電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置及估算方法
【專利摘要】一種電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置及估算方法，其監測單元實時測量電池組的運行狀態；存儲單元存儲監測單元測量得到的數據；迭代計算單元計算電池模型的迭代參數；電壓預測單元計算輸出電壓預測值；誤差計算單元計算電壓預測值和實測值之間的誤差；參數預測單元計算電池組的等效內阻和等效電容值；平均溫度計算單元計算一小時內的環境溫度平均值；溫度校正單元將電池組參數值折算至常溫25℃下的校正值；健康狀態估算單元預測電池的健康狀態；解耦單元實現對電池健康狀態和荷電狀態的解耦；荷電狀態估算單元預測電池的荷電狀態。該裝置可以在實時工作狀態下對電池的健康狀態和荷電狀態進行估算。
【專利說明】電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置及估算方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種電池組健康狀態和荷電狀態估算裝置及估算方法。
【背景技術】
[0002]隨著化石能源的不斷枯竭以及電池技術的不斷發展，電池儲能技術得到了越來越多的應用。例如在電動汽車、不間斷供電系統、分布式儲能等【技術領域】中，電池組作為核心的能量來源起到了十分關鍵的作用。在電池組的使用過程中，由于環境溫度、充放電深度、充放電倍率等因素的影響，電池組的荷電狀態(State-of-Charge，S0C)和健康狀態(State-of-Health, S0H)隨時會發生變化。在極端的情況下，電池組可能工作在不安全狀態，從而導致電池系統的故障，甚至引發爆炸，火災等危險情況。因此，通過一種在線估算裝置對電池組的荷電狀態和健康狀態進行實時監測是十分重要的，這樣可以有效地避免電池工作在過充或過放狀態，并對電池的健康狀態進行合理評估。
[0003]在電池組SOC估算方面，現有的技術路線主要是采用開路電壓查表法和基于固定模型的濾波技術。前者依據大量的前期實驗數據，后者在前期實驗數據的基礎上進行了建模處理。但上述兩類方法實際上存在一個共同的缺陷，即它們均忽視了電池組的SOH變化對SOC估算的影響。實際上，隨著電池SOH的不斷衰退，通過前期實驗獲得的查表數據和建立的確定模型會變得不再適用。如美國專利US20130300190Al“Battery state-of-chargeobserver”，中國專利CN102074757A“一種鋰離子電池荷電狀態的估算方法”，均存在上述問題。
[0004]在電池組SOH估算方面，現有的方法主要是對電池進行老化試驗，然后基于老化試驗數據獲得電池的老化規律，進而實現對電池SOH的估算。如中國專利CN102175978A“電池壽命的檢測方法和設備”，中國專利CN103344920A “一種檢測電池健康狀態的方法及設備”均采用上述方法。但是這種方法的實現需要大量的實驗數據作為支撐，當電池實際工作環境不同于測試環境時，并不能保證預測精度，且該方法只能進行離線開環預測。
[0005]綜上所述，如何在電池組實時工作狀態下，解決電池健康狀態和荷電狀態之間的耦合關系，并實現對電池組荷電狀態和健康狀態的估算，是當前亟待解決的一大課題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對現有電池組健康狀態和荷電狀態估算中存在的問題，提出一種電池組健康狀態和荷電狀態估算裝置和估算方法。本發明可在便于實時應用的前提下，進一步提高估算精度，以適用于需要對電池的狀態進行實時監控的場合。
[0007]本發明為解決其具體的技術問題所采用的技術方案是:
[0008]本發明電池組健康狀態和荷電狀態估算裝置包含監測單元、存儲單元、迭代計算單元、電壓預測單元、誤差計算單元、參數預測單元、平均溫度計算單元、溫度校正單元、健康狀態估算單元、解耦單元，以及荷電狀態估算單元。
[0009]所述的監測單元的輸入端與電池組的輸出端相連，其輸入信號為電池組的總電壓、主回路電流和電池組中各溫度采集點的溫度信號，輸出信號為電池組的實時工作電壓、電流以及各溫度采集點的溫度值。所述的存儲單元的輸入端與監測單元的輸出端相連，其輸入信號為監測單元采集到的電池組的電壓、電流以及溫度值，輸出信號為連續兩個采樣時間內的電池組的電壓鎖存信號、連續三個米樣時間內的電池組的電流鎖存信號和一小時以內的電池組的溫度信號。所述的迭代計算單元的輸入端與存儲單元的輸出端，以及誤差計算單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組的電壓鎖存信號、電流鎖存信號、誤差信號，輸出信號為電池模型的迭代更新參數。所述的電壓預測單元的輸入端與迭代計算單元的輸出端，以及存儲單元的輸出端相連，其輸入信號為電池模型迭代更新參數、電池組的電壓鎖存信號和電流鎖存信號，輸出信號為電池的電壓預測值。所述的誤差計算單元的輸入端與監測單元的輸出端，以及電壓預測單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組的電壓預測值和電壓測量值，輸出信號為電池組的電壓預測誤差。所述的參數預測單元的輸入端與迭代計算單元的輸出端相連，其輸入信號為電池模型迭代更新參數，輸出信號為電池組的等效內阻和等效電容值。所述的平均溫度計算單元的輸入端與存儲單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組一小時內的溫度信號，輸出信號為電池組的平均溫度值。所述的溫度校正單元的輸入端與參數預測單元的輸出端，以及平均溫度計算單元的輸出端相連，輸入信號為電池組的等效內阻值、等效電容值、電池組的平均溫度值，輸出信號為電池組的等效內阻和電容的校正值。所述的電池健康狀態估算單元的輸入端與溫度校正單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組的等效電容校正值，輸出信號為電池組健康狀態的預測值。所述的解耦單元的輸入端與健康狀態估算單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組健康狀態預測值，輸出信號為電池組健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子。所述的電池荷電狀態估算單元的輸入端與解耦單元的輸出端，以及溫度校正單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子、電池的等效內阻校正值，輸出信號為電池組荷電狀態的預測值。 [0010]所述的監測單元由電壓監測子單元、電流監測子單元和溫度監測子單元組成。電壓監測子單元的輸入端跨接在電池組的總正和總負上，用于采集并輸出電池組的總電壓。電流監測子單元與電池組的主回路相連，用于采集并輸出電池組主回路流過的電流。溫度監測子單元與電池組中各溫度采集點相連，用于采集并輸出電池組中各溫度采集點的溫度值。
[0011]所述的存儲單元由電壓鎖存子單元、電流鎖存子單元和溫度存儲子單元組成。電壓鎖存子單元與監測單元的電壓監測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出當前連續2個采樣時間的電池組的總電壓uk，Uk^1 ;電流鎖存子單元與監測單元的電流監測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出當前連續3個采樣時間電池組主回路流過的電流值ik，Ik^1, ik_2 ;溫度存儲子單元與監測單元的溫度監測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出一小時內電池組中各溫度采集點的溫度值Tn，Tlri,…，1\。
[0012]所述的迭代計算單元由迭代初始化子單元、迭代增益計算子單元和迭代更新子單元組成。迭代計算過程是基于電池電路模型進行的。電池電路模型的輸入為電流信號，輸出為電壓信號；中間變量包括:等效內阻Ro，用來表示電池的荷電狀態；等效電容Cn表示電池的健康狀態；等效極化電容Cb ;等效極化電阻Rn ;該電池電路模型頻域形式的輸入輸出傳遞函數為:
【權利要求】
1.一種電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置，其特征在于所述的在線估算裝置包括以下部分: 監測單元(102)，所述的監測單元(102)用于采集電池組的實時工作電壓、電流以及各溫度采集點的溫度值；所述監測單元(102)的輸入端與電池組(101)的總正端、總負端以及各溫度采集點相連，監測單元(102)的輸入信號為電池組的總電壓、主回路電流和電池組中各溫度采集點的溫度信號，輸出信號為電池組的實時工作電壓、電流以及各溫度采集點的溫度值； 存儲單元(103)，所述的存儲單元(103)的輸入端與監測單元(102)的輸出端相連，用于保存監測單元(102)輸出的電池組的電壓、電流和溫度值，并輸出所存儲的電池組的電壓、電流和溫度數據； 迭代計算單元(104)，所述迭代計算單元(104)的輸入端與存儲單元(103)的輸出端，以及誤差計算單元(106)的輸出端相連，用于計算并輸出電池模型的迭代參數；所述的迭代計算單元(106)的輸入信號為電池組的電壓鎖存信號、電流鎖存信號、誤差信號，輸出信號為電池模型的迭代更新參數； 電壓預測單元(105)，所述電壓預測單元(105)的輸入端與迭代計算單元(104)的輸出端，以及存儲單元(103)的輸出端相連；所述電壓預測單元(105)用于計算并輸出電池在當前時刻的電壓預測值，其輸入信號為電池模型迭代更新參數、電池組的電壓鎖存信號和電流鎖存信號，輸出信號為電池組電壓預測值； 誤差計算單元(106)，所述的誤差計算單元(106)的輸入端與監測單元(102)的輸出端，以及電壓預測單元(1 05)的輸出端相連，用于計算電壓預測值與測量值之差；所述誤差計算單元(106)的輸入信號為電池組的電壓預測值和電壓測量值，輸出信號為電池組電壓預測誤差； 參數預測單元(107)，所述參數預測單元(107)的輸入端與迭代計算單元(104)的輸出端相連，用于計算并輸出電池組的等效內阻和等效電容值；所述的參數預測單元(107)的輸入信號為電池模型迭代更新參數，輸出信號為電池組的等效內阻和等效電容值； 平均溫度計算單元(108)，所述平均溫度計算單元(108)的輸入端與存儲單元(103)的輸出端相連，用于計算存儲單元(103)中存儲的電池組的溫度數據平均值；所述的平均溫度計算單元(108)的輸入信號為一小時內的電池組的溫度信號，輸出信號為電池組的平均溫度值； 溫度校正單元(109)，所述的溫度校正單元(109)的輸入端與參數預測單元(107)的輸出端，以及平均溫度計算單元(108)的輸出端相連，用于將電池組的等效內阻和電容值折算至25°C下的校正值；所述的溫度校正單元(109)輸入信號為電池組的等效內阻值、等效電容值，以及平均溫度值，輸出信號為電池組等效內阻和電容的校正值； 電池健康狀態估算單元(110)，所述電池健康狀態估算單元(110)的輸入端與溫度校正單元(109)的輸出端相連，用于計算并輸出當前時刻電池組健康狀態的預測值；輸入信號為電池組的等效電容校正值，輸出信號為電池組健康狀態的預測值； 解耦單元(111)，所述解耦單元(111)的輸入端與健康狀態估算單元(110)的輸出端相連，用于實現電池組健康狀態和荷電狀態的解耦，所述的解耦單元(111)的輸入信號為電池組健康狀態預測值，輸出信號為電池組健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子；電池荷電狀態估算單元(112)，所述電池荷電狀態估算單元(112)的輸入端與解耦單元(111)的輸出端，以及溫度校正單元(109)的輸出端相連，用于計算并輸出電池組荷電狀態的預測值；所述的電池荷電狀態估算單元(112)的輸入信號為電池組健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子、電池組的等效內阻校正值，輸出信號為電池組荷電狀態的預測值。
2.按照權利要求1所述的電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置，其特征在于所述的監測單元(102)由電壓監測子單元(1021)、電流監測子單元(1022)和溫度監測子單元(1023)組成；電壓監測子單元(1021)的輸入端跨接在電池組(101)的總正端和總負端上，輸出端與存儲單元(103)的電壓鎖存子單元(1031)的輸入端，以及誤差計算單元(106)的輸入端相連，用于實時采集并輸出電池組(101)總正、總負兩端之間的電壓；電流監測子單元(1022)的輸入端與電池組(101)主回路相連，輸出端與存儲單元(103)的電流鎖存子單元(1032)的輸入端相連，用于實時采集并輸出電池組(101)主回路流過的電流；溫度監測子單元(1023)的輸入端與電池組中各溫度采集點相連，輸出端與存儲單元(103)的溫度存儲子單元(1033)的輸入端相連，用于實時采集并輸出電池組(101)中各溫度采集點的溫度值。
3.按照權利要求1所述的電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置，其特征在于所述的存儲單元(103)由電壓鎖存子單元(1031)、電流鎖存子單元(1032)和溫度存儲子單元(1033)組成；電壓鎖存子單元(1031)的輸入端與電壓監測子單元(1021)的輸出端相連，用于存儲并輸出k時刻和k-1時刻的電池組的電壓數據uk，Uk^1 ；電流鎖存子單元(1032)的輸入端與電流監測子單元(1022)的輸出端相連，用于存儲并輸出電池組k，k-l和k-2時刻的電流數據ik，in，ik_2 ;溫度存儲子單元(1033)的輸入端與溫度監測子單元(1023)的輸出端相連，用于存儲并輸出一小時內電池組的溫度數據Tn, Tlri,…，1\。
4.按照權利要求1所述的電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置，其特征在于所述的迭代計算單元(104)由迭代初始化子單元(1041)、迭代增益計算子單元(1042)和迭代更新子單元(1043)組成；迭代增益計算子單元(1042)的輸入端與所述的存儲單元的電壓鎖存子單元(1031)的輸出端、電流`存子單元(1032)的輸出端，以及迭代初始化子單元(1041)的輸出端相連；所述的迭代更新子單元(1043)與電壓鎖存子單元(1031)的輸出端、電流鎖存子單元(1032)的輸出端、迭代增益計算子單元(1042)的輸出端以及誤差計算單元(106)的輸出端相連。
5.按照權利要求1所述的電池組健康狀態和荷電狀態在線估算裝置，其特征在于所述的所述的參數預測單元(107)由內阻預測子單元(1071)和電容預測子單元(1072)組成，分別用于計算并輸出電池組的等效內阻和等效電容值；內阻預測子單元(1071)和電容預測子單元(1072)的輸入端均與迭代更新子單元(1043)的輸出端相連，輸出端均與溫度校正單元(109)的輸入端相連。
6.采用權利要求1所述的估算裝置估算電池組健康狀態和荷電狀態的方法，其特征在于，所述的估算方法包含如下步驟: 步驟A:監測單元(102)實時測量電池組的總電壓、主回路電流和電池組中各溫度采集點的溫度信號； 步驟B:存儲單元(103)接收監測單元(102)發送的信號，存儲并輸出當前連續2個采樣時間的電池組的電壓信號值uk，Ulr1、當前連續3個采樣時間的電池組的主回路電流信號值ik，ik-1, ik-2，以及一小時內的電池組的溫度信號值Tn，Tlri,…，T1 ； 步驟C:迭代計算單元(104)根據存儲單元(103)輸出的電池組電壓信號uk，uk-l和主回路電流信號ik，ik-l，ik-2，以及誤差計算單元(106)輸出的電池組電壓預測誤差Auk+1，計算并輸出電池模型迭代參數矩陣么+1.? 步驟D:電壓預測單元(105)根據迭代計算單元(104)輸出的電池模型迭代參數矩陣以及存儲單元輸出的電池組電壓信號uk，Ulr1、主回路電流信號ik，ik+ ik_2，計算電池組電壓輸出預測值<+1; 步驟E:誤差計算單元(106)根據電壓預測單元(105)輸出的電池組電壓輸出預測值i以及監測單元(102)輸出的電池組電壓測量值uk+1，計算并輸出電池組電壓預測誤差A uk+1 ; 步驟F:參數預測單元(107)根據迭代計算單元(104)輸出的電池模型迭代參數矩陣4:，計算電池的等效內阻Ro, k和等效電容Cn, k ； 步驟G:平均溫度計算單元(108)根據一小時內電池組各溫度采集點的溫度數據Tn, Tlri,…，T1，計算k時刻電池組溫度的平均值Tk ； 步驟H:溫度校正單元(109)將電池的等效內阻值Ro，k和電容值Cn，k分別換算至常溫25 °C 下的校正值 Ro, k, ref 和 Cn, k, ref ； 步驟1:健康狀態估算單元(110)根據溫度校正單元(109)輸出的電池等效電容校正值Cn, k, ref,計算電池的健康狀態預測值SOHk ； 步驟J:解耦單元(111)根據健康狀態估算單元(110)輸出的電池的健康狀態預測值SOHk,計算電池健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子a ； 步驟K:荷電狀態估算單元(112)根據溫度校正單元(109)輸出的電池等效內阻值Ro, k, ref,以及解耦單元(111)輸出的電池健康狀態與荷電狀態之間的耦合因子a，通過查表法估算電池的荷電狀態預測值。
7.按照權利要求6所述的估算方法，其特征在于所述的步驟C中，迭代計算單元(104)計算的電池電路模型的迭代參數為:
8.按照權利要求6所述的估算方法，其特征在于所述的步驟F中，參數預測單元(107)計算電池的等效內阻Ro，k和等效電容Cn，k的方法如下:參數預測單元(107)中的內阻預測子單元(1071)接收k時刻迭代計算單元(104)輸出的電池模型迭代參數矩陣或，^ =[\J2J0 J1J2 A A Afl并輸出k時刻電池的等效內阻Ro，k，具體計算公式如下:
9.按照權利要求6所述的估算方法，其特征在于所述的步驟H中，溫度校正單元(109)接收k時刻參數預測單元(107)輸出的等效內阻Ro，k和等效電容Cn，k值，并根據平均溫度計算單元(108)輸出的平均溫度Tk，計算k時刻等效內阻和等效電容在常溫25°C下的校正值Ro, k, ref和Cn, k, ref,具體計算公式如下:
10.按照權利要求6所述的估算方法，其特征在于所述的步驟I中，健康狀態估計單元(110)根據k時刻溫度校正單元(109)輸出的等效電容校正值Cn，k, ref對電池k時刻的健康狀態SOHk進行估算，具體計算公式如下:
【文檔編號】G01R31/36GK103744030SQ201410012746
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月12日 優先權日:2014年1月12日
【發明者】李勇, 王麗芳, 王立業, 廖承林, 徐冬平 申請人:中國科學院電工研究所