防止电池组中任一电池过放电，对电池放电终止状态的判断必须适时而准确。目前电动汽车动力电池使用的判断放电终止状态的方法主要有3种固定终止电压法、放电曲线(V-t曲线)斜率法和容量累积法。最简单的判断放电终止的方法就是固定终止电压法，放电终止电压是人为设定的。一般小电流放电时，终止电压应规定高些，而大电流放电时，终止电压应规定得低些。 这是因为电池内部的原因所造成的。此方法虽然简单，但在不同放电电流下放电终止电压不同，没有一个统一的标准，而实际电动车动力电池的放电电流是随机变化的，没有一定规律。如果设定统一的放电终止电压，为防止电池在任何工况下过放电，这一电压必定趋于保守(偏高)，即大电流放电时会过早终止，影响电池能量的充分利用。放电曲线斜率法是在铅酸电池的恒流放电试验时使用最多的一种方法。从电池放电曲线上可以看到在电池放电后期，明显存在一个放电曲线(ν-t曲线)的斜率突变点(称为 “拐点”)。在此点以后电池所能放出的容量很少，且这对于电池的放电及未来的使用也很不经济。可以把此拐点定为电池放电的终止点。在实际试验中，电池在小电流放电时，其电压下降的平台期的斜率很小。放电曲线中斜率为平台期10倍的地方显然与实际的放电终止点相距很远。而大电流放电时，其电压下降的平台期的斜率较大，放电曲线中斜率为平台期 10倍的地方，电压下降得非常迅速，已经超过了实际放电的终止值。这样还是有可能造成电池能量没有充分利用或过放电。此外，正如不同放电电流下的放电终止电压不同一样，不同电流下，"V-t曲线的平台期斜率也不同。由于不同放电电流下，放电曲线的平台期斜率不同，因而这种方法对于不同的放电电流规定了不同的放电终止电压，小电流时终止电压高， 大电流时终止电压低。这种方法虽然考虑了电池以不同电流恒流放电的工况，但如果用于变电流放电，则需要记忆的参数较多，几乎对每一个放电电流都需要记忆一个对应于该电流的放电曲线的斜率，因而需要大量先验的数据为依据，且对电池管理系统(BMS)的硬件系统要求高。所谓容量累积法即记录电池充入及放出的电量，当在一个充放电循环中，两者相等，认为电池放电终止。由于电池的有效容量与放电电流有关，大电流放电时电池能放出的有效容量小；小电流放电时电池所放出的有效容量大。这一方法除需不断记录电池的充放电历史数据外，还要对容量进行放电电流、电池老化、自放电等修正，过程复杂，一般很少使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效的控制方法，可以对电池是否处于放电终止状态做出有效的判断。本发明具体公开了一种车载电池管理系统电池放电终止状态判断方法，包括如下步骤
步骤1，根据电池的型号确定放电常数Ck，其中 Ck=dV/dC,
式中，dV/dC是电池放电V-C曲线斜率，即电压V随放电容量C变化的曲线斜率；Ck 为电池电量C快放完时斜率变化较大时斜率值，Ck是根据电池的放电倍率电压变化情况综合定义的一个常数。步骤2，对车载动力电池组的端电压和电池包电流实时检测，采集dV/dC的数值； 步骤3，当电池管理系统检测到的dV/dC的绝对值> Ck时，判断电池达到了放电终止状态。进一步，所述放电常数Ck根据放电V_t曲线达到拐点时所对应的dV/dC数值来选取，
其中 dV / dC= (dV / dt) / I，
式中，，dV / dt是电池放电过程中电压V随时间t变化的曲线斜率，I是放电电流值。进一步，采用数字滤波法对采集的拐点数据进行圆滑处理。进一步，所述步骤2对车载动力电池组的端电压和电池包电流实时检测，由电池管理系统完成。进一步，针对12V55Ah铅酸电池，Ck取0. 5。在本发明中，dV/dC比dV/dt加入了电流做为参考量，正是因为电流的大小不同， dV/dC的大小不同电流越大，整车上动力电池允许的dV/dC越小；电流越小，允许的dV/dC 越大。在台架上实验时，用恒流来实验，根据不同电流值，以及整车电流的情况，选取一个合适的dV/dC值，作为放电终止的参考标准。而整车上电流是时刻变化的。不可能只是恒流的情况。所以综合考虑起来，用dV/dC比dV/dt更能准确反映电池当前SOC的情况。采用本发明的方法，不需要根据电池电压平台，用单一的放电常数即可判断放电终止状态。此方法判断更加准确、更为实用，且实现也简单。
图1 恒流放电终止电压定义方法示意图； 图2 不同放电电流dV/dC-C与V-t组合图3 电池V-t及V-C曲线斜率与放电电流关系图； 图4 :dV/dC与放电容量变化曲线图； 图5 :V-t及V-C曲线斜率判定电池终止电压的结果比较图。
具体实施例方式通过对电池放电特性和试验数据的分析可知，电池放电的终止点应当是指电池放出单位容量时，电池电压下降较为剧烈处。也就是说电池电压要下降很多，才能放出与电压下降平台期时很小的电压降所能放出的相当的容量。从理论上分析，用电池恒流放电的 "V-t曲线的斜率dV / dt来衡量放电的终止是不十分恰当的。因为放电的终止电压与放电电流的大小紧密相关，所以应当在其中加入电流的因素，才可能正确地确定终止状态。这样就引出了判断电池放电终止状态的新方法--电压/容量梯度法。在放电曲线斜率法使用的电压梯度dV / dt的分母中加入电流I，可以得到dV / (I · dt)
由I · dt=dC可以得出 dV / (I · dt) =dV / dC,
式中，dV/dC是电池放电V-C曲线斜率，即电压V随放电容量C变化的曲线斜率；dV / dt是电池放电过程中电压V随时间t变化的曲线斜率，I是放电电流值。为了找到一个在各个放电电流下尽可能统一的电池放电终止状态的判断标准，考察在不同放电条件下，在"V-t曲线的真实拐点附近dV / dC的变化趋势。数据处理方法如下由恒流放电的"v-t曲线变换出V-C曲线，进而求得dV / dc-1曲线。通过对恒流放电的v-t与V-C曲线的分析，可以得到其放电的平台期的斜率。将这些斜率除以放电电流，即 (dV / dt) / I=dV / dC。比较dV / dt与dV / dC可以发现dV / dt随放电电流变化很大，因而电压梯度法不太合理；而dV / dC数据随放电电流变化较小，如图3所示。可以规定一个适合各种放电电流的常数Ck=dV / dC来确定电池终止放电点。Ck为电池电量C快放完时斜率变化较大时斜率值，Ck是根据电池的放电倍率电压变化情况综合定义的一个常数。下面讨论如何确定这个常数Ck。根据恒流放电的试验数据，分别把同一放电电流下的放电电压V随放电时间t的变化曲线以及dV/dC随放电容量C的变化曲线画在一张图上，因为对于同一电流，C=I · t， 因此横坐标C与t在数据点上是一一对应的，这样就可以清楚地找到在V-t曲线达到拐点 (即达到放电终止状态)时所对应的dV/dC数值。图2是各个电流下dV/dC-C与V-t的组合图。由于试验中采集的数据是离散的点，而且可能会有波动，所以在计算dV/dC-C的曲线时要将数据圆滑。用数字滤波法，计算某一点的斜率时，取该点前后各2个点，共5个点进行二次多项式的最小二乘法拟合，然后再对该点求导，得到该点的斜率。图4为计算结果。曲线从上到下分别为20A、30A、40A、50A、60A、70A恒流放电数据在各放电电流下，dV/dc-c曲线形状相似，在很长时期内几乎完全重合，这就能够找到一个经验常数Ck，并以此作为判断电池放电终止的依据。综合图3和图4的结果，再参照表2给出的常温下铅酸电池放电终止电压的数值，可以将这个经验常数定为0. 5，即当电池管理系统检测到的dV/dC 的绝对值Ck彡0. 5时，可以认为电池达到了放电终止状态。应该提醒的是这个Ck值是随着电池的型号改变而改变的经验数值，上述的只是针对被测12V55Ah铅酸电池的试验而得到的。与用V-t曲线斜率判断放电终止的方法相比，使用V-C曲线斜率判断放电终止的方法不需要定义平台期，只需要一个统一的参数Ck。将这种方法用于实际判断，大大简化了软件设计，并且降低了对存储空间的要求。图3是用V-C曲线斜率与用V-t曲线斜率判定终止电压的结果比较。从图5中可以看出，对于20-70A的放电区域，用V-C曲线斜率判断终止电压的方法放出的容量较用V-t曲线斜率法稍大。
权利要求
1.一种车载电池管理系统电池放电终止状态判断方法，包括如下步骤 步骤1，根据电池的型号确定放电常数Ck，其中Ck=dV/dC,式中，dV/dC是电池放电V-C曲线斜率，即电压V随放电容量C变化的曲线斜率；Ck 为电池电量C快放完时斜率变化较大时斜率值，Ck是根据电池的放电倍率电压变化情况综合定义的一个常数；步骤2，对车载动力电池组的端电压和电池包电流实时检测，采集dV/dC的数值； 步骤3，当电池管理系统检测到的dV/dC的绝对值> Ck时，判断电池达到了放电终止状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放电常数Ck根据放电V-t曲线达到拐点时所对应的dV/dC数值来选取，其中 dV / dC= (dV / dt) / I，式中，dV / dt是电池放电过程中电压V随时间t变化的曲线斜率，I是放电电流值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，采用数字滤波法对采集的拐点数据进行圆滑处理。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤2对车载动力电池组的端电压和电池包电流实时检测，由电池管理系统完成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，针对12V55Ah铅酸电池，Ck取0. 5。
全文摘要
本发明公开了一种车载电池管理系统电池放电终止状态判断方法，包括如下步骤步骤1，根据电池的型号确定放电常数Ck，其中Ck=dV/dC，式中，dV/dC是电池放电V-C曲线斜率,即电压V随放电容量C变化的曲线斜率；Ck为电池电量C快放完时斜率变化较大时斜率值，Ck是根据电池的放电倍率电压变化情况综合定义的一个常数。步骤2，对车载动力电池组的端电压和电池包电流实时检测，采集dV/dC的数值；步骤3，当电池管理系统检测到的dV/dC的绝对值≥Ck时，判断电池达到了放电终止状态。采用本发明的方法，不需要根据电池电压平台，用单一的放电常数即可判断放电终止状态。此方法判断更加准确、更为实用，且实现也简单。
文档编号H01M10/44GK102185167SQ20111006380
公开日2011年9月14日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者王章才 申请人:奇瑞汽车股份有限公司