一种动力型锂电池电量监控装置及监控方法制造方法及图纸

技术编号:15059533 阅读:296 留言:0更新日期:2017-04-06 09:13
本发明专利技术涉及电量检测技术,具体涉及一种动力型锂电池电量监控装置及监控方法,采用的电池电量监控装置和估计方法能使电池模型较好的描述电池的动态特性,具有较好的适用性,使得动力型锂电池SOC的估算精度得到提高。具体技术方案为:一种动力型锂电池电量监控装置,包括:电压检测模块;电压检测电量模块;电流检测模块;电流积分电量模块;电量参数校正模块;多参数循环卡尔曼滤波核心计算模块;数据拟合模块;温度控制模块;电池循环次数计数模块;脉冲电压控制模块。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电量检测技术,具体涉及一种动力型锂电池电量监控装置及监控方法
技术介绍
在电池包运行过程中,因电机负载变化大,电流波动剧烈,工作环境温度经常变化,使得电池的工况变动很大,给电池容量的估算带来了困难。动力型锂电要求输出电流高、安全性好、寿命长,锂电池更适合大功率型电池包的电源需求。精确计算剩余电池电量的重要性毋庸置疑,但现有的仅通过测量某些数据点甚至是电池电压的简单方法无法达到上述目的,随着单片机的运算功能越来越强,功耗越来越低,能够应用更为复杂的电池电量监控算法。目前普遍使用的两种监测电量的方法:一种以电压测量为基础;另一种以电流积分为基础。前一种方法以电压为基础属于最早的方法,仅需要测量电池两级间的开路电压,然后根据电池电压和剩余电量的经验关系得到。在测量期间,只有在不施加任何负载且静置一段时间后,才存在这种电池电压与电量之间的简单关系,当施加负载时,电池电压会因为电池内部阻抗引起的压降而产生失真。考虑到基于电压的电池电量监测会产生误差,假定可以通过电池内阻压降来校正带负载的电压,然后通过使用校正后的电压值来获取当前的电池荷电状态(stateofcharge,SOC)。美国先进电池联合会(UnitedStatesAdvancedBatteryConsortium,USABC)将电池SOC定义为在一定的放电倍率状态下,剩余电量与同条件下的额定容量的比值。但是,电池内阻又取决于SOC,如果使用平均值,那么在几乎完全放电的状态下的内阻为充电状态下的10倍以上,由此引起的对SOC的估测误差将达到100%。不同电池间阻抗的变化加大了情况的复杂性,新电池也会存在上下15%的低频阻抗变化,这在高负载的电压校正中造成很大差异。例如,动力型锂电池在通常的0.5C充放电电流、2AH的电池的典型阻抗为0.15欧姆,最差时会在电池间产生45mV的校正电压差异,最终造成SOC估计误差达到20%。因此单独使用电压测量估算电池电量的方法有很大的局限性。另一种电流积分为基础的电池电量监控方法通过对电池的充放电流进行积分,算出一共充放电的电量。当电池刚好充好电且已知是完全充电时,使用电流积分方法的效果非常好。但是如果电池长期不工作,或者几个充放电周期都没有充满电,那么由内部化学反应引起的自放电现象就会变得非常明显。目前还没有方法可以测量自放电,所以必须使用一个预定义的方法对其进行校正。不同的电池模型有不同的自放电速度,这取决于荷电状态(SOC)、温度以及电池的充放电循环历史等因素。而且创建自放电的精确模型需要花费相当长的时间进行数据收集,即便这样仍不能保证结果的准确性。电流积分法还存在只有完全充电后立即完全放电,才能更新总电量值的缺点。如果在电池寿命期内完全放电的次数很少,难么电量值更新以前,电池的真实容量可能已经开始大幅下降,这会导致对电池的电量的过高估计,即使电池电量在给定的温度和放电速度下进行了最新的更新,可用电量仍然会随放电速度以及温度的改变而发生变化。因此单独使用电流积分估算电池电量的方法有很大的局限性。根据多年的锂电池使用经验和研究文献分析得到,影响电池电量的主要因素有:(1)充放电状态、(2)极化效应、(3)电池寿命、(4)温度。本专利技术经过实践总结认为(2)、(3)、(4)参数是缓慢变化的,且互相之间有关联效应。其中温度、电池寿命都将引起极化效应的改变,最终影响电池内阻的变化。电池内阻由欧姆内阻(以下用R0表示)和极化内阻(以下用Rp表示)两部分组成,两者相加得到电池全内阻,电池的欧姆内阻R0主要由电池的电极材料、电解液、隔膜电阻以及电池其他零件的接触电阻组成。极化电阻由浓差极化和电化学极化引起,大小与电池内部的活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺等因素有关,尤其与电池的工作条件有关,其中放电电流和温度对其影响最大。温度降低对电化学极化、离子扩散都由不利的影响,故在低温条件下,电池的内阻增加。大电流放电时,电池的电化学和浓差极化增加,引起极化内阻增大。根据典型的动力型锂电池实践经验所得,电池内阻和温度有关,随着温度升高,电池的欧姆内阻R0及极化内阻Rp都将减小,其中对极化电阻的影响比对欧姆电阻的影响大。欧姆内阻R0在低温时,随SOC增大而减小;在高温时,随SOC变化较小。电池寿命也对电池内阻有很大的影响,当电池老化时,阻抗的增加要比电池电量的降低显著多,典型的动力型锂电池在70个充放电循环后,阻抗会提高一倍,而相同周期的无负载电量仅会下降2%-3%。因此基于电压的算法在新电池上很实用,但是如果不考虑上述因素,在锂电池达到使用寿命15%(预计500个充放电周期)就会产生严重误差(误差为50%)。根据以上典型的动力型锂电池辨识结果,本专利技术采用Thevenin电池模型,模型参数R0随着SOC、电池寿命的变化而改变和Rp随着温度、电池寿命的变化而改变,通过实验测试得到经验规律性。本专利技术结合电压测量和电流积分方法的优点,将两者作为后续算法的校正,引入多参数循环卡尔曼滤波核心算法,同时在线估计电池荷电状态SOC和极化电阻R0,加入温度参数Ttemp和电池循环次数参数N。本专利技术采用的电池电量估计方法,能使电池模型较好的描述电池的动态特性,具有较好的适用性,使得动力型锂电池SOC的估算精度得到提高。
技术实现思路
本专利技术主要针对现有测量方法存在较大误差的问题,专利技术了一种动力型锂电池电量监控装置及监控方法。本专利技术综合了电流法和电压法的各自长处,并为后续滤波计算提供校正。由于开路电压与SOC存在非常精确的相关性,所以在电池包无负载和电源处于张弛状态的情况下,这种方法可以精确预估计现有的电量。此外,本专利技术利用电池的静置状态来寻找SOC预估计的“起始位置”,解决电池自放电估计的难点。当设备接入工作状态后,转为电流积分法对SOC进行预估计。本专利技术利用电压法和电流法的有点,无需在充满电的情况下更新电量,得到不同工况下的SOC预估计值,为本专利技术多参数循环Kalman滤波核心算法提供SOC预估计状态校正。本专利技术以多参数循环卡尔曼滤波算法为核心,其意义在于除了常见的SOC作为状态参数外,还增加电池欧姆内阻R0作为状态参数,用可变的电池极化电容Cp和极化电阻Rp代表温度Ttemp的改变对电池状态的影响,将电池有效初始容量对应电池循环次数N(估计电池老化效应),并结合电压检测电池电量经验曲线方法和电流积分检测电池电量计算方法的优点,通过预估计SOC参数校正模块自动判断采用哪种方法进行循环校正,消除Kalman滤波的累积误差本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种动力型锂电池电量监控装置,其特征在于,包括:电压检测模块;电压检测电量模块;电流检测模块;电流积分电量模块;电量参数校正模块;多参数循环卡尔曼滤波核心计算模块;数据拟合模块;温度控制模块;电池循环次数计数模块;脉冲电压控制模块。

【技术特征摘要】
1.一种动力型锂电池电量监控装置,其特征在于,包括:
电压检测模块;
电压检测电量模块;
电流检测模块;
电流积分电量模块;
电量参数校正模块;
多参数循环卡尔曼滤波核心计算模块;
数据拟合模块;
温度控制模块;
电池循环次数计数模块;
脉冲电压控制模块。
2.根据权利要求1所述的动力型锂电池电量监控装置,其特征在于,与其相匹配的锂电
池模型,由电池开端电压Uoc、电池欧姆内阻R0、电池极化内阻Rp、电池极化电容Cp连接构成,
其中电池极化内阻Rp、电池极化电容Cp相互并联后与电池开端电压Uoc、电池欧姆内阻R0串
联。
3.利用权利要求1所述的动力型锂电池电量监控装置,进行电量监控,其监控方法为:
①锂电池在开始充电时,给电池施加脉冲电压,检测得到电压与电流的响应曲线,通过
数据拟合模块给出电池R0、Rp、Cp的迭代初始值;
②电池处于无负载较长时间时,由电压检...

【专利技术属性】
技术研发人员:辛永良陈艳庆
申请(专利权)人:浙江华丰电动工具有限公司
类型:发明
国别省市:浙江;33

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