確定電池荷電狀態的系統和方法
【專利摘要】本文公開了一種用于確定電池的荷電狀態（SOC）的新方法和系統，其中直接法和間接法不同時使用，但由電池的電流狀態所指示來選擇性使用。本發明的方法補償現有的建模誤差和參數估計誤差，以提供準確的SOC估算。本發明的方法計算出DC偏移和電池容量以補償現有的建模誤差和參數估計誤差。
【專利說明】確定電池荷電狀態的系統和方法
發明領域
[0001]本發明通常涉及一種確定電池的荷電狀態的方法和系統。本發明更具體地涉及一種基于鋰電池的荷電狀態(SOC)的方法和系統。
[0002]發明背景
[0003]電池的荷電狀態(SOC)是等效于電池或電池組的燃料表，并提供了電池的容量。換句話說，SOC是存儲在電池中的電荷與電池能容納的最大電荷的比率。SOC也以百分比表示。電池通常在高于90%和低于20% SOC時不充電。
[0004]確定電池SOC對于各種應用是相當關鍵。電池S0C，當估算時，提供了殘留在電池的電荷和它可以用于特定應用多久的指示。
[0005]已經提出各種方法用于估算電池的S0C。現有的方法不能提供準確的SOC估算，因為它們都依賴于隨著年齡、使用情況等變化的電池的參數。此外，用于SOC估算的方程中的常量和誤差不定量化并且不能對導致不準確的SOC估算進行補償。
[0006]大多數現有方法的典型途徑是，確定最佳的電池模型，然后盡可能準確地估計模型參數。這些現有的方法，如卡爾曼濾波器的方法以及類似的其它方法的性質是相當復雜。他們需要浮點運算，因此不適合于低功耗和低成本的固定點的微控制器。
[0007]典型地，利用兩個方法進行SOC估算:
[0008]1.直接法，即庫侖計數
[0009]2.間接方法，即利用電池特性的，即SOC與OCV的比值和電池電路模型
[0010]有三個眾所周知的途徑來估算S0C。
[0011]途徑1:僅利用直接法，當電池在使用時。這種途徑需要SOC的初始值，從SOC與OCV的比值特性來獲得，在休止電池后測量開路電壓時。
[0012]途徑2:僅使用間接法，其涉及復雜的電池動態電路模型的估計電池參數。
[0013]途徑3:同時使用直接或間接法，形成卡爾曼狀態方程或擴展卡爾曼濾波法。
[0014]由于DC電流偏移的累積也由于電池容量的劣化，途徑I遭受到估算誤差的發散。
[0015]途徑2假設，電池可以通過帶緩慢變化的電池參數而非這種情況的線性電路模型來代表。由于這樣的假設，參數估算會不正確，特別是在高電池電流及，和接近恒定電池電流。
[0016]途徑3是從線性系統理論衍生的，其是不穩定的和發散的，由于損傷，例如非同步采樣的電池電壓和電流、DC偏移和有色噪聲等。
[0017]此外，現有的SOC方程不補償直流偏移和電池容量，而導致不準確的SOC估算。大多數現有的SOC方程不能用于較長一段時間，由于在一段時間內DC偏移和電池容量衰減的存在。未知的DC偏移或未知的電池容量的效果是，隨著時間的進展SOC發散。這要求當電流更低及電池松弛時，SOC估算重新初始化。
[0018]下表闡述了直接法和間接的優點和缺點:
[0019]
【權利要求】
1.一種盡量減少DC偏移電流和電池容量的誤差的方法和系統，從而補償在確定電池準確的荷電狀態(SOC)過程中的建模誤差和參數估計誤差，包括直接法和間接法，其特征在于，所述直接法和間接法不同時使用，交替使用或有條件地根據電池當前狀態使用；系統開始后，采用最小二乘法確定電池的健康狀態(SOH)和確定電池容量。
2.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，包括在時刻“η”調用直接法，其中，所述電池在瞬態時，或電池電流的大小大于預定的閾值ΤΗ_3，松弛計數器從設定值以整數值遞減。
3.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，包括在時刻“η”調用間接法，其中，所述電池充分松弛與電池電流的大小小于預定的閾值ΤΗ_4。
4.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，包括: a.利用最小二乘法和在由間接法估計的SOC的幫助下，首先定期確定電池容量和電池健康狀況(SOH)； b.采樣變量，即在時刻“η”的電壓、電流和溫度； c.確定在時刻“η”的電阻值，其中，在所述電池電流的大小的變化大于預設的閾值(ΤΗ_1)，并且其中所述電池電流的大小小于預設的閾值ΤΗ_2 ； d.通過直接法確定時 刻“η”的S0C，其中，所述電池尚未得到充分松弛，電池電流的大小大于閾值ΤΗ_3 ； 可選擇地通過直接法確定時刻“η”的S0C，其中，電池電流的大小小于所述閾值ΤΗ_3和松弛計數器從設定值以整數值遞減； 或 通過間接法確定S0C，其中電池是充分松弛的，電池電流的大小小于閾ΤΗ_4， e.通過最小均方法利用估算的SOC計算電池容量“C”； f.以最小化DC偏置電流和電池容量誤差計算的SOC來確定電池的健康狀態(S0H);及 g.重復步驟“b”到“f”用于測量SOC新變量。
5.根據權利要求1所述的在通過直接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，電池電流的大小大于所述閾值TH_3和電池尚未充分松弛來設置松弛計數器，包括: a.利用最小二乘法定期確定電池的容量和電池的SOH及更新直接法使用的公式中的容量和偏移量； b.采樣變量，即在時刻“η”的電壓、電流和溫度； c.確定前一時刻“η-l”的S0C; d.采樣在“η”和“η-l”之間的可變采樣周期(ΛT )的電池電流； e.測量準確的電池容量“C”和DC偏移電流“ d”。
6.根據權利要求1所述的在通過直接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，電池電流的大小小于所述閾值TH_3和松弛計數器從所述設定值遞減；進一步包括: a.利用最小二乘法首先定期確定電池容量和電池SOH ；b.采樣變量，即在時刻“n”的電壓、電流和溫度； c.確定時刻“n”的電阻值，其中電池電流的大小大于閾值Τn_1，或其中所述電池電流大小小于閾值Τn_2 ； d.確定在前一時刻“n-l”的SOC; e.采樣在“n-l”和“n”之間的可變采樣周期(ΔT )的電池電流； f.測量精確的電池容量“C”和DC偏移電流“d”。
7.根據權利要求1所述的在通過間接法確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其中電池是充分松弛的，電池電流的大小小于閾值TH_4，包括: a.采用最小二乘法定期確定電池容量和電池SOH； b.抽樣變量，即在時刻“n”的電壓、電流和溫度； c.通過測量電池端電壓(Vb)，電池電流(Ib)和電阻阻抗(R)來確定電池開路電壓(OCV)； d.通過圖形化的方法估算電池S0C。
8.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，當電池電流之間的差值大小即絕對值[Ib(n)-1b(n-1)]大于閾值即！^!，確定電阻“!?”。
9.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，當前一狀態的電池電流即Ib(n-1)或運行狀態的電池電流即Ib (n)小于閾值即Τn_2時，確定電阻“R”。
10.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，所述電池尚未充分松弛以設置松弛計數器為對應于基于溫度和電池電流大小的松弛時間的整數。
11.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，當電池電流的大小小于所述閾值Τn_3時，所述松弛計數器以因子I減少。
12.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，確定所述SOH的方法包括: a.通過所述間接方法在不同的時刻獲取估算的S0C，其中，兩個連續的SOC之間的差值(Ak)大于預定閾值TH_5 ； b.計算連續兩個樣本之間的累計電流或電荷轉移Bk； c.通過最小均方法利用步驟a和步驟b估算的參數來計算電池容量的“C”； d.利用步驟b中計算的所述電池容量“C”計算S0H。
13.根據權利要求1所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，當SOC之間的差值大小即Ak大于閾值即TH_5時，確定電池容量“c”。
14.根據前述任一權利要求所述的在確定SOC的過程中盡量減少DC偏移電流和電池容量誤差的方法和系統，其特征在于，所述電池是鋰電池。
【文檔編號】G01R31/36GK103797375SQ201280044057
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年9月18日 優先權日:2011年9月30日
【發明者】P·A·R·庫卡尼, M·杰匹, M·沙 申請人:Kpit技術有限責任公司