一种电池荷电量的估算方法
【专利摘要】本发明提供一种电池荷电量的估算方法，包括以下步骤：当电池处于静态，以开路电压法获得电池的荷电量；当电池处于动态，根据离线获得的估算公式获得电池的荷电量。本发明提供的电池荷电量的估算方法,能够很有效地减少在线估算SOC时的计算量，减少对计算资源的消耗以及储存空间的占用，减少设备能耗，提高SOC估算速度。
【专利说明】
_种电池荷电量的估算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电池测量领域，具体涉及一种电池荷电量的估算方法。
【背景技术】
[0002] 铅酸电池（Valve Regulated Lead Acid Battery，VRLA)的电极主要由铅及其氧 化物制成，电解液是硫酸溶液。在放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为 铅;充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。
[0003] 铅酸电池具有安全密封、维护简单、使用寿命长、质量稳定、可靠性高等优点，已被 广泛应用于电信、备用电源(UPS)、电子开关系统、新能源发电系统、电力控制机车等领域。
[0004] 铅酸电池以电化学方式进行储能，因此内部剩余的化学能是不能直接测量的。并 且，由于铅酸电池化学能与电能的相互转换过程是不完全可逆的，导致铅酸电池内部可转 换的化学能随着铅酸电池的使用次数和使用时间，储存时间的增加而衰减。同样，由于化学 特性的决定，环境温度变化会对影响到铅酸电池内部化学能的转换速率及活动性，从而会 对铅酸电池的充放电速度、效率，电池的容量产生一定的影响。
[0005] 目前已有的储能电池S0C(State of Charge，荷电状态，即电池剩余电量)估算方 法有：
[0006] (1)安时积分法:安时积分法是最常用和最简单的S0C估算方法。另充放电起始状 态为socQ，电池额定容量为cN，电池电流为I，电池充放电效率为η，那么当前状态下电池的
[0007] (2)开路电压法:开路电压法是利用电池的开路电压与电池的荷电量之间的对应 关系，通过测量电池的开路电压来估算S0C的一种方法。开路电压法的精度高、操作简单，同 时需要静止较长时间来得到稳定的开路电压值。
[0008] (3)内阻法:研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性，通过测量电 池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池完全充电（充满)和完全放电（放完)时，其内阻 相差2-4倍左右。随着电池充电过程的进行，内阻逐步减小;随着放电过程的进行，内阻逐步 增大。另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，其剩余电量也随之下降。
[0009] (4)卡尔曼滤波法:卡尔曼滤波法是一种以最小均方误差为估计的最佳准则，来寻 求一套递推估计的算法，需要占用非常多的计算及存储资源;应用该算法对系统计算能力、 硬件条件、实验设计等整体要求较高。
[0010]上述估算方法存在以下问题：
[0011] (1)安时积分法
[0012] ?相对于四则运算积分算法占用更多计算及储存数据资源；
[0013] ?属于一种开环预测方法，若电流测量不准，将造成S0C计算误差，长期积累，误差 越来越大；
[0014] ?要考虑电池充放电效率;在高温状态和电流波动剧烈的情况下，误差较大；
[0015] ?电流测量可通过使用高性能电流传感器解决，但成本增加；
[0016] ?解决电池充放电效率要通过事前大量实验，建立电池充放电效率经验公式。
[0017] ⑵开路电压法
[0018] ?需要电池长时静置，以达到电压稳定，电池状态从工作恢复到稳定，需要几个小 时甚至十几个小时，这给测量造成困难；
[0019] ?静置时间如何确定本身也是一个问题，需要通过一定次数的实验或经验才能确 定。
[0020] (3)内阻法
[0021] 1.内阻法存在着估算内阻的困难，在硬件上也难以实现。
[0022] (4)卡尔曼滤波法
[0023] 2.由于系统设置困难，而且在电池管理系统中应用时成本很高，不具备优势。
[0024] 因此，本领域技术人员致力于不仅能在静止状态下对铅酸电池剩余容量进行估 算，又不需要经过长时间的积分累积的铅酸电池剩余容量的估算方法。
【发明内容】
[0025] 鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种电池荷电量的估算方法， 不仅能在静止状态下对铅酸电池剩余容量进行估算，而且当铅酸电池处于充放电状态时， 不需要经过长时间的积分累积，在取得稳定的电压电流值的同时就能够迅速估算出当前电 池的剩余容量，避免了长时间安时积分法带来的累积误差及储存计算空间的资源占用问 题。
[0026]在估算动态S0C时，通常是使用安时积分法并结合相应的算法来修正数据到当前 S0C值。为了得到相对准确的结果，通常会进行大量的在线计算，因此会占用一部分计算资 源。
[0027] 本发明提供的电池荷电量的估算方法，将复杂的计算转移至线下，提前处理，当电 池充放电时，只需测量当前电压电流值就能根据已得到的公式估算出当前S0C。
[0028] 本发明提供一种电池荷电量的估算方法，包括以下步骤：
[0029] (1)当电池处于静态，以开路电压法获得电池的荷电量；当电池处于动态，根据离 线获得的估算公式获得电池的荷电量。
[0030]进一步地，估算公式为：
[0031] S0C = k*(V/I)-b，
[0032] 其中，S0C为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流的函数。
[0033] 进一步地，步骤(1)根据估算公式获得电池的荷电量的方法包括以下步骤：
[0034] (11)采集电池的电压、电流以及环境温度；
[0035] (12)将采集的电压、电流以及环境温度，带入估算公式，获得电池的荷电量。
[0036]进一步地，k为电流的一次函数。
[0037]进一步地，b为电流的一次函数。
[0038] 进一步地，估算公式还包括温度调整系数f:
[0039] f=(l-T/T0)e
[0040] 其中，T为环境温度，TO为电池冰点温度，ε为经验值。
[0041 ]进一步地，步骤(1)中估算公式离线获得的方法为：
[0042] (13)在不同环境温度下，获得电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线，得到估算 公式：
[0043] S0C = k*(V/I)-b
[0044] 其中，S0C为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流的函数。
[0045] 进一步地，步骤（13)中获得电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线的方法包括 以下步骤：
[0046] (131)利用电池电量监测装置，对电池进行不同电流的充电测试或放电测试，收集 电池数据，电池数据包括电压、电流及荷电量S0C;
[0047] (132)根据电池数据，拟合出电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线：
[0048] S0C = k(V/I)-b。
[0049] 进一步地，步骤(1)中根据开路电压获得电池的荷电量的方法包括以下步骤：
[0050] (14)采集电池开路电压；
[00511 (15)根据开路电压与荷电量S0C的关系，获得电池的荷电量S0C。
[0052] 与现有技术相比，本发明提供的电池荷电量的估算方法，具有以下有益效果:能够 很有效地减少在线估算S0C时的计算量，减少对计算资源的消耗以及储存空间的占用，减少 设备能耗，提高S0C估算速度。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明的一个实施例的电池荷电量的估算方法的系统流程图；
[0054]图2是k和b随电流变化的曲线；
[0055] 图3是利用充电实验得到的估算公式进行估算的荷电量与实际荷电量的对比图；
[0056] 图4是利用放电实验得到的估算公式进行估算的荷电量与实际荷电量的对比图。
【具体实施方式】
[0057]本发明的一个实施例的电池荷电量的估算方法，包括以下步骤：
[0058] (1)当电池处于静态，以开路电压法获得电池的荷电量；当电池处于动态，根据离 线获得的估算公式获得电池的荷电量。
[0059]估算公式为：
[0060] S0C = k*(V/I)-b，
[00611其中，S0C为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流的函数。
[0062] 步骤(1)根据估算公式获得电池的荷电量的方法包括以下步骤：
[0063] (11)采集电池的电压、电流以及环境温度；
[0064] (12)将采集的电压、电流以及环境温度，带入估算公式，获得电池的荷电量。
[0065] k为电流的一次函数，k = xl*I+yl。
[0066] b为电流的一次函数，b = x2*I+y2。
[0067] 步骤(1)中估算公式离线获得的方法为：
[0068] (13)在不同环境温度下，获得电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线，得到估算 公式：
[0069] S0C = k*(V/I)-b
[0070] 其中，S0C为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流的函数。
[0071] 步骤(13)中获得电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线的方法包括以下步骤：
[0072] (131)利用电池电量监测装置，对电池进行不同电流的充电测试或放电测试，收集 电池数据，电池数据包括电压、电流及荷电量S0C;
[0073] (132)根据电池数据，拟合出电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线：
[0074] S0C = k(V/I)-b。
[0075] 步骤(1)中根据开路电压获得电池的荷电量的方法包括以下步骤：
[0076] (14)采集电池开路电压；
[0077] (15)根据开路电压与荷电量S0C的关系，获得电池的荷电量S0C。
[0078] 具体地，如图1所示，电池荷电量的估算方法，包括以下步骤：
[0079] (1)当电池处于静态，执行步骤(4);当电池处于动态，执行步骤(2);
[0080] (2)采集电池的电压、电流以及环境温度；
[0081 ] (3)将采集的电压、电流以及环境温度，带入估算公式，获得电池的荷电量S0C，执 行步骤(1);
[0082] (4)采集电池开路电压；
[0083] (5)根据开路电压与荷电量S0C的关系，获得电池的荷电量S0C，执行步骤(1)。
[0084] 离线获得估算公式，在不同电流的情况下对铅酸电池进行充放电实验，收集电压、 电流与荷电量数据，通过拟合得到不同充放电电流情况下V/1与荷电量S0C的关系，即估算 公式。
[0085] 这里荷电量数据可以使用电池电量监测装置获得。
[0086]具体地，在设定温度下，对12V100Ah铅酸电池进行充电实验。
[0087] 设定温度一般选择铅酸电池工作的温度，例如10°C。
[0088] 在铅酸电池的工作电流范围内，选择多个电流值进行进行充电实验，例如选择11 个电流值，得到对应于每个电流值的一组电压、电流与荷电量数据，利用数据预测或辅助工 具拟合出荷电量与V/I的关系，本实施例中使用EXCEL自带的趋势线功能进行拟合，得到以 下关系式，即估算公式：
[0089] S0Cl=kl(Vl/Il)-bl
[0090] S0C2 = k2(V2/I2)-b2
[0091] S0C3 = k3(V3/I3)-b3
[0092] S0C4 = k4(V4/I4)-b4
[0093] S0C5 = k5(V5/I5)-b5
[0094] S0C6 = k6(V6/I6)-b6
[0095] S0C7 = k7(V7/I7)-b7
[0096] S0C8 = k8(V8/I8)-b8
[0097] S0C9 = k9(V9/I9)-b9
[0098] S0C10 = kl0(V10/I10)-bl0
[0099] SOCll=kll(Vll/Ill)-bll
[0100] 其中k为：
[0101] kl =xl*Il+yl
[0102] k2 = x2*I2+y2
[0103] k3 = x3*I3+y3
[0104] k4 = x4*I4+y4
[0105] k5 = x5*I5+y5
[0106] k6 = x6*I6+y6
[0107] k7 = x7*I7+y7
[0108] k8 = x8*I8+y8
[0109] k9 = x9*I9+y9
[0110] kl0 = xl0*I10+yl0
[0111] kll=xll*Ill+yll
[0112] b为：
[0113] bl=ul*Il+vl
[0114] b2 = u2*I2+v2
[0115] b3 = u3*I3+v3
[0116] b4 = u4*I4+v4
[0117] b5 = u5*I5+v5
[0118] b6 = u6*I6+v6
[0119] b7 = u7*I7+v7
[0120] b8 = u8*I8+v8
[0121] b9 = u9*I9+v9
[0122] bl0 = ul0*I10+vl0
[0123] bll =ull*Ill+vll
[0124] 由此可以得到11组对应于不同充电电流的k和b的值，由这些值可以分别拟合出k 和b随电流变化的曲线，如图2所示。
[0125] 进行荷电量估算，首先利用k和b随电流变化的曲线，计算出k和b，再根据估算公式 估算出荷电量。
[0126] 荷电量随着温度的变化而变化，为了更准确地估算荷电量，在不同温度下进行充 电实验，获得温度调整系数f:
[0127] S0C = f*(k*(V/I)-b)
[0128] 这里温度调整系数f为温度与电池冰点温度的函数。
[0129] 电池冰点温度是指电池电解液的冰点温度。
[0130] 估算公式中温度调整系数f:
[0131] f=(l-T/T0)e
[0132] 其中，T为环境温度，TO为电池冰点温度，ε为经验值，本实施例中，经验值ε的范围 为[0，1]。
[0133] 使用上述估算公式时，通过采样得到当前电池的充电电流及电压和环境温度，带 入上述所得出公式中，就能实时监测电池当前状态下的荷电量S0C，如图3所示。
[0134] 当然在步骤（1)中也可以对电池进行放电测试，得到V/I与荷电量S0C数据，采用相 同的方法，获得k和b随电流变化的曲线;利用k和b随电流变化的曲线，计算出k和b，再根据 估算公式估算出荷电量。
[0135] 使用上述估算公式时，通过采样得到当前电池的充电电流及电压和环境温度，带 入上述所得出公式中，就能实时监测电池当前状态下的荷电量S0C，如图4所示。
[0136] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的 技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种电池荷电量的估算方法，其特征在于，所述电池荷电量的估算方法包括以下步 骤： (I) 当电池处于静态，根据开路电压获得所述电池的荷电量；当所述电池处于动态，根 据离线获得的估算公式获得所述电池的荷电量。2. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，所述估算公式为： SOC = k*(V/I)-b， 其中，SOC为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流I的函数。3. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，所述估算公式还包括温度 调整系数。4. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，步骤（1)根据估算公式获 得所述电池的荷电量的方法包括以下步骤： (II) 采集所述电池的电压、电流以及环境温度； (12) 将采集的所述电压、所述电流以及所述环境温度，带入所述估算公式，获得所述电 池的荷电量。5. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，k为电流的一次函数。6. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，b为电流的一次函数。7. 如权利要求2所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，所述估算公式还包括温度 调整系数f: f=(l-T/TO)e 其中，T为环境温度，TO为电池冰点温度，ε为经验值。8. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，步骤（1)中离线获得估算 公式的方法为： (13) 在不同环境温度下，获得电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线，得到估算公 式： S0C = k*(V/I)-b 其中，SOC为电池的荷电量，V为电压，I为电流，k与b为电流的函数。9. 如权利要求6所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，步骤（13)中获得电压V与 电流I的比值与荷电量S0C的曲线的方法包括以下步骤： (131) 利用电池电量监测装置，对电池进行不同电流的充电测试或放电测试，收集电池 数据，所述电池数据包括电压、电流及荷电量S0C; (132) 根据所述电池数据，拟合出电压V与电流I的比值与荷电量S0C的曲线： S0C = k(V/I)-b。10. 如权利要求1所述的电池荷电量的估算方法，其特征在于，步骤（1)中根据开路电压 获得所述电池的荷电量的方法包括以下步骤： (15) 采集电池开路电压； (16) 根据开路电压与荷电量S0C的关系，获得所述电池的荷电量S0C。
【文档编号】G01R31/36GK105866699SQ201610339997
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】骆炎, 朱凤天, 吴佳骅, 许泽阳
【申请人】上海电气分布式能源科技有限公司