專利名稱：一種蓄電池荷電狀態的估算方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及蓄電池參數估算相關技術領域，特別是涉及一種蓄電池荷電狀態的估算方法和系統。
背景技術：
在太陽能光伏發電系統和光伏/風力混合發電系統中，蓄電池組作為能量源，起著儲存和調節電能的作用。通常，系統中的蓄電池組由多個蓄電池串并聯而成，且經常處于循環使用狀態。運行時，由于電池的個體差異，蓄電池組中會不可避免存在落后電池過度放電且又充電不足的現象。如此反復，落后電池將會提前失效，從而嚴重影響蓄電池的使用壽命O按照相關規范要求，每組電池的單體端電壓不允許超出電池平均單體電壓的±50mV。超出此范圍的電池可能由于沒有正常充電或電池故障。根據電池端電壓的一致性，初步查找出電池組中的故障電池。在此基礎上，對蓄電池剩余容量或荷電狀態(State ofCharge, S0C)進行實時準確地在線檢測，避免蓄電池過充電和過放電，對保證系統穩定和延長蓄電池的使用壽命具有十分重要的意義。鉛酸蓄電池的技術比較成熟，相關理論與經驗比較豐富，是目前應用最多的蓄電池，廣泛應用于太陽能發電、電動車等領域。鉛酸蓄電池的充放電是一個復雜的電化學過程，其實際容量也受很多因素影響，因此精確測算蓄電池SOC難度比較大。目前通常的做法是根據電池的外特性參數對蓄電池SOC進行預測。常用的方法主要有內阻法、安時計量法、神經網絡法和卡爾曼濾 波法，其具體特點如下:內阻法，主要適用于蓄電池SOC低于40%時的情況，因為當其SOC在40%以上時，其內阻基本沒變化，只有SOC低于40%時，蓄電池的內阻才會很快升高。安時計量法，在應用中需要標定SOC的初始值和精確的充放電效率，以及準確地測量電流。電流測量不準，長期會存在電流積分的累積誤差，同時充放電電流波動對電池剩余容量也有影響，都會導致SOC估算不準確。神經網絡法，能夠較好地反映蓄電池容量的非線性特性。但該方法的誤差受訓練數據和訓練方法影響很大，滿足精度要求通常需要占用較大的計算機資源。卡爾曼濾波法，在估算中能保持較好的精度。但該方法的估計精度嚴重依賴于蓄電池等效電路模型的準確性，并且運算數據量較大。由此可見，上述幾種方法并不能夠在滿足準確估算蓄電池SOC值的同時，提高算法的靈活性和降低運算量。
發明內容
基于此，有必要針對現有技術并不能夠在滿足準確估算蓄電池SOC值的同時，提高算法的靈活性和降低運算量的技術問題，提供一種蓄電池荷電狀態的估算方法和系統。一種蓄電池荷電狀態的估算方法，包括:
獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據，所述蓄電池在線狀態特征量數據包括所述蓄電池的多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值；根據所述多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數；測量得到所述蓄電池的端電壓作為測量端電壓，測量得到所述蓄電池的放電電流作為測量放電電流；根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值；根據所述測量放電容量估算值得到對應的荷電狀態的估算值。進一步的， 所述獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據的步驟，具體包括:根據所述蓄電池的電池類型確定的充電要求充入所述蓄電池額定容量的電量；將所述蓄電池以至少三種的放電倍率恒流放電，在每種放電倍率下，分階段使所述蓄電池放電至多個的荷電狀態；測量并保存所述蓄電池在每個荷電狀態下的至少三個放電電流離散點數據值和至少三個端電壓離散點數據值，以及在所述放電電流離散點數據值和端電壓離散點數據值組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值。再進一步的，所述根據所述多個端電壓、放電電流和放電容量，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數的步驟，具體包括:采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，具體包括:對所有R個放電電流離散點數據值Ii(i=l，2，…，R)，計算以端電壓U為自變量的放電容量Q的R個第一函數Q1=A (Ii, U):
Γ mm = Z1(U1) + UU1,U2I(U-U1)+Μ^υ,,υ^υ - UiW - U2)+...
,
+MJ1M1^UXU-ιι,ι.φ-ut_d+fill ,U1,...XJt]{u-UXiU-U,)
其中，t為插值節點個數，t彡3;%(j=l，2，一，t)為t個所述端電壓離散點數據值；fi [U1, U2, , Uj]為在U1, U2,, Uj上的j-Ι階均差；f\ (Uj)為在放電電流離散點數據值Ii和端電壓離散點數據值Uj組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值Qij ；采用牛頓插值法得到多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數，具體包括:對所有T個端電壓離散點數據值％(」=1，2，…，乃，計算以放電電流I為自變量的放電容量Q的T個第二函數Q2=f2 (Uj, I):
j) =/:(/,) + /,[/,./,1(/-/,)+/:11,/2,/,1(/-λκ/-/2)+...
， 其
+./;[/,，/2— /J...(7-/,.丨)+ '/2[/”/2(/--/r)
中，r為插值節點個數，r彡3 ;Ii(i=l，2，…，r)為r個所述放電電流離散點數據值；^[I1, I2, , Ii]為&在I1, 12，...，Ii上的i_l階均差為在放電電流離散點數據值Ii和端電壓離散點數據值Uj組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值Qijt5更進一步的，所述根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值的步驟，具體包括:如果所述測量端電壓Um等于其中一個端電壓離散點數據值U」(j=l，2，…，T)，則將測量放電電流In代入相應的第二函數Q2=f2 (Uj, I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的測量放電容量估算值Q=f2(UM，IN)；如果所述測量放電電流In等于其中一個放電電流離散點數據值IiQ=I, 2，…，R)，則將測量端電壓Um代入相應的第一函數Qff1 (Ii, U)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f\ (IN, Um);如果所述測量端電壓Um不等于任意一個的端電壓離散點數據值％且測量放電電流In不等于任意一個的放電電流離散點數據值Ii時，將Um代入R個所述的第一函數Q^f1 (Ii, U)，求得一組R個離散數據，所述離散數據為放電電流離散點數據值I1、測量端電壓Um狀態下的R個放電容量值估算值。對所述R個離散數據進行牛頓插值，得出U=Um時，一個以放電電流I為自變量的放電容量的第二函數Q2=f2 (UM, I)。將I=In代入所述的第二函數Q2=f2(UM，I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f2 (UM, In)。進一步的，還包括:采用蓄電池狀態檢測電路，檢測電池的端電壓壓差，查找出所述蓄電池中的故障電池。一種蓄電池荷電狀態的估算系統，包括:
特征量數據獲取模塊，用于獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據，所述蓄電池在線狀態特征量數據包括所述蓄電池的多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值；函數獲取模塊，用于根據所述多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數；測量端電壓和測量放電電流獲取模塊，用于測量得到所述蓄電池的端電壓作為測量端電壓，測量得到所述蓄電池的放電電流作為測量放電電流；測量放電容量估算值獲取模塊，用于根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值；荷電狀態估算值獲取模塊，用于根據所述測量放電容量估算值得到對應的荷電狀態的估算值。進一步的，所述特征量數據獲取模塊，具體用于:根據所述蓄電池的電池類型確定的充電要求充入所述蓄電池額定容量的電量；將所述蓄電池以至少三種的放電倍率恒流放電，在每種放電倍率下，分階段使所述蓄電池放電至多個的荷電狀態；測量并保存所述蓄電池在每個荷電狀態下的至少三個放電電流離散點數據值和至少三個端電壓離散點數據值，以及在所述放電電流離散點數據值和端電壓離散點數據值組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值。再進一步的，所述函數獲取模塊，具體用于:采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，具體包括:
對所有R個放電電流離散點數據值Ii(i=l，2，…，R)，計算以端電壓U為自變量的放電容量Q的R個第一函數Q1=A (Ii, U):
權利要求
1.一種蓄電池荷電狀態的估算方法，其特征在于，包括: 獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據，所述蓄電池在線狀態特征量數據包括所述蓄電池的多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值； 根據所述多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數； 測量得到所述蓄電池的端電壓作為測量端電壓，測量得到所述蓄電池的放電電流作為測量放電電流； 根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值； 根據所述測量放電容量估算值得到對應的荷電狀態的估算值。
2.根據權利要求1所述的蓄電池荷電狀態的估算方法，其特征在于，所述獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據的步驟，具體包括: 根據所述蓄電池的電池類型確定的充電要求充入所述蓄電池額定容量的電量； 將所述蓄電池以至少三種的放電倍率恒流放電，在每種放電倍率下，分階段使所述蓄電池放電至多個的荷電狀態； 測量并保存所述蓄電池在每個荷電狀態下的至少三個放電電流離散點數據值和至少三個端電壓離散點數據值，以及在所述放電電流離散點數據值和端電壓離散點數據值組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值。
3.根據權利要求1 所述的蓄電池荷電狀態的估算方法，其特征在于，所述根據所述多個端電壓、放電電流和放電容量，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數的步驟，具體包括: 采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，具體包括:對所有R個放電電流離散點數據值Ii(i=l，2，…，R)，計算以端電壓U為自變量的放電容量Q的R個第一函數Q1=A (Ii, U): +UUlM2^uxu-Ul^iU-ut_o+/IUXJ1,~υ,)...Ψ-ut)， ，t節點個數，t彡3 ；Uj (j=l, 2，…，t)為t個所述端電壓離散點數據值；f工[U1, U2,, Uj]為在Uu U2,, Uj上的j-Ι階均差；f\ (Uj)為在放電電流離散點數據值Ii和端電壓離散點數據值Uj組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值Qij ； 采用牛頓插值法得到多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數，具體包括:對所有1'個端電壓離散點數據值％(」=1，2，…，T)，計算以放電電流I為自變量的放電容量Q的T個第二函數Q2=f2 (Uj, I):其中r為插值Ti點個數，r彡3 ;Ii (i=l, 2，...，!■)為r個所述放電電流離散點數據值JjI1, I2,, Ii]為f2在I1, 12，...，Ii上的i_l階均差A(Ii)為在放電電流離散點數據值Ii和端電壓離散點數據值Uj組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值Qijt5
4. 根據權利要求3所述的蓄電池荷電狀態的估算方法，其特征在于，所述根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值的步驟，具體包括: 如果所述測量端電壓Um等于其中一個端電壓離散點數據值％(j=l，2，…，T)，則將測量放電電流In代入相應的第二函數Q2=f2 (Uj, I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的測量放電容量估算值Q=f2(UM，IN)； 如果所述測量放電電流In等于其中一個放電電流離散點數據值IiQ=I, 2，…，R)，則將測量端電壓Um代入相應的第一函數Qff1 (Ii, U)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f\ (IN, Um); 如果所述測量端電壓Um不等于任意一個的端電壓離散點數據值％且測量放電電流In不等于任意一個的放電電流離散點數據值Ii時，將Um代入R個所述的第一函數Q^f1 (Ii, U)，求得一組R個離散數據，所述離散數據為放電電流離散點數據值I1、測量端電壓Um狀態下的R個放電容量值估算值。
對所述R個離散數據進行牛頓插值，得出U=Um時，一個以放電電流I為自變量的放電容量的第二函數Q2=f2 (UM, I)。
將I=In代入所述的第二函數Q2=f2(UM，I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f2 (UM, In)。
5.根據權利要求1所述的蓄電池荷電狀態的估算方法，其特征在于，還包括:采用蓄電池狀態檢測電路，檢測電池的端電壓壓差，查找出所述蓄電池中的故障電池。
6.一種蓄電池荷電狀態的估算系統，其特征在于，包括: 特征量數據獲取模塊，用于獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據，所述蓄電池在線狀態特征量數據包括所述蓄電池的多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值； 函數獲取模塊，用于根據所述多個端電壓離散點數據值、放電電流離散點數據值和放電容量離散點數據值，采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數； 測量端電壓和測量放電電流獲取模塊，用于測量得到所述蓄電池的端電壓作為測量端電壓，測量得到所述蓄電池的放電電流作為測量放電電流； 測量放電容量估算值獲取模塊，用于根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值； 荷電狀態估算值獲取模塊，用于根據所述測量放電容量估算值得到對應的荷電狀態的估算值。
7.根據權利要求6所述的蓄電池荷電狀態的估算系統，其特征在于，所述特征量數據獲取模塊，具體用于: 根據所述蓄電池的電池類型確定的充電要求充入所述蓄電池額定容量的電量； 將所述蓄電池以至少三種的放電倍率恒流放電，在每種放電倍率下，分階段使所述蓄電池放電至多個的荷電狀態； 測量并保存所述蓄電池在每個荷電狀態下的至少三個放電電流離散點數據值和至少三個端電壓離散點數據值，以及在所述放電電流離散點數據值和端電壓離散點數據值組合狀態下所對應的放電容量離散點數據值。
8.根據權利要求6所述的蓄電池荷電狀態的估算系統，其特征在于，所述函數獲取模塊，具體用于: 采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，具體包括:對所有R個放電電流離散點數據值Ii(i=l，2，…，R)，計算以端電壓U為自變量的放電容量Q的R個第一函數Q1=A (Ii, U):
9.根據權利要求6所述的蓄電池荷電狀態的估算系統，其特征在于，所述測量放電容量估算值獲取模塊，具體用于: 如果所述測量端電壓Um等于其中一個端電壓離散點數據值％(j=l，2，…，T)，則將測量放電電流In代入相應的第二函數Q2=f2 (Uj, I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的測量放電容量估算值Q=f2(UM，IN)； 如果所述測量放電電流In等于其中一個放電電流離散點數據值IiQ=I, 2，…，R)，則將測量端電壓Um代入相應的第一函數Qff1 (Ii, U)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f\ (IN, Um); 如果所述測量端電壓Um不等于任意一個的端電壓離散點數據值％且測量放電電流In不等于任意一個的放電電流離散點數據值Ii時，將Um代入R個所述的第一函數Q^f1 (Ii, U)，求得一組R個離散數據，所述離散數據為放電電流離散點數據值I1、測量端電壓Um狀態下的R個放電容量值估算值。
對所述R個離散數據進行牛頓插值，得出U=Um時，一個以放電電流I為自變量的放電容量的第二函數Q2=f2 (UM, I)。
將I=In代入所述的第二函數Q2=f2(UM，I)，得到蓄電池在端電壓UM、放電電流In狀態下的放電容量估算值Q=f2 (UM, In)。
10.根據權利要求6所述的蓄電池荷電狀態的估算系統，其特征在于，還包括:故障電池查找模塊，用于采用蓄電池狀態檢測電路，檢測電池的端電壓壓差，查找出所述蓄電池中的故障電池。
全文摘要
本發明涉及蓄電池參數估算相關技術領域，特別是涉及一種蓄電池荷電狀態的估算方法和系統，方法包括獲取多個蓄電池在線狀態特征量數據；采用牛頓插值法得到多個以端電壓為自變量的放電容量的第一函數，以及多個以放電電流為自變量的放電容量的第二函數；根據至少一個第一函數和至少一個第二函數獲得在測量端電壓和測量放電電流狀態下的測量放電容量估算值；根據所述測量放電容量估算值得到對應的荷電狀態的估算值。本發明利用牛頓插值法進行蓄電池SOC值估算，能夠準確推導出蓄電池的剩余容量變化趨勢，從而可以更加直觀地分析問題和更為快速地對現象進行預測，能實現在線測量且準確度高。
文檔編號G01R31/36GK103217651SQ20131013650
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月18日 優先權日2013年4月18日
發明者崔瓊, 舒杰, 吳志鋒, 姜桂秀, 黃磊 申請人:中國科學院廣州能源研究所