一种大容量电池组荷电状态的测量方法与流程

本发明涉及大容量电池组荷电状态soc(stateofcharge)的测量方法。

背景技术：

一般地，通过电池单体或模块的串联可提高大容量电池组lcbp(largecapacitybatterypack)的端电压，同样地，通过电池单体或模块的并联可增大lcbp的容量，即提高了最大可放电电流。因此，通过电池单体或模块的串/并联，可提高lcbp与外部的能量交换能力,即达到一定的功率和能量等级。同时，从理论上说，任何lcbp都可以简化为一个串联型lcbp(由电池串经串联而成)或一个并联型lcbp(由电池串经并联而成)，而每个电池串又由多个电池单体或模块经串/并联而成，反之亦然。电池组在实际使用过程中，需要保证电池组中的每个电池单体或模块的安全，防止出现过充电或过放电现象而造成整个电池组损坏或使用寿命的缩短。在控制电池组的充电或放电过程中，必须考虑电池组的荷电状态(soc),也被称之为“可用容量”，精确测量soc是电池管理系统中最基本和最首要的任务。特别是在快速充电技术的研究过程中，如何较为准确地测量soc是决定电池组的初始充电电流大小和充电时间长的重要前提，是实现快速充电的关键环节。

对电池组soc的测量基本上是基于电池单体或模块的使用和状态估算的进一步扩展，如下两种方法：

一是，基于电池单体的容量直接对大容量电池组的soc进行测量计算。该测量方法的结构框图如图1(a)所示。

在图1(a)所示的方法中，电池组是由容量相同的电池单体或模块组成，将电池单体或模块的额定容量直接作为所述电池组的最大可用容量。测量流过各电池串的电流并用积分装置对时间进行积分确定剩余容量。最后计算出电池组的soc。

由于电池组中的电池单体或模块，并不只是简单的串/并联结构，这使得电池组中各电池串上的电池单体或模块的最大可用容量、剩余容量等不完全相同，该方法没有考虑到电池单体或模块容量和电池组中各电池串容量间的对应关系和差异，从而并不能实际有效地测量计算出电池组各电池串在某一时刻实际的充/放电电量，这显然是不能准确的计算大容量电池组的soc。

二是，无论电池单体或模块是如何成组，都可以从整体结构上将其重新整合成一个等效电池组，如同测量单体电池一样，基于电池组的外部特性，如电池组的总电压与其soc的对应关系，对所述电池组的soc进行测量。图1(b)所示是基于大容量电池组中的一个电池串的总电压测量soc的结构图。按照图求的方法进行测量，首先测量所述电池串上的总电压，然后根据u-soc的经验关联表，从而得出与所测电池串上电压对应的soc值，这样就可测得每一个电池串上的soc值。

但是，在实际情况下，由于生产工艺及环境原因，配对成组的电池单体或模块配对的外部特性不可能完全一致。况且，电池在使用过程中，由于电池的散热条件、发热情况等并不完全一致，除此之外，电池单体或模块间存在正反馈反应，大容量电池组中的电池单体或模块这种反应更为突出，这些因素使得各电池单体或模块外部特性间的差异性更大。从而造成大容量电池组的外部特性与其soc没有准确的对应关系。因此，基于电池组的外特性测量计算其soc的方法，并不准确。

技术实现要素：

该项发明提出了一种准确地测量计算大容量电池组的soc，使得到的大容量电池组soc在保证大容量电池组利用率的前提下有效地防止电池组出现过充电或过放电现象的一种大容量电池组荷电状态的测量方法。

所述大容量电池组由n个并联的m只电池单体串联组成的电池串构成，m,n均是大于等于2的整数，所述大容量电池组荷电状态的测量方法包括如下7步骤：

(1)首先，确定所述电池串中的m只电池单体的最大可用容量q(1)max，q(2)max，…，q(m)max以及剩余容量q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem。

(2)由公式q(k)ch＝q(k)max-q(k)rem，计算电池单体的最大可充电容量，公式中的k是不小于1且不大于m的整数。

(3)确定所述电池串中的m只电池单体中最小的最大可充电电量q(s)ch以及最小的剩余容量q(t)rem，即，

q(t)rem＝min{q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem}

上式中的s，t均是不小于1且不大于m的整数。

(4)确定所述电池单体组成的电池串的最大可充电电量和最大剩余电量即，

(5)计算所述电池单体组成的电池串的最大可用容量即

(6)计算所述电池单体组成的电池串的荷电状态soc^s，即，

(7)计算由n个并联电池串组成的大容量电池组的荷电状态即，

上式中的i是不小于1且不大于n的整数。

本发明的有益效果：

由于考虑了每个电池串中每个电池单体的实际测量容量，本发明涉及的大容量电池组荷电状态测量方法，能够准确地得到电池串的荷电状态，防止大容量电池组出现过充电和过放电的不良现象，不仅保证了大容量电池组的安全使用，还使得电池组的使用寿命得以延长。并且，该大容量电池组的荷电状态的测量方法，并不要求每个电池单体的额定最大可用容量完全相同，因此，在某种程度上符合有效资源再利用的宗旨，增加了正品率，降低了大容量电池组成组时的配对要求，实用性强。

附图说明

图1(a)是根据已有技术基于电池单体容量对容量电池组的soc进行测量的原理图；

图1(b)是根据已有技术基于电池组的外特性对大容量电池组的soc进行测量的原理图；

图2是根据本发明一种实施方案的大容量电池的soc测量方法的流程图。

具体实施方案

下面结合附图对发明内容作进一步说明。

为防止电池组出现过充电或过放电的不良现象，从根本上讲，就要防止电池组中任一电池串中的每个电池单体出现过充电或过放电现象，也就是说一旦电池单体出现过充电或过放电，这对整个电池组是极为不利的，即，需要电池组中的每个电池单体的荷电状态soc均工作在0～100％之间的变化范围内，如果电池组中的任一电池单体的荷电状态soc达到了100％或者0，则电池组就不能继续充电或者放电。与定义电池单体的soc相同，电池组的soc即为电池组的剩余容量与其最大可用容量的比值，因此，从根本上讲，确定大容量电池的荷电状态soc的本质就是确定其剩余容量和最大可用容量。

为了和电池单体的表示方法不产生混淆，用上标为^s表示电池串的参数，如下均同。

按照电池单体的荷电状态soc的定义，电池单体的荷电状态soc就是单体电池的剩余容量qrem与其最大可用容量qmax的比值，即soc＝qrem/qmax。当对电池放电时，电池单体的剩余容量就是其最大可放电容量qmax-dch，如(1)式所示；当对电池进行放电时，电池单体的最大可充电量容量qmax-ch，如(2)式所示，即，

qmax-dch＝qrem＝soc×qmax(1)

qmax-ch＝qmax-qrem＝(1-soc)×qmax(2)

接下来结合图2介绍本发明的具体实施方案。图2是表征本发明大容量电池组soc测量方法一个实施方案流程图，测量由n个并联的m只电池单体串联组成的电池串组成的大容量电池组的荷电状态soc。如下，对本发明的具体实施方案给与阐述。

步骤1：首先，确定电池组中任意电池串m个电池单体的最大可用容量q(1)max，q(2)max，…，q(m)max及其当前的剩余容量q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem。利用公式(1)计算电池组中任一电池串的m个电池单体的当前状态下的荷电状态soc，记为soc(1)，soc(2)，…，soc(m)。

需要说明的是，获取电池单体的最大可用容量有两种方法：一是应用本领域公认的测量方法计算得到；二是使用电池单体出厂时的实测容量。需要强调的是，本发明所使用的最大可用容量不是电池单体的额定值，而是电池单体的出厂时的实测容量。本发明的重点并非研究已公认的各种电池容量的测量方法，因此不再做进一步阐述。类似地，本发明对确定电池单体的剩余容量的方法也没有给与限定，可根据实际要求使用不同的并已公认的测量方法。

然后，对所述任意电池串上各电池单体i，可计算当前状态下的最大可放电容量q(i)max-dch：

q(i)max-dch＝q(i)rem＝soc(i)×q(i)max

步骤2：根据公式(2)确定所述电池串上各电池单体当前状态下的最大可充电容量：

q(i)max-ch＝q(i)max-q(i)rem＝(1-soc(i))×q(i)max

步骤3：确定所述电池串上各电池单体中最小的可充电容量和最小的剩余容量的。对所述电池串上各电池单体单独充电时，肯定会存在一个电池单体k，其最大可充电容量qmax-ch(k)在m个电池单体中是最小的；同样，对所述电池串上各电池单体单独放电时，也会存在一个电池单体j，其最大可放电容量qmax-dch(j)在m个电池单体中是最小的，即，

q(k)max-ch＝min{(1-soc(1))×q(1)max,…,(1-soc(m))×q(m)max}

＝(1-soc(k))×q(k)max

q(j)max-dch＝min{soc(1)×q(1)max,…,soc(m)×q(m)max}＝soc(j)×q(j)max

以上两式中k,j是不小于1且不大于m的整数。

步骤4：确定大容量电池组中任意电池串的最大可充电容量以及其剩余容量。

由于所述电池组由n个并联的m只电池单体串联组成的电池串构成，因此当大容量电池组中的任意电池串充电时，由于电池单体之间相互串联，流经电池串上的每个电池单体的电流相同，当其中的任意一个电池单体充满电后，所述电池串就不能再继续充电。也就是说，当所述电池串中的任意电池单体k的充电容量达到(1-soc(k))×q(k)max时，电池单体k满充，此时不能再给所述电池串充电，则充电结束。因此，当大容量电池组进行充电的过程中，任意电池串的最大可充电容量qmax-ch等同于单体电池j的最大可充电容量。同样，当大容量电池组中的任意电池串放电时，由于电池单体之间相互串联，流经电池串上的每个电池单体的电流相同，因此在放电过程中每个电池单体的放电容量是相同的，当其中的任意一个电池单体放电结束，则所述电池串就不能再继续放电。也就是说，当所述电池串中的任意电池单体j的放电容量达到soc(j)×q(j)max之后，电池单体j已经放电结束。因此，当大容量电池组放电的过程中，任意电池串的最大可放电容量qmax-dch即其剩余容量qrem等同于单体电池j的最大可放电容量。即，

步骤5：确定大容量电池组的任意电池串的最大可用容量。基于本发明，大容量电池组中所述电池串的最大可用容量定义为：

步骤6：确定大容量电池组的任意电池串的荷电状态soc。所述电池串的soc为：

当j＝k时，(3)式等同于：

很显然，所述电池串的荷电状态soc^s等于电池单体k的最小容量。也就是说，这时计算所述电池串的soc就相对于计算容量最小的电池单体k的soc。当该电池单体k满充电时，所述电池串就不能在充电，所述电池串的soc^s＝100％。同样，当该电池单体k完全放电结束时，所述电池串就不能再放电，所述电池串的soc^s＝0。

当j≠k时，若所述电池串进行充电，当电池串中的任意电池单体k完全充满电时，其充电容量达到(1-soc(k))×q(k)max，此时所述电池串的荷电状态为soc^s＝100％。若给所述电池串进行放电，当电池串中的任意电池单体j完全放电，该电池串放电容量为soc(j)×q(j)max，此时所述电池串的荷电状态为soc^s＝0。只要所述电池串中的任意电池单体达到满充电或完全放电，此过程就立即结束，一旦出现过充电或过放电，就会对电池组造成损害，有可能还带来不安全因素。

步骤7：最后，计算大容量电池组的荷电状态soc。大容量电池串的soc为n个并联电池串的荷电状态soc之和，即：

当j＝k时，(4)式等同于：

很显然，大容量电池组的荷电状态soc等于各个并联电池串的最小容量之和。也就是说，这时计算电池组的soc就相对于计算各个容量最小的电池串的soc，然后再进行求和。

当j≠k时，当每个并联电池串都完全满充时，则电池组的充电容量达到(1-soc(1k))×q(1k)max+…+(1-soc(nk))×q(nk)max，此时电池串的荷电状态为soc＝100％。当每个并联电池串都已完全放电时，则电池组的放电容量达到soc(1j)×q(1j)max+…+soc(nj)×q(nj)max，此时所述电池串的荷电状态为soc＝0。

本发明从大容量电池组中任意电池串上每个电池单体的最大可用容量、剩余容量为着手点，确定大容量电池组在可充电容量以及可放电容量，进而确定电池组中的所有并联点出串的最大可用容量和剩余容量，得到大容量电池组中任意电池串的荷电状态soc，从而进一步计算出大容量电池组的荷电状态soc。这种确定大容量电池组soc的测量方法，考虑了每个电池单体的实测容量，并不要求每个电池单体的额定容量必须相同，因此具有很大的实用性，不仅降低了大容量电池组成组时的配对要求，还增加了电池单体的可利用率。除此之外，根据本发明的大容量电池组soc的测量方法不论电池组的结构是如何复杂，都可以采用该方法来计算其soc。