電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)在線估算裝置及估算方法
【專利摘要】一種電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)在線估算裝置及估算方法，其監(jiān)測單元實時測量電池組的運行狀態(tài)；存儲單元存儲監(jiān)測單元測量得到的數(shù)據(jù)；迭代計算單元計算電池模型的迭代參數(shù)；電壓預(yù)測單元計算輸出電壓預(yù)測值；誤差計算單元計算電壓預(yù)測值和實測值之間的誤差；參數(shù)預(yù)測單元計算電池組的等效內(nèi)阻和等效電容值；平均溫度計算單元計算一小時內(nèi)的環(huán)境溫度平均值；溫度校正單元將電池組參數(shù)值折算至常溫25℃下的校正值；健康狀態(tài)估算單元預(yù)測電池的健康狀態(tài)；解耦單元實現(xiàn)對電池健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)的解耦；荷電狀態(tài)估算單元預(yù)測電池的荷電狀態(tài)。該裝置可以在實時工作狀態(tài)下對電池的健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)進(jìn)行估算。
【專利說明】電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)在線估算裝置及估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)估算裝置及估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的不斷枯竭以及電池技術(shù)的不斷發(fā)展，電池儲能技術(shù)得到了越來越多的應(yīng)用。例如在電動汽車、不間斷供電系統(tǒng)、分布式儲能等【技術(shù)領(lǐng)域】中，電池組作為核心的能量來源起到了十分關(guān)鍵的作用。在電池組的使用過程中，由于環(huán)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(tài)(State-of-Charge，S0C)和健康狀態(tài)(State-of-Health, S0H)隨時會發(fā)生變化。在極端的情況下，電池組可能工作在不安全狀態(tài)，從而導(dǎo)致電池系統(tǒng)的故障，甚至引發(fā)爆炸，火災(zāi)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(tài)和健康狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)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(tài)，并對電池的健康狀態(tài)進(jìn)行合理評估。
[0003]在電池組SOC估算方面，現(xiàn)有的技術(shù)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(shù)。前者依據(jù)大量的前期實驗數(shù)據(jù)，后者在前期實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(shù)據(jù)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(tài)的估算方法”，均存在上述問題。
[0004]在電池組SOH估算方面，現(xiàn)有的方法主要是對電池進(jìn)行老化試驗，然后基于老化試驗數(shù)據(jù)獲得電池的老化規(guī)律，進(jìn)而實現(xiàn)對電池SOH的估算。如中國專利CN102175978A“電池壽命的檢測方法和設(shè)備”，中國專利CN103344920A “一種檢測電池健康狀態(tài)的方法及設(shè)備”均采用上述方法。但是這種方法的實現(xiàn)需要大量的實驗數(shù)據(jù)作為支撐，當(dāng)電池實際工作環(huán)境不同于測試環(huán)境時，并不能保證預(yù)測精度，且該方法只能進(jìn)行離線開環(huán)預(yù)測。
[0005]綜上所述，如何在電池組實時工作狀態(tài)下，解決電池健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)之間的耦合關(guān)系，并實現(xiàn)對電池組荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)的估算，是當(dāng)前亟待解決的一大課題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)估算中存在的問題，提出一種電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)估算裝置和估算方法。本發(fā)明可在便于實時應(yīng)用的前提下，進(jìn)一步提高估算精度，以適用于需要對電池的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控的場合。
[0007]本發(fā)明為解決其具體的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]本發(fā)明電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)估算裝置包含監(jiān)測單元、存儲單元、迭代計算單元、電壓預(yù)測單元、誤差計算單元、參數(shù)預(yù)測單元、平均溫度計算單元、溫度校正單元、健康狀態(tài)估算單元、解耦單元，以及荷電狀態(tài)估算單元。
[0009]所述的監(jiān)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(jiān)測單元的輸出端相連，其輸入信號為監(jiān)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(xù)兩個采樣時間內(nèi)的電池組的電壓鎖存信號、連續(xù)三個米樣時間內(nèi)的電池組的電流鎖存信號和一小時以內(nèi)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(shù)。所述的電壓預(yù)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(shù)、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(yù)測值。所述的誤差計算單元的輸入端與監(jiān)測單元的輸出端，以及電壓預(yù)測單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組的電壓預(yù)測值和電壓測量值，輸出信號為電池組的電壓預(yù)測誤差。所述的參數(shù)預(yù)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(shù)，輸出信號為電池組的等效內(nèi)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(nèi)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(shù)預(yù)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(nèi)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(nèi)阻和電容的校正值。所述的電池健康狀態(tài)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(tài)的預(yù)測值。所述的解耦單元的輸入端與健康狀態(tài)估算單元的輸出端相連，其輸入信號為電池組健康狀態(tài)預(yù)測值，輸出信號為電池組健康狀態(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子。所述的電池荷電狀態(tài)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(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子、電池的等效內(nèi)阻校正值，輸出信號為電池組荷電狀態(tài)的預(yù)測值。 [0010]所述的監(jiān)測單元由電壓監(jiān)測子單元、電流監(jiān)測子單元和溫度監(jiān)測子單元組成。電壓監(jiān)測子單元的輸入端跨接在電池組的總正和總負(fù)上，用于采集并輸出電池組的總電壓。電流監(jiān)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(jiān)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(jiān)測單元的電壓監(jiān)測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出當(dāng)前連續(xù)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(jiān)測單元的電流監(jiān)測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出當(dāng)前連續(xù)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(jiān)測單元的溫度監(jiān)測子單元的輸出端相連，用于存儲并輸出一小時內(nèi)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(jìn)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(nèi)阻Ro，用來表示電池的荷電狀態(tài)；等效電容Cn表示電池的健康狀態(tài)；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(shù)為:
【權(quán)利要求】
1.一種電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)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(jiān)測單元(102)，所述的監(jiān)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(jiān)測單元(102)的輸入端與電池組(101)的總正端、總負(fù)端以及各溫度采集點相連，監(jiān)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(jiān)測單元(102)的輸出端相連，用于保存監(jiān)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(shù)據(jù)； 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(shù)；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(shù)； 電壓預(yù)測單元(105)，所述電壓預(yù)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(yù)測單元(105)用于計算并輸出電池在當(dāng)前時刻的電壓預(yù)測值，其輸入信號為電池模型迭代更新參數(shù)、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(yù)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(jiān)測單元(102)的輸出端，以及電壓預(yù)測單元(1 05)的輸出端相連，用于計算電壓預(yù)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(yù)測值和電壓測量值，輸出信號為電池組電壓預(yù)測誤差； 參數(shù)預(yù)測單元(107)，所述參數(shù)預(yù)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(nèi)阻和等效電容值；所述的參數(shù)預(yù)測單元(107)的輸入信號為電池模型迭代更新參數(shù)，輸出信號為電池組的等效內(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)預(yù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)阻和電容的校正值； 電池健康狀態(tài)估算單元(110)，所述電池健康狀態(tài)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(dāng)前時刻電池組健康狀態(tài)的預(yù)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(tài)的預(yù)測值； 解耦單元(111)，所述解耦單元(111)的輸入端與健康狀態(tài)估算單元(110)的輸出端相連，用于實現(xiàn)電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)的解耦，所述的解耦單元(111)的輸入信號為電池組健康狀態(tài)預(yù)測值，輸出信號為電池組健康狀態(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子；電池荷電狀態(tài)估算單元(112)，所述電池荷電狀態(tài)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(tài)的預(yù)測值；所述的電池荷電狀態(tài)估算單元(112)的輸入信號為電池組健康狀態(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子、電池組的等效內(nèi)阻校正值，輸出信號為電池組荷電狀態(tài)的預(yù)測值。
2.按照權(quán)利要求1所述的電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)在線估算裝置，其特征在于所述的監(jiān)測單元(102)由電壓監(jiān)測子單元(1021)、電流監(jiān)測子單元(1022)和溫度監(jiān)測子單元(1023)組成；電壓監(jiān)測子單元(1021)的輸入端跨接在電池組(101)的總正端和總負(fù)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(fù)兩端之間的電壓；電流監(jiān)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(jiān)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(quán)利要求1所述的電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)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(jiān)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(shù)據(jù)uk，Uk^1 ；電流鎖存子單元(1032)的輸入端與電流監(jiān)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(shù)據(jù)ik，in，ik_2 ;溫度存儲子單元(1033)的輸入端與溫度監(jiān)測子單元(1023)的輸出端相連，用于存儲并輸出一小時內(nèi)電池組的溫度數(shù)據(jù)Tn, Tlri,…，1\。
4.按照權(quán)利要求1所述的電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)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(quán)利要求1所述的電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)在線估算裝置，其特征在于所述的所述的參數(shù)預(yù)測單元(107)由內(nèi)阻預(yù)測子單元(1071)和電容預(yù)測子單元(1072)組成，分別用于計算并輸出電池組的等效內(nèi)阻和等效電容值；內(nèi)阻預(yù)測子單元(1071)和電容預(yù)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(quán)利要求1所述的估算裝置估算電池組健康狀態(tài)和荷電狀態(tài)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(jiān)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(jiān)測單元(102)發(fā)送的信號，存儲并輸出當(dāng)前連續(xù)2個采樣時間的電池組的電壓信號值uk，Ulr1、當(dāng)前連續(xù)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(nèi)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(jù)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(yù)測誤差A(yù)uk+1，計算并輸出電池模型迭代參數(shù)矩陣么+1.? 步驟D:電壓預(yù)測單元(105)根據(jù)迭代計算單元(104)輸出的電池模型迭代參數(shù)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(yù)測值<+1; 步驟E:誤差計算單元(106)根據(jù)電壓預(yù)測單元(105)輸出的電池組電壓輸出預(yù)測值i以及監(jiān)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(yù)測誤差A(yù) uk+1 ; 步驟F:參數(shù)預(yù)測單元(107)根據(jù)迭代計算單元(104)輸出的電池模型迭代參數(shù)矩陣4:，計算電池的等效內(nèi)阻Ro, k和等效電容Cn, k ； 步驟G:平均溫度計算單元(108)根據(jù)一小時內(nèi)電池組各溫度采集點的溫度數(shù)據(jù)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(nèi)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(tài)估算單元(110)根據(jù)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(tài)預(yù)測值SOHk ； 步驟J:解耦單元(111)根據(jù)健康狀態(tài)估算單元(110)輸出的電池的健康狀態(tài)預(yù)測值SOHk,計算電池健康狀態(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子a ； 步驟K:荷電狀態(tài)估算單元(112)根據(jù)溫度校正單元(109)輸出的電池等效內(nèi)阻值Ro, k, ref,以及解耦單元(111)輸出的電池健康狀態(tài)與荷電狀態(tài)之間的耦合因子a，通過查表法估算電池的荷電狀態(tài)預(yù)測值。
7.按照權(quán)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(shù)為:
8.按照權(quán)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(shù)預(yù)測單元(107)計算電池的等效內(nèi)阻Ro，k和等效電容Cn，k的方法如下:參數(shù)預(yù)測單元(107)中的內(nèi)阻預(yù)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(shù)矩陣或，^ =[\J2J0 J1J2 A A Afl并輸出k時刻電池的等效內(nèi)阻Ro，k，具體計算公式如下:
9.按照權(quán)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(shù)預(yù)測單元(107)輸出的等效內(nèi)阻Ro，k和等效電容Cn，k值，并根據(jù)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(nèi)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(quán)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(tài)估計單元(110)根據(jù)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(tài)SOHk進(jìn)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(yōu)先權(quán)日:2014年1月12日
【發(fā)明者】李勇, 王麗芳, 王立業(yè), 廖承林, 徐冬平 申請人:中國科學(xué)院電工研究所