本发明涉及电动汽车电池管理技术领域，尤其涉及一种电池soc估算算法的验证评价方法与装置。
背景技术
荷电状态soc(stateofcharge)是电动汽车电池管理系统的基本参数，是电池管理系统(batterymanagementsystem，bms)控制逻辑中的全局变量，对电动汽车安全性、充放电策略、能量回馈、消除驾驶员里程忧患具有直接影响，soc估算技术是电动汽车电池管理系统研发的核心技术之一，是业界公认的技术难点。
正是由于soc参数十分重要，目前国内外许多从事电动汽车研究的高校、企业及研究机构对soc估算算法展开了大量研究，各自提出了自己的soc估算算法，这些方法能达到的精度各不相同，资源占用率、运算速度等性能指标也不相同。一般而言，估算得到的精度越高，估算算法的复杂程度就越高，所消耗的资源越多。
目前用于验证与评价soc估算算法的相关较少，qc/t897《电动汽车用电池管理系统技术条件》提出了一种电池管理系统的soc精度测试方法，该方法能在不同soc范围内采用不同方法对soc估算算法精度进行测试，但该方法测试过程冗长，且不能在不同外部条件下进行精度验证。发明专利cn107422289a公开了一种电池包soc估算精度检验方法及系统，在电动汽车上检验soc估算精度。但该方法存在以下缺陷：一是该检验方法获取真实soc值的方式为停止放电后将电池组充至满电，记录充电电量从而计算真实soc值。但由于电池组充电至截至电压后仍能充入一定电量，故缺乏一种判断电池组是否充电完成的标准，从而难以获取真实soc值。二是该方法仅能在放电过程中验证soc精度，缺乏在充电过程中验证soc精度需求。发明专利cn103713264a公开了一种电池管理系统soc估算精度测试系统及测试方法，该方法采用单体电压模拟源、电池组总电压电流模拟源、电池箱温度模拟源对电池组进行模拟，将模拟量传输至电池管理系统进行soc估算精度测试。但该方法存在以下缺陷：一是估算数据来自于电池模拟器，但电池是一种十分复杂的电子元件，该模拟器难以完全模拟电池工作过程中的状态；二是该方法采用电池管理系统上的单片机进行soc算法精度测试，无法测试一复杂soc估算算法。
然而上述方法都不能从估算精度、占用资源数量、运算速度等方面对soc估算算法进行综合量化评估，目前缺乏一种能够对各研究机构提出的soc估算算法进行验证与评价的平台。鉴于此，本发明提供一种电池soc估算算法的验证评价方法与装置，以克服上述缺陷。该评价方法与装置能够实时获取锂离子电池单体或电池包在特定充放电工况下电压、电流、温度信息，将其传输至电控单元进行soc估算，根据估算结果验证与评价估算算法优劣。
技术实现要素：
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电池soc估算算法的验证评价方法；
预先存储电池的ocv-soc曲线，所述ocv-soc曲线是开路电压与soc的对应关系曲线；
将电池放至空电，或将电池充至满电；
对电池进行充电或放电，实时测量并记录电池的电压、电流、温度；
使用待验证评价的soc算法计算电池soc值，记录所述soc算法运算时间和占用内存空间；
暂停电池充电或放电进程，将电池放置2小时；
根据预先存储的ocv-soc关系曲线获取参考soc值；
将待验证评价的soc算法计算的电池soc值与所述参考soc值进行对比，确定待验证评价的soc估算算法精度；
基于所占用内存空间、运算时间和算法精度对所述待验证评价的soc算法进行优劣评价。
优选地，所述ocv-soc曲线由以下几个步骤测量得到：
(1)、将待验证评价电池放电至放电截至电压；
(2)、对待验证评价电池用一定倍率的充电电流进行恒流充电，充电至充电终止电压时转为恒压充电，至充电完成时终止充电，记录充电时间，计算得到电池容量；
(3)、对待验证评价电池用相同的较小电流进行恒流放电，放电至某一特定soc值后静置特定时间，测量电池端电压视作当前ocv值，记录与该soc值对应的开路电压值；
(4)、重复步骤3，依次记录不同soc值对应的开路电压值，直至soc为0时停止；
(5)、根据步骤3、4所得数据建立ocv-soc关系曲线。
本发明还涉及使用如上验证评价方法的装置，包括：
具有电芯的电池安装盒(100)；
数据采集子系统(200)，将电池充放电过程中的电压、电流和温度采集传输至电控单元；
电控单元(300)，运行待验证评价的soc算法计算的电池soc值；
电池充放电子系统(400)，对电池进行充放电控制。
优选地，所述电池充放电子系统包括电池充电装置(410)和对拖式电池放电装置(420)。
优选地，所述电池充电装置包括整流电路(411)、滤波电路(412)、充电控制模块(413)和电池连接接口，所述整流电路能够将供电电网交流电转化为直流电，经滤波电路滤波后由充电控制模块控制给电池充电。
优选地，所述对拖式电池放电装置包括驱动电机(423)、负载电机(424)、转矩传感器(425)和电机固定座(426)，所述负载电机与驱动电机通过机械装置固连，所述负载电机模拟电动汽车在实际形式过程中遇到的各种工况，
优选地，所述工况包括但不限于美国联邦城市运行工况fuds、动态应力测试工况dst和复合脉冲功率特性测试工况hppc的一种或几种。
优选地，所述电控单元包括soc估算模块(320)，计算电池soc值，所述soc估算模块在电脑运行；
开路电压存储模块(330)，存储所述ocv-soc曲线。
优选地，所述装置还包括电池工作环境控制子系统(500)，所述电池环境控制子系统是恒温箱或恒湿箱。
优选地，所述电池是单体锂离子电芯或由若干单体电芯串并联而成的电池组。
本发明采用给出了一种电池soc估算算法的验证评价方法和装置，通过数据采集、参考soc值获取等技术的应用，实现了对soc估算算法的验证与评价，从而为soc估算算法的研究机构与研究者提供了一个参考标准，促进了soc估算算法研究的发展。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1、使用电脑运行待验证soc估算算法，对于算法复杂度没有要求，能够对包括人工神经网络法、遗传算法、模糊逻辑算法在内的智能算法进行验证评价；2、在对电池进行数据采集过程中，存在采集噪声、采集数据丢失、电流电压数据不同步等情况，与车辆实际行驶过程中可能会遇到的情况类似，能够极大程度模拟实际工况；3、通过可编程电源、对拖式电机试验台对电池进行充放电测试，同时，通过程序改变充放电策略，能够模拟不同工况下电池工作的实际情况，能够在不同工况下对soc算法进行验证与评价。综上所述，本发明设计新颖合理，满足了soc估算算法研究者的需求，填补了市场上该验证与评价平台的空白。
附图说明
图1为本发明提供的soc估算算法的验证评价装置框图；
图2为本发明提供的数据采集子系统功能模块图；
图3为本发明提供的对拖式电机放电装置示意图；
图4为本发明提供的电池充电装置示意图；
图5为本发明提供的能耗式均衡装置原理图；
图6为本发明提供的非能耗式均衡装置原理图；
图7为本发明提供的soc估算算法的验证评价方法流程图；
图8为本发明提供的初始化检测流程图；
图9为本发明提供的soc估算算法的验证评价软件流程图；
图10为本发明提供的均衡流程图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例而不是全部实施例。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可作出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
本发明实施例公开了一种电池soc估算算法的验证评价方法与装置，用以对soc估算算法进行验证评价，为soc估算算法提供参考标准。
如图1，其为本发明实施例中提供的一种电池soc估算算法的评价装置的系统框图。所述评价装置包括电池组100、数据采集子系统200、电控单元300、电池充放电子系统400、电池工作环境控制子系统500、均衡模块600。
所述的电池组100为soc估算算法估算对象，电池充放电子系统400可对电池组100进行充放电，数据采集子系统200将电池组充放电过程中的数据采集传输至电控单元300，电控单元300运行所述电池soc估算算法得到soc值。
所述的电池组100由若干电池单体组成，多个电池单体可串联或并联连接。
所述的电池组100可由圆柱形电芯、方型电芯或软包电芯组成。·
所述的数据采集子系统200由数据采集模块210、辅助电路220、mcu230等部分组成，其中，所述的数据采集模块210由电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块组成，所述的数据采集子系统200在电池组充放电过程中实时采集电池组各单体电芯的电压和温度，以及电池组的总电流，将采集的数据传输至电脑进行soc估算。
如图2，所述的电压采集模块由第一滤波器212、第一放大器213、第一a/d转换器215等部分组成，所述电压采集模块将随时间变化的电压信号转化为数字信号；所述的电流采集模块由霍尔元件214、第二滤波器212、第二放大器213、第二a/d转换器215等部分组成，所述的电流采集模块将随时间变化的电流信号转化为数字信号；所述的温度采集模块由热电偶211、第三滤波器212、第三放大器213、第三a/d转换器等部分组成，所述的温度采集模块将随时间变化的温度信号转化为数字信号；所述的辅助电路220由时钟模块221、电源模块222、复位电路223、外部存储224、通信模块225等部分组成，所述的辅助电路为支持数据采集装置正常工作。所述第一a/d转换器、第二a/d转换器和第三a/d转换器可以是集成在一个芯片的多通道a/d转换器。
所述的电池充放电子系统400由充电装置410和放电装置420组成，其通过电控单元的控制模块对电池充放电策略进行控制。充电装置优选是可编程直流电源，放电装置优选是对拖式电机放电装置。
如图3，所述的对拖式电机放电装置模拟电动汽车行驶过程中的工况对电池组进行放电实验。其由控制驱动电机的电机驱动器421、控制负载电机的电机驱动器422、驱动电机423、负载电机424、转矩传感器425、电机固定座426组成，其作用为其中负载电机采用扭矩输出形式，即负载电机的转矩可按照设定工况随时间变化，以模拟电动汽车在行驶过程中面对的不同路况；驱动电机采用速度输出形式，即驱动电机的速度可按照设定工况随时间变化，以模拟电动汽车面对不同路况时作出的反应。其中负载电机及驱动电机均可采用异步电机。
所述的电控单元300由电脑主机、显示器、与数据采集子系统的接口组成。
所述的电脑内置matlab、labview软件以及电池充放电控制软件，可通过pci插槽接收数据采集卡所采集到的电池组的电压、电流、温度信息，并通过待验证soc估算算法计算得到soc值。
所述的电控单元300包含控制模块310、估算模块320、开路电压存储模块330模块，其中控制模块310控制电池充放电装置对电池进行充放电测试，估算模块320根据数据采集卡所采集信息对电池进行soc估算，开路电压存储模块存储ocv和soc的对应信息，根据数据采集子系统采集所得ocv对电池进行参考soc值计算。
所述的电池工作环境控制子系统500为电池提供一个稳定的工作环境，确保电池工作的安全性。其改变恒温恒湿箱温度湿度，进而测试soc估算算法的鲁棒性。
均衡装置600可选择耗能式均衡和非耗能式均衡。
如图5，若采用耗能式均衡，则以剩余电量最小的单体电池的soc值为目标，对其他单体电池进行耗能式放电，以实现电池组可充电电量最大化。工作时，用旁路电阻分流，通过开关控制矩阵进行开关控制，实现均衡。当某个单体的电压过高时，与之串联的开关闭合，对应的分流电阻有电流流过，将能量以热量的形式消耗，阻止该单体电压高于其他单体，通过多轮控制和循环以达到电池组均衡。
如图6，若采用非耗能式均衡，则以剩余电量平均值为目标，使剩余电量多的单体电芯对剩余电量少的单体电芯进行充电，以实现能量利用率最大化。工作时，采用均衡电容作为中间储能元件，通过开关控制矩阵对开关进行控制，实现电容在两个相邻的单体间进行能量传递。
如图7，本发明提供一种电池soc估算算法的验证评价方法，本发明实施例以在充电或放电过程中对soc估算算法进行验证为例，其中图7左侧为充电过程中对soc估算算法的验证步骤，图7右侧为放电过程中对soc估算算法的验证步骤，该方法包括以下步骤：
s1、测量并记录ocv-soc曲线
其中，所述ocv-soc曲线是指单体电池开路电压(opencircuitvoltage，
ocv)与单体电池荷电状态soc的关系曲线。
具体的，在本实施例中，ocv-soc曲线由以下几个步骤测量得到：
1、将待验证评价电池放电至放电截至电压；
2、对待验证评价电池用第一电流值进行恒流充电，，如0.2c，充电至充电终止电压时转为恒压充电，当恒压充电期间电流降低至第二电流值时停止充电，利用充电时间、第一电流值和第二电流值计算电池充电容量；
电池容量计算方法为：
q＝∫idt(1)
3、对待验证评价电池用第二电流值进行恒流放电，放出特定的放电电量后静置特定静置时间，如2小时，此时soc值等于100％与放电电量与充电容量之比值之差值，此时电池端电压视作此时soc值对应的ocv值；
4、重复步骤3，继续对电池进行恒流放电实验，放出与步骤3相同电量后静置相同时间，依次记录不同soc值对应的ocv，直至soc为0时停止；
5、根据步骤3、4所得数据建立ocv-soc关系曲线，并将其存储于开路电压存储模块中。
s2、连接验证平台电源，对电池组进行上电自检；
请参阅图8，上电自检可由以下步骤完成：1、将电池组连接上电；2、以0.1c充电电流进行涓流充电；3、检测各单体电池电流、电压、温度信息；4、估算电池组soc矩阵，记各单体电池soc值为socij；5、计算每个并联支路soc均值、最高soc差值和最低soc差值；6、若均值高于50％，则进行放电实验，若均值低于50％，则进入充电实验；7、若soc差值高于预设值，则在充放电过程中还需要对电池组进行均衡控制。
s3、将电池组与放电装置连接，并将电池组放至空电；或将电池组与充电装置连接，并将电池组充至满电。
其中，以电池充至满电过程为例：首先对电池以0.1c的充电电流进行涓流充电至端电压为3.0v；其次对电池以1c的充电电流进行恒流充电至端电压为4.1v；最后对电池以4.1v的充电电压进行恒压充电至充电结束。
s4、将电池组与充电装置或放电装置连接并打开控制软件，打开soc估算软件；
s5、对电池进行充电实验或放电实验，实时测量并记录电池电压、电流、温度信息。
其中，电池放电测试包括但不限于美国联邦城市运行工况fuds、动态应力测试工况dst、复合脉冲功率特性测试工况hppc。
其中，电池电压信息由16通道的12位高精度a/d转换器组成，每个电池单体占用其中一个通道，所得电压信息依次传入电脑。
其中，电池温度信息由精度为±0.2℃，工作范围为-80～120℃的快速反应热电偶、16通道的12位高精度a/d转换器及线材等辅助设备进行测量。热电偶将电池的温度信号转化为电压信号，a/d转换器将电压信号转换为数字信号。所得温度信息依次传入电脑。
其中，电池组支路电流由霍尔元件、12位高精度a/d转换器及线材等辅助设备进行测量。采样电阻将流过电池组的电流转化为电压信号，a/d转换器将电压信号转换为数字信号。所得电流信息通过数据采集卡传入电脑。
s6、使用待验证评价的soc算法计算得到soc值，记录算法运算时间、占用内存空间。
其中，计算得到的soc值存储于一个soc矩阵中，该矩阵可存储各单体电池计算得到的soc值，其形式为：
其中，待验证评价电池组连接方式为m串n并。
如图8，在本实施例中，算法运行时间、内存占用率可由以下几个步骤运算得到：
1、参数初始化。将soc估算所需电池模型参数初始化，为soc估算算法提供运算依据。
2、设定采样周期。电池组电压、电流、温度信息按一定周期传入电脑进行soc估算，通过估算结果对算法效果进行检验。
3、读取电池电压、电流、温度信息，记该时刻为ti0。
4、运行soc算法，得到算法所得soc值，记该soc值为socc。
5、显示计算所得soc值，记该时刻为ti1。
6、计算估算前后时间差，记待验证算法计算一次soc所需运行时间为ti，记待验证算法计算一次soc所占用内存空间大小为ri。
7、判断测试是否结束。若测试未结束，则重复3-6，进入下一个采样周期，继续对电池进行充放电，且在充放电过程中进行soc估算。若测试结束，则记各周期运算时间和为t，各周期平均占用内存空间大小为r。
如图10，以三支路并联电池组为例，在电池充放电过程中，可通过前述主动均衡或被动均衡方式对电池组进行均衡。均衡步骤为：进入均衡周期；根据soc算法获取电池组soc矩阵；根据数据采集子系统获取温度矩阵；计算每个并联支路最高和最低soc差值；若差值高于预设且温度低于预设则说明在该均衡周期内需要均衡，否则不需要；根据当前soc矩阵计算得到开关控制矩阵，其中矩阵中1、0分别代表该矩阵对应位置的单体电池均衡开关通断。
s7、停止充电或放电，将电池静置两小时。
s8、根据ocv-soc曲线获取参考soc值
其中，ocv-soc曲线为步骤s1测量记录所得。记查曲线所得参考soc值为socr。
s9、将算法所得soc值与参考soc值进行对比得到估算算法精度。
其中，记待验证算法相对估算误差为e。则e可由下式计算得到：
其中，若计算得到误差过大，例如超过10％则输出计算错误信息。
s9、将算法精度、运算时间、所占内存空间等信息汇总，给出算法优劣评价。
算法评价指标可表示为：
g＝f(e,t,r)(3)
算法评价指标可根据不同需求进行设置，例如，可设置为线性加权函数：
g＝k1e+k2t+k3r(4)
其中，k1、k2、k3分别为三个参考指标的加权因子，可根据实际情况对其进行设置。例如此处可设为k1＝0.6,k2＝0.2,k3＝0.2，表示在目前评价标准下，soc估算算法精度较运算速度、占用空间大小更为重要。
其中，计算所得g为评价算法优劣的直接参数，该参数越小意味着计算误差越低、运行时间越短、占用空间越小，则所验证算法性能越好。
另外，本领域技术人员还可根据本发明做出其他变化以获得其他优势，这些依据本发明核心思想所做的变化，都应包含在本发明所要求的保护范围内。