一种电动汽车动力电池能量状态估算方法
【专利摘要】本发明公开了一种电动汽车动力电池能量状态（SOE，State-of-Energy）估算方法，属于电动汽车电池管理系统【技术领域】。该方法在估算过程中考虑了电池电压的变化，较现有的电池荷电状态（SOC）估算能更加全面的反应电池状态和车辆续驶里程。其特征在于，该方法包括如下步骤：第一、初始化过程，系统根据当前电池温度、电压、静置前状态以及静置时间，计算初始SOE值；第二、循环过程，系统通过采集的电池温度、充/放电倍率以及记录的电池使用次数来修正电池平衡电势EMF-SOE关系曲线、电池额定能量。再根据能量守恒原理计算电池能量的变化量，利用初始SOE值，计算下一时刻SOE值，不断循环，实时更新SOE值。
【专利说明】一种电动汽车动力电池能量状态估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明提供了一种电动汽车动力电池能量状态估算方法，属于电动汽车电池管理 系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 在全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题的巨大挑战的情况下，发展电动汽 车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，已经在国际上形成了 广泛共识。
[0003] 在当前的电动汽车领域，动力电池是电动汽车主要选择的储能动力源之一。为了 确保动力电池的高效、安全，电池管理系统的研发尤为重要。动力电池管理系统用于对电 池的电压、温度、电流及容量的实时监测，及时反馈，并加以处理，从而提高电池的使用效能 与寿命，保障整个电池系统的稳定运行。而作为电池管理系统中的核心技术，电池荷电状态 SOC (State Of Charge)的大小直接反映电池剩余电量，但这种基于荷电量方式的定义却忽 略了电池在使用过程中电压的变化，而且SOC估算的精度也普遍不高，无法真正反应实际 的电池状态和车辆续驶里程。
[0004] 针对以上问题，本发明将提出基于能量方式定义的电池能量状态SOE (State Of Energy)。SOE估算充分考虑电池在使用过程中电压的变化，可以更准确地反应电池的真实 能量状态，从而有效的预测电动汽车的最大续驶里程，防止电池过充/放电，延长电池使用 寿命，从而提高了电池的使用效率，降低电动汽车的使用成本。
【发明内容】
[0005] 根据目前现有技术中的不足，本发明采用的SOE估算方法中，对动力电池的状态 从能量角度进行定义并估算，弥补原先基于荷电量方式的SOC估算的缺陷。该方法简化了 判断依据，避免了复杂变化的电池内阻以及充/放电效率等因素的影响，提高了电动汽车 动力电池能量状态实时估算的准确性。
[0006] 本发明的目的可以通过下列技术方案来实现：其特征在于，我们将电池满能量状 态所对应的SOE设定为1，电池无能量状态所对应的SOE设定为0。
[0007] 该估算方法包括以下步骤：首先，系统会判断电池静置的时间，若静置时间大于设 定的时间T tl，则系统重新进入初始化过程；反之，系统会自动利用上次记录电池 SOE值，继 续执行循环运行过程。
[0008] 进入初始化过程后，系统采集当前电池的温度、电压信息，并通过电池温度、电池 静置时间以及电池静置前是充电还是放电状态对电池开路电压（OCV)与SOE的关系曲线进 行修正，然后由当前的开路电压值计算得到初始SOE值。
[0009] 进入循环运行过程后，系统首先通过采集的当前电池温度、充/放电倍率以及使 用次数来修正电池额定能量以及电池电动势（EMF，Electro-Motor Force)与SOE关系曲 线。然后，系统将根据初始SOE (或记录的上一次SOE值）来计算得到其所对应的电池电动 势。最后，根据能量守恒原理，系统通过此刻的电池电动势以及电流计算得到电池能量的变 化量。如此，利用上一时刻的SOE值，计算下一时刻的SOE值，不断循环，实时更新SOE值。 [0010] 工作原理：能量守恒法应用于动力电池的能量动态SOE估算中时，我们只要准确 计算出动力电池的能量变化和动力电池在此条件状态下的总能量，便可以得到此时动力电 池剩余的能量占总能量的比，即动力电池的S0E。在放电状态下，将电池内阻和外电路用电 设备统一作为电能的消耗部分，此时动力电池作为能量源，其电动势EMF就等于电能消耗 部分的端电压，再根据此时的电流I，就可以计算出时间段t内消耗的总能量。充电状态下， 充电机作为能量源，提供的能量有一部分消耗在电池内阻上，此时可以根据动力电池的电 动势E计算真正充进电池内部的总能量。按照这个方法我们就可以准确计算出电池能量的 变化情况，再根据在不同条件下修正后的电池总能量就可以得到实时的电池 SOE值。
[0011] 通过实验可知，动力电池的开路电压OCV随着电池 SOE的升高而升高。虽然两者 之间不存在明显的线性关系，但依旧可以找到OCV与SOE之间的关系，并且以此来建立动力 电池 OCV-SOE的关系曲线。同时，因为本发明所针对的是镍氢动力电池，根据实验我们也发 现电池 OCV-SOE关系曲线受到多种因素影响，包括电池温度、电池充/放电次数、电池静止 时间、电池静置前的充/放电状态等。所以我们在根据OCV计算电池静态SOE的时必须根 据这些影响因素进行修正，如此才能保证初始SOE值的准确性，为接下来SOE估算建立准确 的基础。
[0012] EMF指的是电池的平衡电势，也叫电动势，即电池处于平衡状态时的正负极的电 势差，它是电池体系中客观存在的物理量，而想要直接获取，必须在电池处于平衡状态下测 量。因此，本发明采用的方法是：间歇充/放电法，即将电池充/放电一定时间，再静置足够 长时间后再测量电池正负极之间的电势差，并将该电势差值作为电池的EMF值。根据镍氢 动力电池的特性，其静置时间大约是8小时，此时电池基本处于平衡状态。然而，通过实验 我们也发现，动力电池的温度、充/放电倍率、充/放电状态以及充/放电次数均对EMF-SOE 曲线有一定影响，所以必须对这四个方面的影响因素进行修正，保证EMF-SOE曲线的准确 性。
[0013] 在h沭的汽车动力电池能量状态估算中，动态SOE估算计算的公式为：
【权利要求】
1. 一种电动汽车动力电池能量状态（SOE)估算方法，其特征在于，我们将电池满能量 状态所对应的SOE设定为1，电池无能量状态所对应的SOE设定为0,该估算方法包括如下 步骤： 首先，系统会判断电池静置的时间，若静置时间大于设定的时间Ttl，则系统重新进入 初始化过程（1)，反之，系统则根据上次记录的电池SOE值，继续执行循环运行过程（2);初 始化过程（1)，系统采集当前电池的温度、电压信息，并通过电池温度、电池静置时间以及 电池静置前是充电还是放电状态对电池开路电压OCV与SOE的关系曲线进行修正，然后 由当前的开路电压值计算得到初始SOE值；循环运行过程（2)，系统首先会通过采集的当 前电池温度、充/放电倍率以及电池使用次数来修正电池额定能量以及电池电动势（EMF， Electro-MotorForce)与SOE关系曲线；然后，系统将根据初始SOE(或者记录的上次SOE 值)来计算得到其所对应的电池电动势EMF;最后，根据能量守恒原理，系统通过此刻的电池 电动势以及电流计算得到电池能量的变化量；如此，利用上一时刻的SOE值，计算下一时刻 的SOE值，不断循环，实时更新SOE值。
2. 根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOE估算方法，其特征在于：在建立动力 电池OCV-SOE曲线时，充分考虑电池温度、电池充/放电次数、电池静置时间、电池静置前的 充/放电状态等因素影响，并进行修正，提高静态SOE估算的准确性。
3. 根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOE估算方法，其特征在于：动力电池的 电动势EMF的获取是该方法的核心，本文采用间歇充/放电法来获取电动势，即将电池充/ 放电一定时间，静置足够长时间后测量电池开路电压，并将此时的开路电压值作为电池EMF 值。
4. 根据权利要求1和3所述的电动汽车动力电池SOE估算方法，其特征在于：通过实验 得到的EMF-SOE关系曲线，需要从电池当前温度、充/放电倍率、充/放电状态以及充/放 电次数四个主要方面对曲线进行修正，保证EMF-SOE曲线的准确性，提高动力电池SOE估算 的准确性。
5. 根据权利要求1所述的电动汽车动力电池SOE估算方 法，其特征在于：动态估算过程中，计算动力电池SOE的公式为： 11Kwj'ΠΓΓ'κ，其中，Qn表示电池额定电量，En表示电池额定电压，kT 表示电池额定容量温度修正系数，k。表示电池额定容量充/放电次数修正系数，kz表示电 池自放电修正系数，根据t时刻的电池SOE(t)，利用EMF-SOE曲线得到此时对应的动力电 池电动势EMF，并且得到由霍尔传感器采集的t时刻电池的电流I(t)，再根据能量守恒原 理，通过能量守恒计算模块计算t+Ι时刻的电池SOE(t+Ι)，如此按照时间顺序依次进行电 池SOE数值的更新，获得动力电池实时的能量状态。
6. 根据权利要求5所述的电动汽车动力电池SOE估算方法，其特征在于：关于自放电 率的修正，我们在电池总能量计算中暂时先不对自放电率进行修正，而在得到新的SOE值 时再根据上下两个时刻的时间差对其自放电率的进行修正，如权利要求5中的公式系数kz 所示，这样可以避免动力电池因长时间不使用，而在重新使用后遗漏自放电量的计算，从而 提高SOE估算的准确性。
7. 根据权利要求1飞所述的电动汽车动力电池SOE估算方法，其特征在于：所述的关 于电池温度采集点的均是选择电池极柱。
【文档编号】G01R31/36GK104459551SQ201410701368
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】高松, 卢佳翔, 李守好, 李博, 温延兵 申请人:山东理工大学