一种铅酸电池充电阶段SOC预测曲线的修正方法及装置与流程

一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法及装置
技术领域
1.本发明涉及电池soc预测技术领域，尤其涉及一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法及装置。


背景技术：

2.铅酸电池soc(state of charge)是表示电池状态的重要指标，也用作表示电池的剩余容量，soc是铅酸电池管理系统充放电控制的重要依据。通常情况soc值无法经仪器直接测量，主要通过电池端电压、充放电电流、温度等参数进行估算。精确预测电池的剩余容量保证电池soc维持在合理的范围，精确的管控电池的充放电程度，可以延长电池的使用寿命、降低电池的维护成本，为更加合理使用电池提供重要的技术支撑。另外，铅酸电池作为重要设备广泛的应用到机车和电车上，精确预测电池soc可为整车的能量管控提供重要的保证。
3.国内外对铅酸电池soc的估算已有大量的研究成果，目前应用较多的预测soc的方法主要有安时法、开路电压法、线性模型法、卡尔曼滤波算法、神经网络和模糊法等等。安时法检测方法简单、容易实现，但是需要较为准确的soc值，否则误差累计越来越大；开路电压法比较简单，但是由于极化作用使电池达到稳定的开路电压的时间较长；线性模型法是建立当前时刻所求soc和电流电压及前一时刻soc的线性关系，估算soc值；卡尔曼滤波算法、神经网络和模糊法是为了提高soc估算精度而提出的新的研究热点，尚未得到广泛的应用。
4.传统的铅酸电池充电方法主要有恒流充电、恒压充电、恒流转恒压二阶段充电方式等。恒流转恒压二阶段充电法是在充电前期用恒流对电池充电到某一设定的电压值，然后再以该电压值进行恒压充电，直至电池充满。在二阶段充电法的改进基础上产生了三阶段充电法，其考虑了电池的自放电现象，具体过程是在两阶段中的恒压充电末期，当检测到充电电流小于预定值时，设定一个浮充电压，对电池进行浮充充电。电池充满以后，还持续充电。这些传统的充电方法控制电路容易实现、应用广泛，但是没有考虑电池内部反应特性进行合理充电，无法精确控制充电程度，不可避免的存在极化现象、极化引起析气现象。常规充电阶段并没有考虑极化现象的存在，因此所预测的soc并不十分准确。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法及装置。
6.本发明实施例提供一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法，包括：
7.获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，所述属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；
8.确定所述平均电流的电流方向及电流时间，根据所述电流方向及电流时间判断所述电池组是否处于充电状态，并当所述电池组处于充电状态时，获取所述电池组的显示soc值；
9.当所述显示soc值小于30％时，采用插值法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；
10.当所述显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；
11.当所述显示soc值大于80％时，获取所述电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将所述实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据所述坐标点对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
12.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
13.建立soc与所述电池组中的单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论关系；
14.根据所述属性数据及理论关系，对充电曲线做插值处理估计预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
15.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
16.采集显示soc值对应的开路电压值，根据所述显示soc值及开路电压值拟合ocv-soc曲线，并通过所述ocv-soc曲线查找当前电压对应的soc；
17.获取安时积分法对应的预设公式，结合当前电压对应的soc，计算得到预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
18.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
19.根据对比结果确定所述电池组的析气点，将所述析气点的soc值修正为100％，并根据所述析气点对所述电池组的soc进行重新标定，得到修正后的soc预测曲线
20.在其中一个实施例中，所述方法还包括：
21.改变所述电池组的充放电条件，对所述电池组进行循环充电试验，获取所述循环充电试验的试验数据；
22.计算所述试验数据的平均值，得到所述电池组的属性数据。
23.本发明实施例提供一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正装置，包括：
24.获取模块，用于获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，所述属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；
25.判断模块，用于确定所述平均电流的电流方向及电流时间，根据所述电流方向及电流时间判断所述电池组是否处于充电状态，并当所述电池组处于充电状态时，获取所述电池组的显示soc值；
26.第一修正模块，用于当所述显示soc值小于30％时，采用插值法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；
27.第二修正模块，用于当所述显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；
28.第三修正模块，用于当所述显示soc值大于80％时，获取所述电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将所述实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据所述坐标点对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
29.在其中一个实施例中，所述装置还包括：
30.建立模块，用于建立soc与所述电池组中的单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论关系；
31.估计模块，用于根据所述属性数据及理论关系，对充电曲线做插值处理估计预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
32.在其中一个实施例中，所述装置还包括：
33.采集模块，用于采集显示soc值对应的开路电压值，根据所述显示soc值及开路电压值拟合ocv-soc曲线，并通过所述ocv-soc曲线查找当前电压对应的soc；
34.计算模块，用于获取安时积分法对应的预设公式，结合当前电压对应的soc，计算得到预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
35.本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法的步骤。
36.本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法的步骤。
37.本发明实施例提供的一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法及装置，获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；确定平均电流的电流方向及电流时间，根据电流方向及电流时间判断电池组是否处于充电状态，并当电池组处于充电状态时，获取电池组的显示soc值；当显示soc值小于30％时，采用插值法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值大于80％时，获取电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据坐标点对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。这样能够针对性对根据铅酸电池的特性进行分类修正soc曲线，保证修正结果的准确性更高。
附图说明
38.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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明实施例中一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法的流程图；
40.图2为本发明实施例中一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正装置的结构图；
41.图3为本发明实施例中电子设备结构示意图。
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
43.图1为本发明实施例提供的电池组充放电过程中的一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法，包括：
44.步骤s101，获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，所述属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度。
45.具体地，检测到用户充电时，改变电池组的充放电条件，对电池组进行循环充电试验，获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，比如选用额定电压为12v、额定容量为20ah的铅酸电池，以及多功能电池测量系统对电池进行多次充放电试验。电池在使用时，经常需要高电压和大容量，为了满足这一需求，电池在使用时要将单体电池串联或者并联组合以提高电压和电量，获取循环充电试验的试验数据；在经过多组循环充试验后，比如电池快速充放电、慢充慢放、慢充快放等，获取了大量充放电试验数据，获得电池组平均电流i、电池单体电压v，电池容量q，温度t等参数数据，计算试验数据的平均值，得到电池组的属性数据。
46.步骤s102，确定所述平均电流的电流方向及电流时间，根据所述电流方向及电流时间判断所述电池组是否处于充电状态，并当所述电池组处于充电状态时，获取所述电池组的显示soc值。
47.具体地，在得到电池组的属性数据后，根据当前的电流方向和电流持续时间t判断电池是处于充电还是放电状态，其中，电流方向为负、电流值小于零且持续时间t大于等于1分钟，表明电池处于充电状态；电流方向为正，电流值大千零且持续时间t大于等于1分钟，表明电池处于放电状态，并根据当前情况下的电池组的属性数据显示的soc值，其中，显示soc值为大约数值，并在后续对不同的soc百分比区间通过不同的针对性方法进行修改。
48.步骤s103，当所述显示soc值小于30％时，采用插值法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
49.具体地，当显示soc值小于30％时，采用插值法对显示soc值进行修正，具体的步骤可以包括：
50.建立soc、电池容量与电池单体充电时间间隔差异曲线的斜率和截距的理论对应关系：
51.qj＝(k+1)q052.soc与截距、斜率的关系：
[0053][0054]
qj为待测电池单体j的容量，q0为基准电池单体的容量，socj是待测电池单体的soc值，soc0是基准单体的soc值，i是充电时的电流，k为曲线的斜率，b为曲线的截距。
[0055]
根据充电数据，电池组所有单体中第一个到达充电截止电压的单体叫做基准单体；其余即为待测单体。
[0056]
用插值法将待测单体不同时刻的电压插值到基准单体上我们就可以得到不同的充电时刻的时间间隔，然后对其进行一次线性拟合，便可得到单体充电时间间隔差异曲线，该曲线随着充电时间不断变化。
[0057]
该曲线为：δt＝kt+b。
[0058]
其中，δt为单体充电时间间隔，t是单体充电时间。
[0059]
将该曲线与插值法得到修正后的基准单体充电曲线进行线性拟合，得到斜率k和截距b。
[0060]
通过电池容量与soc以及单体充电时间间隔差异曲线的斜率与截距关系，计算得到待测单体soc值和电池容量，通过soc值对显示soc值进行修正。
[0061]
步骤s104，当所述显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0062]
具体地，当显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对显示soc值进行修正，具体步骤可以包括：
[0063]
用一阶戴维宁等效模型模拟电池，然后通过循环放电实验对等效模型参数进行识别。
[0064]
r1为欧姆内阻，引起电池充放电瞬间端电压的突变；r2、c1分别为极化电阻和极化电容。
[0065]
对于非线性系统，扩展卡尔曼滤波的离散状态空间模型如下：
[0066]
x
t
＝f(x
t-1
，u
t-1
)+w
t-1
[0067]yt
＝g(x
t
，u
t
)+v
t
[0068]
f(x
t-1
，u
t-1
)和g(x
t
，u
t
)分别为非线性系统的状态转移函数和观测函数。
[0069]
将其转化为如下所示的soc估算中的扩展卡尔曼滤波法的离散模型：
[0070][0071][0072]
soc
t
为t时刻的soc值，soc
t-1
为t-1时刻的soc值，u
c，t
为t时刻极化电容两端电压，r2为极化电阻，w
1，t-1
、w
2，t-1
为t-1时刻过程噪声，v
t
为观测噪声，qr为额定容量，c为电容，i
t
为t时刻流过电路的电流。
[0073]
结合识别的参数和以上离散模型，对soc的计算流程如下：
[0074][0075]
其中为先验估计值，为先验估计误差协方差矩阵，c
t
为t时刻观测矩阵，k
t
为增益系数，为t时刻的最优值，p
t
为协方差误差矩阵。a
t-1
、b
t-1
、c
t
分别为t-1时刻状态转移矩阵、t-1时刻状态量控制矩阵、t时刻观测矩阵，均由系统特性所决定。
[0076]
步骤s105，当所述显示soc值大于80％时，获取所述电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将所述实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据所述坐标点对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0077]
具体地，当显示soc值大于80％时，通过马斯定律确定预计电流曲线，包括：
[0078]
马斯定律描述了蓄电池容量、充放电过程以及最大可接受充电电流之间的数量关系，提出了以最低出气率为前提的蓄电池可接受充电曲线，也称为蓄电池的固有充电曲线。当充电电流在该曲线以下时，蓄电池只产生微量析气；当充电电流在曲线以上时，不仅充电速度不会加快，还会发生严重的电解水反应，析出大量氢气和氧气。蓄电池的充电可接受电流曲线可用下式表示：
[0079]
i＝i0e-βt
，
[0080]
式中：i——蓄电池可接受的充电电流；
[0081]
i0——t＝0时最大充电电流；
[0082]
β——电池充电电流的接受比，又称固有接受比，β＝i0/c，c为电池；
[0083]
的额定容量；
[0084]
t——充电时间；
[0085]
然后根据实验采集到的实际充电电流，确定实际电流曲线和可接受(预计)电流曲线，对两者充电后期的曲线进行比较，确定出电池开始大量析气的点，将该点的soc值修正为100％，对电池的soc重新进行标定，得到修正后的soc预测曲线。
[0086]
另外，还可以引入老化指标λ，根据现在的电压，温度，电压变化值，充电容量，通过对电池进行多组实验，得到电池老化指标与温度、电压、老化程度的四维数据表，查表判断电池老化状况。
[0087]
老化状况越严重，同一电压下的充电容量越少，根据容量衰减情况，修正电池充电电流大小及充电时间，使soc估计更加精确。
[0088]
本发明实施例提供的一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法，获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；确定平均电流的电流方向及电流时间，根据电流方向及电流时间判断电池组是否处于充电状态，并当电池组处于充电状态时，获取电池组的显示soc值；当显示soc值小于30％时，采用插值法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值大于80％时，获取电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据坐标点对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。这样能够针对性对根据铅酸电池的特性进行分类修正soc曲线，保证修正结果的准确性更高。
[0089]
图2为本发明实施例提供的一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正装置，包括：获取模块s201、判断模块s202、第一修正模块s203、第二修正模块s204、第三修正模块
s205，其中：
[0090]
获取模块s201，用于获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，所述属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度。
[0091]
判断模块s202，用于确定所述平均电流的电流方向及电流时间，根据所述电流方向及电流时间判断所述电池组是否处于充电状态，并当所述电池组处于充电状态时，获取所述电池组的显示soc值。
[0092]
第一修正模块s203，用于当所述显示soc值小于30％时，采用插值法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0093]
第二修正模块s204，用于当所述显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0094]
第三修正模块s205，用于当所述显示soc值大于80％时，获取所述电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将所述实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据所述坐标点对所述显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0095]
在一个实施例中，装置还可以包括：
[0096]
建立模块，用于建立soc与所述电池组中的单体充电时间间隔差异曲线斜率和截距的理论关系。
[0097]
估计模块，用于根据所述属性数据及理论关系，对充电曲线做插值处理估计预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
[0098]
在一个实施例中，装置还可以包括：
[0099]
采集模块，用于采集显示soc值对应的开路电压值，根据所述显示soc值及开路电压值拟合ocv-soc曲线，并通过所述ocv-soc曲线查找当前电压对应的soc。
[0100]
计算模块，用于获取安时积分法对应的预设公式，结合当前电压对应的soc，计算得到预测soc值，通过所述预测soc值对所述显示soc值进行修正。
[0101]
在一个实施例中，装置还可以包括：
[0102]
标定模块，用于根据对比结果确定所述电池组的析气点，将所述析气点的soc值修正为100％，并根据所述析气点对所述电池组的soc进行重新标定，得到修正后的soc预测曲线。
[0103]
关于一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正装置的具体限定可以参见上文中对于一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正方法的限定，在此不再赘述。上述一种铅酸电池充电阶段soc预测曲线的修正装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
[0104]
图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)301、存储器(memory)302、通信接口(communications interface)303和通信总线304，其中，处理器301，存储器302，通信接口303通过通信总线304完成相互间的通信。处理器301可以调用存储器302中的逻辑指令，以执行如下方法：获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；确定平均电流
的电流方向及电流时间，根据电流方向及电流时间判断电池组是否处于充电状态，并当电池组处于充电状态时，获取电池组的显示soc值；当显示soc值小于30％时，采用插值法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值大于80％时，获取电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据坐标点对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0105]
此外，上述的存储器302中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0106]
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：获取检测仪器采集到的电池组的属性数据，属性数据包括平均电流、单体电压、电池容量、电池温度；确定平均电流的电流方向及电流时间，根据电流方向及电流时间判断电池组是否处于充电状态，并当电池组处于充电状态时，获取电池组的显示soc值；当显示soc值小于30％时，采用插值法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值在30％与80％之间时，采用扩展卡尔曼滤波法对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线；当显示soc值大于80％时，获取电池组的实际电流曲线，并根据马斯定律确定预计电流曲线，将实际电流曲线与所述预计电流曲线进行对比，根据对比结果确定soc值100％的坐标点，根据坐标点对显示soc值进行修正，得到修正后的soc预测曲线。
[0107]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0108]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0109]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。