一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法技术

本发明专利技术涉及一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，该方法将电池等效电路模型的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制器的输入，并通过反馈校正控制器输出的电流值调控电池等效电路模型的工作状态，使电池等效电路模型的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池等效电路模型的开路电压，获取实际电池荷电状态估计值。该方法不仅估计精度高，而且简单可行，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法
本专利技术属于电动汽车电池管理系统领域，具体涉及一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法。
技术介绍
电池包是构成纯电动汽车的重要部分，通常由数百上千个单体电池组成。然而，在电动汽车运行过程中，电池荷电状态（State-of-Charge，简称SOC）差异使得电池包寿命及容量大幅衰退，进而使得电动汽车成本及性能无法满足使用需求。另外，电池SOC估计是电池管理系统（Battery-Management-System，简称BMS）实施管理、制定控制命令的决策基础，直接反映了电动汽车的剩余行驶里程。因此，准确高效地估计电池SOC，对于提高电池系统性能、确保纯电动汽车安全可靠工作具有重要意义。电池SOC是电池当前可用容量与额定容量的比值，无法直接通过传感器测量。并且，电动汽车行驶工况复杂，其反复加减速对电池SOC估计造成较大困难。目前常用的方法有开路电压法、安时积分法、基于等效电路模型（Equivalent-Circuit-Model，简称ECM）的估计方法以及基于数据驱动的估计方法。其中，研究人员主要研究基于等效电路模型和数据驱动的SOC估计方法，主要包括扩展卡尔曼、开路电压递归、联合估计、神经网络以及支持向量机等方法。然而，上述方法极为复杂，其控制成本较高不利于直接应用于工业领域中。此外，安时积分法精度受限于传感器测量精度，在使用过程中会出现累积误差，导致SOC估计精度逐渐降低，无法准确获取电池SOC。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，该方法不仅估计精度高，而且简单可行，易于实现。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，将电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制器的输入，并通过反馈校正控制器输出的电流值调控电池ECM的工作状态，使电池ECM的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池ECM的开路电压，获取实际电池荷电状态估计值。进一步地，所述基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：建立电池等效电路模型ECM；设计端电压校准的反馈校正控制器，使电池ECM的端电压始终跟随实际电池端电压变化，从而模拟实际电池工作状态；使用电池充放电测试仪获取实际电池端电压，将电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值输入反馈校正控制器；将反馈校正控制器输出的电流值输入电池ECM，校正电池ECM输出的端电压；通过不断反馈校正，使电池ECM的端电压趋近于实际电池端电压，即使两者的差值小于设定的阈值，从而模拟实际电池工作状态，获取电池荷电状态估计值。进一步地，根据实际电池的端电压数据，不断对电池ECM的输入电流进行反馈调节，使电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值小于设定的阈值，从而不断校准电池ECM的开路电压；在此过程中，由于电池ECM与实际电池的阶跃响应近似，使得电池ECM的运行状态，包括工作电流、工作电压以及SOC，与实际电池近似相等，进而获取实际电池SOC估计值。进一步地，所述电池ECM采用二阶RC电池ECM，首先根据所得到的脉冲放电曲线拟合得到电池OCV-SOC曲线，计算公式如下：(1)(2)其中VOCV为电池ECM的开路电压，Vm为二阶RC电池ECM的端电压，VR0为二阶RC电池ECM中R0的电压，V1、V2分别为1、2阶RC环节的电压，并可通过插值获得电池ECM中RC参数，计算公式如下：(3)。进一步地，测试所建立的电池ECM的模型精度，测试时，分别将实际电池和电池ECM在幅值1/3C脉冲充放电工况下进行试验，并对比两者的端电压响应。进一步地，分别采用比例-积分(Proportional-Integral，简称PI)反馈控制器和滑模控制(Sliding-mode-Control，简称SMC)反馈控制器作为反馈校正控制器对电池ECM的输入电流进行反馈调节，分别如下所示：(4)(5)其中Kp为比例系数，Ki为积分系数，Va为实际电池端电压，Vm为电池ECM的端电压，IBat为电池ECM的输入电流。进一步地，搭建电池SOC估计精度测试平台，并将所获取的电池电流、端电压数据加载到电池SOC估计精度测试平台中，得到电池SOC估计结果，分别包括基于PI反馈控制器与基于SMC反馈控制器的估计结果，分析不同反馈校正控制器在不同工况下的电池SOC估计精度。进一步地，所述电池SOC估计精度测试平台使用电池充放电测试仪分别以美国城市循环工况（UrbanDynamometerDrivingSchedule，简称UDDS）和新欧洲行驶工况（NewEuropeanDrivingCycle，简称NEDC）所获得的电气工况对单体电池进行充放电测试，分析不同反馈校正控制器在不同工况下的电池SOC估计精度：相对于基于PI反馈控制器的SOC估计精度，基于SMC反馈控制器的SOC估计精度更高；对比不同工况下的SOC估计精度，电池运行在NEDC电气工况下的最大估计误差较大，而在UDDS工况下的最大估计误差较小。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：该方法主要通过电池ECM和反馈校正控制器来实现电池荷电状态估计，其将电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制的输入，并输出电流值作为电池ECM的输入以校准电池ECM的工作状态，使电池ECM的端电压趋近于实际电池端电压，从而获取电池荷电状态估计值。该方法可以使得电池ECM输出的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池ECM的开路电压，获取电池实际SOC，所获取的电池SOC误差大约在4%以内，具备较高的估计精度。此外，该方法对控制电路的复杂度要求较低，简单可行，易于实现，可高效稳定地运行在嵌入式系统中，应用于储能电源、电动汽车动力电池、消费电子电源等领域中。附图说明图1是本专利技术实施例的工作原理图。图2是本专利技术实施例中n阶RC电池等效电路模型。图3是本专利技术实施例中电池模型动态响应曲线图。图4是本专利技术实施例中UDDS电流工况下基于PI反馈控制器的电池端电压变化曲线图。图5是本专利技术实施例中UDDS电流工况下基于PI反馈控制器的电池SOC估计曲线图。图6是本专利技术实施例中NEDC电流工况下基于PI反馈控制器的电池端电压变化曲线图。图7是本专利技术实施例中NEDC电流工况下基于PI反馈控制器的电池SOC估计曲线图。图8是本专利技术实施例中UDDS电流工况下基于SMC反馈控制器的电池端电压变化曲线图。图9是本专利技术实施例中UDDS电流工况下基于SMC反馈控制器的电池SOC估计曲线图。图10是本专利技术实施例中NEDC电流工况下基于SMC反馈控制器的电池端电压变化曲线图。图11是本专利技术实施例中NEDC电流工况下基于SMC反馈控制器的电池SOC估计曲线图。图中：1-电池充放电测试仪(BTS5V12A)，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其特征在于，将电池等效电路模型的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制器的输入，并通过反馈校正控制器输出的电流值调控电池等效电路模型的工作状态，使电池等效电路模型的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池等效电路模型的开路电压，获取实际电池荷电状态估计值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其特征在于，将电池等效电路模型的端电压与实际电池端电压的差值作为反馈校正控制器的输入，并通过反馈校正控制器输出的电流值调控电池等效电路模型的工作状态，使电池等效电路模型的端电压实时跟随实际电池端电压变化，从而不断校准电池等效电路模型的开路电压，获取实际电池荷电状态估计值。


2.根据权利要求1所述的一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立电池等效电路模型ECM；
设计端电压校准的反馈校正控制器，使电池ECM的端电压始终跟随实际电池端电压变化，从而模拟实际电池工作状态；
使用电池充放电测试仪获取实际电池端电压，将电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值输入反馈校正控制器；
将反馈校正控制器输出的电流值输入电池ECM，校正电池ECM输出的端电压；
通过不断反馈校正，使电池ECM的端电压趋近于实际电池端电压，即使两者的差值小于设定的阈值，从而模拟实际电池工作状态，获取电池荷电状态估计值。


3.根据权利要求2所述的一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其特征在于，根据实际电池的端电压数据，不断对电池ECM的输入电流进行反馈调节，使电池ECM的端电压与实际电池端电压的差值小于设定的阈值，从而得到校准后的电池ECM的电池开路电压；在此过程中，由于电池ECM与实际电池的阶跃响应近似，使得电池ECM的运行状态，包括工作电流、工作电压以及SOC，与实际电池近似相等，进而获取实际电池SOC估计值。


4.根据权利要求2所述的一种基于开路电压校准的电池荷电状态估计方法，其特征在于，所述电池ECM采用二阶RC电池ECM，首先根据所得到的脉冲放电曲线拟合得到电池OCV-SOC曲线，计算公式如下：

(1)

(2)
其中VOCV为电池EC...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，钟浩，杨庆伟，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35