一种铅酸电池剩余电量计算方法及监控系统与流程

本发明涉及soc技术领域，特别是一种铅酸电池剩余电量计算方法及监控系统。

背景技术：

当前叉车soc的计算方法主要有以下两种：

a、开路电压+经验法的结合：具体为采用开路电压法和3分钟下降1％电量(经验)结合来计算叉车的实时剩余电量，这个方法的优点是算法简单，可移植性强。但这种方法的放电时间是固定值，比较适合于仓储车；实际现场数据表明，对于平衡重车等叉车在不同负载工况下，电池放电时间可相差数倍，算法精度较低，会出现较大误差；

b、开路电压+时间积分法：该方法计算精度较高，但对控制器和传感器要求非常高，算法复杂，门槛较高。这种方法一方面对控制器计算性能要求高，另一方面对电流传感器精度要求高，导致硬件成本增加；且一旦传感器精度出现问题，计算将出现较大误差。

综上，开路电压法一般仅适用于电池无负载时使用，此时计算精度较高，但当电池输出电流驱动负载时，只能借用经验法对剩余电量作估算，这不可避免引入累计误差。当电池从使用或充电转换为闲置过程时，电池电压需要一定时间才能充分稳定，一般需要1～2个小时，附图1显示了一组从使用到闲置电池电压随时间变化的曲线，由此可以看出闲置电池电压与闲置时长相关。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种铅酸电池剩余电量计算方法及监控系统，能够动态更新放电时间及利用电池闲置长分段校正剩余电量，因此在不同负载工况下可以提供较高的测量精度。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，包括：当电池处于闲置状态时，基于开路电压法和电池闲置时长分段计算当前时刻的剩余电量；当当前时刻采集到的电池电压小于前一时刻的剩余电量等效电压时，通过动态更新放电时间来计算当前时刻的剩余电量。

优选的，所述当电池处于闲置状态时，基于开路电压法和电池闲置时长分段计算当前时刻的剩余电量，具体包括：

判断前一时刻电池剩余电量是否处于满电，若是，将当前时刻电池剩余电量也设置为满电；否则，判断电池持续闲置时长；

若持续闲置时长小于第一预设值，使用均值法计算当前时刻电池剩余电量；所述均值法为取当前时刻之前若干时刻的剩余电量平均值进行计算；

若持续闲置时长大于等于所述第一预设值且小于第二预设值，基于开路电压法的计算结果和均值法的计算结果之和获取当前时刻电池剩余电量；求和时，开路电压法计算结果取值权重小于均值法的计算结果权重；

若持续闲置时长大于等于所述第二预设值，基于开路电压法的计算结果和均值法的计算结果之和获取当前时刻电池剩余电量；求和时，开路电压法计算结果取值权重大于等于均值法的计算结果权重。

优选的，若持续闲置时长大于等于所述第一预设值且小于第二预设值，基于开路电压法计算时，引用一定的补偿电压。

优选的，所述放电时间基于电池剩余寿命；所述剩余寿命表示蓄电池能够继续使用的寿命次数。

优选的，所述当当前时刻采集到的电池电压小于前一时刻的剩余电量等效电压时，通过动态更新放电时间来计算当前时刻的剩余电量，具体表示为：

soc(i)＝max{soc(i-1)-1/c,0}

其中，soc(i-1)表示前一时刻的剩余电量，soc(i)表示当前时刻的剩余电量，c表示放电时间。

优选的，所述c通过如下方式表示：

c＝rc*(cr+(1-cr)*res/total)/da/p*60*k

其中，rc表示电池的额定容量；res表示电池剩余寿命；total表示标准规定的电池总的寿命，cr表示电池使用total次后实际容量与额定容量的比值；da表当前时刻之前若干时刻的平均使用电流；p为da的一次方程、二次方程或三次方程；60表示60分钟；k表示折损系数。

优选的，所述剩余电量计算方法的计算方法还包括：当当前时刻采集到的电池电压大于前一时刻的剩余电量等效电压时，判断当前时刻采集到的电池电压是否大于等于电池单体复位电压与电池单体个数的乘积；

若大于等于，采用如下方式计算剩余电量：

soc(i)＝min{soc(i-1)+1％,1}

其中，soc(i-1)表示前一时刻的剩余电量，soc(i)表示当前时刻的剩余电量；

若小于，采用如下方式计算剩余电量：

soc(i)＝min{soc(i-1)+1/ct,1}

其中，ct表示预设的充电时间，单位为分钟。

优选的，所述剩余电量计算方法的计算方法还包括：当当前时刻采集到的电池电压等于前一时刻的剩余电量等效电压时，将当前时刻的剩余电量设置为前一时刻的剩余电量。

另一方面，本发明一种铅酸电池监控系统，包括：铅酸蓄电池、采集装置、控制器及计算平台；所述采集装置与所述铅酸蓄电池相连接用于采集包括电流、液位、温度及电压的电池数据；所述控制器与所述采集装置相连以接收采集的数据并发送给所述计算平台；所述控制器或计算平台包括剩余电量计算模块；所述剩余电量计算模块基于一种铅酸电池剩余电量计算方法计算铅酸电池剩余电量；如果所述剩余电量计算模块设置在所述控制器，所述控制器将计算出的铅酸电池剩余电量发送给所述计算平台。

优选的，所述铅酸电池监控系统还包括与所述计算平台相连接的显示终端；所述显示终端包括显示模块；所述显示模块用于显示所述剩余电量计算模块计算出的铅酸电池剩余电量。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，以开路电压法为基础，把电流传感器采集的电流转换为实际负载工况，继而动态更新使用过程中的放电时间，提高了计算精度；

(2)本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，动态更新使用过程中的放电时间时，考虑到了电池的剩余寿命；且所述剩余寿命是动态更新的，而目前叉车soc计算方法是无法动态更新剩余寿命的，就算有使用到也是当作新电池处理；

(3)本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，根据电池闲置时间长短分段校正剩余电量计算值，根据时间长短分别调整对开路电压法和经验法的信任权系数，增加了校正频率，降低了计算累计误差；

(4)本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，对硬件要求低，使用一般计算性能的控制器和一般精度的电流传感器即可满足，减少了投资成本；

(5)本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，基于铅酸电池进行测量计算，无论电池是否安装在叉车上，均能有效计算出电池的剩余电量；

(6)本发明一种铅酸电池监控系统，能够在客户端直观地显示电池剩余电量，方便直观查看及存档。

附图说明

图1为铅酸电池从使用到闲置时电压随时间变化的曲线；

图2为本发明实施例的铅酸电池剩余电量计算方法流程图；

图3为本发明实施例的电池监控系统的结构框图；

图4为本发明实施例的电池监控系统实际采集的部分数据内容；

图5为本发明实施例的显示模块显示的剩余电量计算结果。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

参见图3所示，本发明一种铅酸电池监控系统，包括：铅酸蓄电池10、采集装置20、控制器30及计算平台40；所述采集装置20与所述铅酸蓄电池10相连接用于采集包括电流、液位、温度及电压的电池数据；所述控制器30与所述采集装置20相连以接收采集的数据并发送给所述计算平台40；所述控制器30包括剩余电量计算模块301；所述剩余电量计算模块301基于本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法计算铅酸电池剩余电量；所述控制器30将计算出的铅酸电池剩余电量发送给所述计算平台40。

需要说明的是，所述计算平台40可以是云计算平台或其他后端服务器平台，只要能够满足本发明的计算需要即可，本发明实施例不做具体限制。

本实施例中，所述铅酸电池监控系统还包括与所述计算平台40相连接的显示终端50；所述显示终端50包括显示模块501；所述显示模块501用于显示所述剩余电量计算模块计算出的铅酸电池剩余电量。具体的，所述显示终端50包括计算机、平板、手机等，只要能够满足本发明的显示需要即可，本发明实施例不做具体限制。

具体的，所述采集装置20包括电流传感器201、液位传感器202、温度传感器203和电压采集端子204。所述电流传感器201用于采集铅酸蓄电池10的输入/输出电流，一般采用霍尔电流传感器201并套在蓄电池10负极线束上；所述液位传感器202用于采集单体电池的电解液状态，其本质是一段导线，当该导线接触到蓄电池10电解液时，所述控制器30会采集到一个1v左右的电压值，表示电池不缺水，当该导线无法接触到蓄电池10电解液时，则因为导线悬空，控制器30无法采集到电压值，此时表示单体缺水，一般情况下，所述液位传感器202仅安装在蓄电池10的中心点附近的一个单体上，这是因为蓄电池10中心处散热更差，更容易发生高温和缺水问题；所述温度传感器203用于采集电池内部温度，温度传感器203一般是热敏电阻，可以直接放在蓄电池10中心附近的两个单体之间，此时采集的是单体间温度，也可以直接与液位传感器202集成在一起直接采集电解液温度；电压采集端子204一般配合控制器30的a/d转换模块采集蓄电池10整体电压及半电压，用于判断电池单体电压是否存在不均衡；所述控制器30接收来自传感器及端子的输入信号，一方面当数据超出设定阈值时通过led闪烁报警，另一方面通过自身的无线模块上传到计算平台40，无线模块可以是gprs、3g、4g或wifi等；计算平台40接收到来自控制器30的采集数据后，作统计分析和计算预测，并通过显示终端50展示给用户。

参见图2所示，本发明一种铅酸电池剩余电量计算方法，包括如下步骤：

第一步，检测所述电池监控系统是否首次上电或上一时刻剩余电量soc(i-1)是否显示“-”，若是进入第二步，否则进入第五步；

第二步，判断电池电流绝对值是否小于10a，若是进入第三步，否则进入第四步，本步骤目的是判断电池是否处于闲置状态，一般电池闲置时，其电流小于10a，另外普通的电流传感器其精度一般在+/-6a，因此对电流传感器的要求不高；

第三步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{(u/x+γ1-uxmin)/(uxmax-uxmin),1}，式中u为电池电压，x为电池单体数量，γ1为对电池电压对闲置时长的补偿值，本实施例中，γ1的取值范围为[0.01～0.05]，uxmin为空电量电池单体电压值，uxmax为满电量电池单体电压值，这些数值不同电池有略微差异，可从电池制造商获取，式中的min函数用于确保剩余电量值小于100％。需要说明的是，所述uxmin一般取值为1.95，所述uxmax一般取值为2.14。soc(i)＝(u/x-uxmin)/(uxmax-uxmin)即为现有技术的使用开路电压法获取剩余电量的计算方式；

第四步，无法计算该情况下的剩余电量，显示为“-”，并进入第一步；

第五步，判断电池电流绝对值是否小于10a，若是进入第六步，否则进入第十四步；

第六步，令累积闲置时长j(初始时，j＝0)加上一个时间步长，时间步长是指数据上传的周期，一般为1min，本步骤目的在于统计闲置的累积时长，用于对剩余电量计算进行分段校正，进入第七步；

第七步，判断上一时刻的剩余电量soc(i-1)是否处于满电，即100％电量，若是，则进入第八步，否则进入第九步；

第八步，令本时刻剩余电量soc(i)＝100％，即前一时刻满电且电池处于闲置，则此时刻也满电；

第九步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{min{ave,1},soc(i-1)}，进入第十步，公式表示本时刻剩余电量等于近期若干时刻的平均值，本实施例中，式中k为取平均的次数，一般情况下k＝10，当电池系统刚上电时，因历史数据不足，k会从1逐渐增加至10，式中的第一个min用于确保闲置状态下soc只能下降不能上升，第二个min用于确保剩余电量总是小于100％；

第十步，判断累计闲置时长j是否大于等于所述第一预设值且小于第二预设值，若是进入第十一步，此处的第一预设值和第二预设值是基于电压稳定曲线及经过大量测试后得出的推荐值，本实施例中所述第一预设值取10分钟；所述第二预设值取60分钟；

第十一步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{min{(u/x+γ2-uxmin)/(uxmax-uxmin)*μ1+(1-μ1)*ave,1},soc(i-1)}，进入第十二步，式中(u/x+γ2-uxmin)/(uxmax-uxmin)为使用开路电压法计算soc，同步骤三，第一个min用于确保本时刻剩余电量总是小于上一时刻剩余电量，第二个min用于确保剩余电量总是小于100％，第二个min的左半边公式对开路电压法和平均值(经验)加权求和，简单的说就是，μ1的比例信任开路电压法计算结果，(1-μ1)信任平均值(经验)计算结果，之所以取这个权系数，是因为此时电池电压仍处于稳定调整期，对开路电压法的信任度较低；本实施例中γ2的取值范围为[0.01～0.05]，μ1小于0.5；

第十二步，判断累计闲置时长j是否大于等于所述第二预设值，若是进入第十三步，此处的第二预设值是基于电压稳定曲线及经过大量测试后得出的推荐值；

第十三步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{min{(u/x-uxmin)/(uxmax-uxmin)*μ2+(1-μ2)*ave,1},soc(i-1)}，该公式类似第十一步，不同之处在于权系数的调整及前稳定补偿的取消，因为电池已经在闲置状态累计1小时，此时电池电压逐渐趋于稳定，对电池电压法的计算结果应该更加信任，所以信任度从原来的μ1提高到μ2，而对平均值(经验)的信任度从1-μ1降低到1-μ2，同时取消了前稳定补偿γ2，因为电池闲置1小时不再需要此补偿值了；本实施例中，μ1<μ2且μ2≥0.5。

第十四步，使累计闲置时长j归零，即令j＝0，进入第十五步，也就是说，一旦离开闲置状态，则闲置累计j就会归零，下次重新累计；

第十五步，判断式[u(i)<(soc(i-1)*(uxmax-uxmin)+uxmin)*x]是否成立，若是则进入第十六步，否则进入第十七步，本式左边是i时刻的电池电压值，右侧是根据上一时刻剩余电量soc(i-1)和开路电压法反推的“剩余电量等效电压”，目的是实时对剩余电量进行调整确保计算准确；

第十六步，令soc(i)＝max{soc(i-1)-1/c,0}，此时电池电压小于剩余电量等效电压，一般有两种情况，一种情况是电池处用使用状态，电池使用时会把电池电压拉低，另一种情况是上一时刻计算的剩余电量过大，这两种情况都需要把剩余电量值变小，式中max用于确保剩余电量始终大于0，max左侧表示本次剩余电量等于上次剩余电量减1/c，式中c为放电时间，由下式自动获取：

c＝rc*(cr+(1-cr)*res/total)/da/p*60*k

其中，rc表示电池的额定容量；res表示电池剩余寿命；total表示标准规定的电池总的寿命，如din标规定的电池总的寿命为1500次；cr表示电池使用total次后实际容量与额定容量的比值，可设置为标准值0.8；da表当前时刻之前n分钟的平均使用电流，建议n＝10，使用平均电流表示仅统计使用状态下的平均电流值；p为似peukert指数，此处将其线性化处理后p为da的一次方程、二次方程或三次方程，如p＝1.5/rc*da+0.7或p＝(-0.002*da³+1.042*da²-121.3*da+11987)/10000；60表示60分钟；k表示折损系数，取值范围为[0.9～1]。

具体的，电池总寿命是指蓄电池总的寿命，一般可由电池设计标准决定，比如din标规定1500次，gb规定800次；起始寿命是指安装本实施例的电池监控系统时铅酸蓄电池的已用寿命，对新电池起始寿命是零，对旧电池可根据以往使用习惯给出估计值；已用寿命是指从安装电池监控系统起铅酸蓄电池经历的循环寿命次数与起始寿命之和；一个充电到100％并放电到20％的标准充放电循环等效于一个已用经历的循环寿命次数，非标准的充放电循环需要和经历的循环寿命次数之间需要作相应转换(具体如后面bie的计算公式)；丢失寿命是指因不合理使用而导致的蓄电池经历的循环寿命次数丢失，比如一般认为温度每升高十度，蓄电池的经历的循环寿命次数会减半等，丢失寿命意在告诉用户不合理使用电池会导致电池循环寿命的丢失，并且显示出每一个丢失寿命是由哪些异常引起的；剩余寿命是指蓄电池还能够继续使用的经历的循环寿命次数。本实施例中，剩余寿命＝总寿命-已用寿命-丢失寿命。

本实施例中，所述基于电池经历的充放电循环次数计算出电池经历的循环寿命次数，具体包括：

计算单次充放电循环对应的循环寿命次数，如下：

其中，μidod为单次充放电循环对应的放电深度；μmin表示标准充放电循环中的最小剩余电量百分比，μmax表示标准充放电循环中的最大放电百分比，μmin+μmax＝100％；λ为补偿系数，使得bie满足小于等于μmax大于等于μmin；本实施例中，μmin等于20％，μmax等于80％，一个充电到100％并放电到20％的标准充放电循环等效于一个已用经历的循环寿命次数。

根据单次充放电循环对应的循环寿命次数计算出电池经历的循环寿命次数，如下：

其中，m表示电池经历的充放电循环次数。

本实施例中，基于电池异常使用因素，计算出电池的丢失寿命，表示如下：

l＝λ1x1+λ2x2+λ3x3+λ4x4+λ5x5+λ6x6

其中，x1表示因缺水引起的丢失寿命次数，λ1表示缺水因素的权重；x2表示因高温引起的丢失寿命次数，λ2表示高温因素的权重；x3表示因过度放电引起的丢失寿命次数，λ3表示过度放电因素的权重；x4表示因充电不足引起的丢失寿命次数，λ4表示充电不足的权重；x5表示因单体电压不均衡引起的丢失寿命次数，λ5表示单体电压不均衡因素的权重；x6表示因待机过久引起的丢失寿命次数，λ6表示待机过久因素的权重。本实施例中，λ2和λ3分可分别取1，λ1、λ4、λ5、λ6的取值范围为[0，0.5]。

进一步的，所述因高温引起的丢失寿命次数x2通过如下方式表示：

x2＝t/30/24*be1

其中，t表示高温时长；30表示30天；24表示24小时；be1表示每月经历的循环寿命次数，m表示电池经历的充放电循环次数，s表示电池已使用的月份数(如电池已使用了3个月，s即为3)；bie表示单次充放电循环对应的循环寿命次数。

具体的，所述高温时长t分为三个等级，分别为温度大于第一预设温度的高温时长t11，温度大于第二预设温度的高温时长t12，温度大于第三预设温度的高温时长t13，且t与t11、t12及t13满足线性多元函数关系，具体如下：

t＝k1t11+k2t12+k3t13

其中，第一预设温度小于第二预设温度，第二预设温度小于第三预设温度；k1、k2和k3分别为等级温度的影响系数，k1<k2<k3。本实施例中，所述第一预设温度可以为45度，所述第二预设温度为55度，所述第三预设温度为65度。

进一步的，所述因过度放电引起的丢失寿命次数x3通过如下方式表示：

其中，m表示表示电池经历的充放电循环次数；

clodi通过如下方式表示：

其中，j1、j2和j3为根据放电深度与寿命曲线获得的回归系数，放电深度与寿命的曲线能够从生产厂商获取；μidod为单次充放电循环对应的放电深度，μmax表示标准充放电循环中的最大放电百分比；本实施例中，μmax等于80％，一个充电到100％并放电到20％的标准充放电循环等效于一个已用经历的循环寿命次数，即有μidod处于上述80％～100％之间时才属于过度放电。本实施例中，所述j1的取值范围为[-0.2，-0.1]，所述j2的取值范围为[0.1，0.2]，所述j3的取值范围为[-2，-1]。

当然，如果不考虑res的计算，即始终将电池认为是新电池，则res可直接取值为din标规定的电池总的寿命为1500次。

第十七步，判断式[u(i)>(soc(i-1)*(uxmax-uxmin)+uxmin)*x]是否成立，若是进入第十八步，否则进入第二十一步，此时电池电压大于剩余电量等效电压，表示电池处于充电状态或上一时刻剩余电量计算值偏小，需要提高剩余电量；

第十八步，判断[u(i)>rv*x]是否成立，若是进入第十九步，否则进入第二十步，式中rv为电池单体复位电压，一般取2.45，x为单体个数；

第十九步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{soc(i-1)+1％,1}，此时电池电压超过复位电压，表示电池电量已经饱和，因此若未饱和，则应以较快速度使电池尽快满电，本例中以每分钟1％的速度使电池尽快满电；

第二十步，令本时刻剩余电量soc(i)＝min{soc(i-1)+1/ct,1}，式中ct充电时间，单位为分钟，这个值可以设为变量允许用户自行输入，一般可设为600；

第二十一步，令本时刻剩余电量soc(i)＝soc(i-1)，此时剩余电量等效电压与实测电压相等。

参见图4所示是电池监控系统实际采集的部分数据内容，通过excelvba使用图2所述方法对采集数据进行实际计算(需要说明的是，对剩余电量进行计算时，可以通过其他编程语言实现，本发明实施例不做具体限制)，计算结果如图5所示，本发明实施例计算出的soc剩余电量与叉车上的soc值基本一致，表明了本发了方法的可靠性。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。