一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法及系统与流程

本发明涉及电源管理领域，特别是涉及基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法及系统。

背景技术：

现有设备、仪器，甚至汽车都在大量使用电池供电，随着电池越来越多的使用，对电池剩余能量或者荷电状态的获取变得越来越迫切，且要求的精度也越来越高。对电池的容量估计影响因素较多，大多采用较复杂的数学运算或者复杂的电路模型确定电池的容量，复杂的数学运算需要耗费大量的资源，将导致电池的容量确定方法不利于工业化和市场化。

电池的容量与电池的使用寿命相关，虽然电池使用阶段前期表现不明显，但在产品使用寿命范围内，确定电池容量的同时需要考虑电池的容量，电池的寿命指的是电池的充放电循环次数。也就是随着电池充放电次数的增加，电池的容量会逐渐衰减。

现有技术中对电池剩余容量和荷电状态的确定方法具体包括安时法、开路电压法、电池模型法、卡曼滤波法或者神经网络法。由于成本等因素，市场上常见的方法大多基于安时积分法完成，而安时积分法能够容易做到积分电量准确，但是积分初值是否准确很难保证，所以安时积分法需要结合确定初值的方法，现有技术中的确定积分初值的方法准确度较低。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够提高电池荷电状态准确度的基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法，所述确定方法包括：

采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据；

提取所述满充荷电数据中的特征位置，获得基本特征位置，所述特征位置包括所述电芯的电压对时间的变化率的极值和拐点、所述电芯的电压对充电电量变化率的极值和拐点、所述电芯的荷电状态对电压变化率的极值和拐点；

将所述电芯应用到实际环境后，获得应用电芯；

判断所述应用电芯的充电状态是否充满，如果是，计算所述应用电芯的特征位置；否则，根据所述基本特征位置修正充电过程中的荷电状态。

可选的，所述采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据具体包括：

在环境温度t1恒定的环境中，将所述电芯充分放电后静置两个小时，获得放空电芯；

将所述放空电芯采用恒流恒压模式充电至满充状态，并采集充电过程中每秒的所述放空电芯的电压、所述放空电芯的电流和所述放空电芯的表面温度值；

根据所述放空电芯的电流采用电流积分获得任意时刻的充电电量和达到满充时充电总电量；

根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态；

对所述放空电芯的电压进行数据处理获得特征位置对应的荷电状态，获得特征荷电状态socidf。

可选的，所述根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态具体包括：

所述电芯达到满充状态后，从满充状态的所述电芯的荷电状态计算充电过程中位置p的荷电状态socp；

socp＝100％-pc/fcc；

其中，pc表示所述位置p到满充剩余的充电电量，fcc表示所述电芯从放空到满充的总充电量。

可选的，采集所述电芯充电至满充状态的荷电数据具体包括：

每隔一秒获取所述电芯端的电压值、充电电流值和环境温度值；

对所述电芯端的电压值、所述充电电流值和所述环境温度值进行数据拟合，获得拟合曲线。

一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定系统，所述确定系统包括：

数据采集模块，用于采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据；

特征位置提取模块，用于提取所述满充荷电数据中的特征位置，获得基本特征位置，所述特征位置包括所述电芯的电压对时间的变化率的极值和拐点、所述电芯的电压对充电电量变化率的极值和拐点、所述电芯的荷电状态对电压变化率的极值和拐点；

应用电芯获取模块，用于将所述电芯应用到实际环境后，获得应用电芯；

充电状态判断模块，用于判断所述应用电芯的充电状态是否充满；

特征位置计算模块，用于计算所述应用电芯的特征位置；

荷电状态修正模块，用于根据所述基本特征位置修正充电过程中的荷电状态。

可选的，所述数据采集模块具体包括：

电芯放电单元，用于在环境温度t1恒定的环境中，将所述电芯充分放电后静置两个小时，获得放空电芯；

恒流恒压单元，用于将所述放空电芯采用恒流恒压模式充电至满充状态，并采集充电过程中每秒的所述放空电芯的电压、所述放空电芯的电流和所述放空电芯的表面温度值；

电流积分单元，用于根据所述放空电芯的电流采用电流积分获得任意时刻的充电电量和达到满充时充电总电量；

荷电状态计算单元，用于根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态；

数据处理单元，用于对所述放空电芯的电压进行数据处理获得特征位置对应的荷电状态，获得特征荷电状态socidf。

可选的，所述数据采集模块具体包括：

数据获取单元，用于每隔一秒获取所述电芯端的电压值、充电电流值和环境温度值；

数据拟合单元，用于对所述电芯端的电压值、所述充电电流值和所述环境温度值进行数据拟合，获得拟合曲线。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法及系统。所述确定方法包括：提取所述满充荷电数据中的特征位置，获得基本特征位置，所述特征位置包括所述电芯的电压对时间的变化率的极值和拐点、所述电芯的电压对充电电量变化率的极值和拐点、所述电芯的荷电状态对电压变化率的极值和拐点；通过判断所述应用电芯的充电状态是否充满，提高了安时积分法的积分电量的准确度，提高了未充满处积分初值的精确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法的流程图；

图2为本发明提供的基于充电电压特性的电池荷电状态确定系统的组成框图；

图3为本发明提供的荷电状态的修正效果示意图；

图4为本发明提供的300次充放电循环老化电芯荷电状态的第一调整效果图；

图5为本发明提供的300次充放电循环老化电芯荷电状态的第二调整效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够提高电池荷电状态准确度的基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法及系统。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定方法，所述确定方法包括：

步骤100：采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据；

步骤200：提取所述满充荷电数据中的特征位置，获得基本特征位置，所述特征位置包括所述电芯的电压对时间的变化率的极值和拐点、所述电芯的电压对充电电量变化率的极值和拐点、所述电芯的荷电状态对电压变化率的极值和拐点；

步骤300：将所述电芯应用到实际环境后，获得应用电芯；

步骤400：判断所述应用电芯的充电状态是否充满，如果是，执行步骤500，否则，执行步骤600；

步骤500：计算所述应用电芯的特征位置；

步骤600：根据所述基本特征位置修正充电过程中的荷电状态。

所述步骤100：采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据具体包括：

在环境温度t1恒定的环境中，将所述电芯充分放电后静置两个小时，获得放空电芯；

将所述放空电芯采用恒流恒压模式充电至满充状态，并采集充电过程中每秒的所述放空电芯的电压、所述放空电芯的电流和所述放空电芯的表面温度值；

根据所述放空电芯的电流采用电流积分获得任意时刻的充电电量和达到满充时充电总电量；

根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态；

对所述放空电芯的电压进行数据处理获得特征位置对应的荷电状态，获得特征荷电状态socidf。

所述根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态具体包括：

所述电芯达到满充状态后，从满充状态的所述电芯的荷电状态计算充电过程中位置p的荷电状态socp；

socp＝100％-pc/fcc；

其中，pc表示所述位置p到满充剩余的充电电量，fcc表示所述电芯从放空到满充的总充电量。

采集所述电芯充电至满充状态的荷电数据具体包括：

每隔一秒获取所述电芯端的电压值、充电电流值和环境温度值；

对所述电芯端的电压值、所述充电电流值和所述环境温度值进行数据拟合，获得拟合曲线。

将电芯电压以n毫伏等间隔取值v1,v2,...,vi,vi+1,...并取值对应的soc记为soc1,soc2,...,soci,soci+1,...，计算查找δsoci＝soci-soci-1和soci的关系即可发现特征位置，且可能存在多个特征位置。本发明选择将δsoci存于长度为10的数组中，充电过程中时时滚动更新该数组中的值，即舍弃最先得到的旧值，将剩余数值前移一个位置，并在最后一个空位加入新值，始终保持数组中存在10个δsoci值(当前电压和当前电压-10*n毫伏这段区间内的10个值)。

当数组中10个数均有效(非0)时，开始查找该数组中最大值的索引值，若第一次出现该索引值为5时，且随后2个值均不超过此最大值，则记录此时对应的soc，记为socidf，并将其存储于对应的只读存储器的位置。

若充电发生满充，则按照上述方法确定socidf，并将其存储于相应的rom变量中，若原rom位置已有旧值则更新为当前新值。不同的rom位置对应着不同的充电电流和温度。若充电未满充则利用之前获取的特征位置socidf修正当前充电soc。

充电未满充时容量计需要给出充电结束后准确的soc，但仅靠电流积分和一个不精确的积分初值(充电之前静置条件下由电压得到)很难保证充电结束后的soc精度，根据当前的充电环境从相应的只读存储器的位置获取socidf，然后由此值为积分初值和之后的电流积分计算修正得到充电结束后准确的soc。

电芯满充电压为4.2v，放空电压为2.5v，额定容量为2700mah，使用温度范围是-20℃～60℃，标准充电电流为0.5c。

环境温度为10℃时，将该电芯放空，静置2小时后，对其使用标准充电电流0.5c进行恒流恒压模式充电，至充满，期间记录每秒电芯端电压、充电电流、表面温度值。

对记录数据进行处理，首先将每秒电流积分电量求出累积到对应时刻中可观察到充电电量不断增加至满充时达到最大值，此值即总充电电量fcc。

将每秒累积电量除以fcc得到每秒对应的soc实际值。

将充电过程中电芯端电压等间隔8mv取对应位置的soc值，并将相邻得到的soc做差即soc当前值减去上一个soc值，即δsoci＝soci-soci-1。

为了提高计算的精度，选择3mv间隔的三个电压初值(v＝3000mv,v+3mv＝3003mv,v+6mv＝3006mv)开始依次以8mv间隔向后等间隔取值n次得到3n个数据。对应的soc见表1。

表1

如图3所示的修正效果示意图，判断本发明方法修正的正确性，将修正后的状态继续充电至满充状态，观察soc若在满充时刚好到达100％，且无明显跳变现象，则证明修正效果良好。由图可见，在特征点修正前soc计算值与soc真实值之间存在绝对误差1.5％～2％，修正后仅有0.13％的绝对误差，修正后的soc直到满充也无明显跳变，并最终达到99.9％，修正效果良好。

如图4和图5所示，电芯做300次循环充放电后，特征点修正位置对经过300次充放电循环老化的电芯充电过程仍然具有较高的修正精度，修正后误差仅为0.49％和0.52％。修正前误差是充电之前静置下soc的调整产生的，特征点修正的目的就是为了排除这种误差，为了节省开销和避免出错，可选择，若发现通过socidf修正前后的soc变化小于1％或大于8％则放弃本次调整。

如图2所示，本发明还提供了一种基于充电电压特性的电池荷电状态确定系统，所述确定系统包括：

数据采集模块1，用于采集电芯充电至满充状态的荷电数据，获得满充荷电数据；

特征位置提取模块2，用于提取所述满充荷电数据中的特征位置，获得基本特征位置，所述特征位置包括所述电芯的电压对时间的变化率的极值和拐点、所述电芯的电压对充电电量变化率的极值和拐点、所述电芯的荷电状态对电压变化率的极值和拐点；

应用电芯获取模块3，用于将所述电芯应用到实际环境后，获得应用电芯；

充电状态判断模块4，用于判断所述应用电芯的充电状态是否充满；

特征位置计算模块5，用于计算所述应用电芯的特征位置；

荷电状态修正模块6，用于根据所述基本特征位置修正充电过程中的荷电状态。

所述数据采集模块具体包括：

电芯放电单元，用于在环境温度t1恒定的环境中，将所述电芯充分放电后静置两个小时，获得放空电芯；

恒流恒压单元，用于将所述放空电芯采用恒流恒压模式充电至满充状态，并采集充电过程中每秒的所述放空电芯的电压、所述放空电芯的电流和所述放空电芯的表面温度值；

电流积分单元，用于根据所述放空电芯的电流采用电流积分获得任意时刻的充电电量和达到满充时充电总电量；

荷电状态计算单元，用于根据所述任意时刻的充电电量和所述达到满充时充电总电量计算任意时刻所述放空电芯的荷电状态；

数据处理单元，用于对所述放空电芯的电压进行数据处理获得特征位置对应的荷电状态，获得特征荷电状态socidf。

所述数据采集模块具体包括：

数据获取单元，用于每隔一秒获取所述电芯端的电压值、充电电流值和环境温度值；

数据拟合单元，用于对所述电芯端的电压值、所述充电电流值和所述环境温度值进行数据拟合，获得拟合曲线。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。