[发明专利]基于单体电池的串联电池组荷电状态SOC在线估计方法

摘要

本发明公开了一种基于单体电池的串联电池组荷电状态SOC在线估计方法，包括以下步骤：中央控制器发送时间基准和软同步采样时间间隔给所有本地控制器；中央控制器采样电流并记录时间戳；各本地控制器采样单体电池的电压、温度并记录时间戳；各本地控制器后对各单体电池的电压、电流和温度进行时间戳软同步；各本地控制器递推在线辨识各单体电池参数；各本地控制器自适应估计各单体电池SOC；中央控制器计算串联电池组的荷电状态SOC。本发明实现了对串联电池组中各单体电池的荷电状态SOC的在线估计和基于此的串联电池组SOC在线估计，具有SOC估计精度高、对串联电池组的不同使用环境条件、运行工况在其全寿命周期内自适应的特点。

主权项

1.一种基于单体电池的串联电池组荷电状态SOC在线估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、中央控制器BCU发送采样开始时间基准TB和软同步采样时间间隔△t给所有本地控制器BMU；步骤2、中央控制器BCU从TB开始，每间隔△t对通过所述串联电池组的电流进行采样，并将通过串联电池组的电流序列I_NI及其对应的采样的时间戳n_NI通过CAN总线发送给各本地控制器BMU，其中，n_NI为I_NI采样时刻与TB间的△t的个数，NI为采样所得的通过串联电池组的电流值的序号；步骤3、各本地控制器BMU从TB开始，每间隔△t通过其同步采样保持电路对串联电池组中其各自对应的单体电池的电压、温度进行采样，得单体电池的电压V_i,j^NC、温度T_i,j^NC，记录每次V_i,j^NC、T_i,j^NC采样时刻与TB间的△t的个数n_i,j^NC作为V_i,j^NC、T_i,j^NC采样的时间戳,其中，i为本地控制器BMU的编号、j为第i个本地控制器BMU所对应的单体电池的编号,上标NC为采样所得的单体电池的电压值、温度值的序号；步骤4、各本地控制器BMU通过CAN总线接收来自中央控制器BCU的电流值I_NI及其相应的n_NI，将n_i,j^NC＝n_NI对应的单体电池的电压V_i,j^NC、温度T_i,j^NC与I_NI配组，从而得到基于时间戳软同步后的同一时刻的单体电池的电压Vs_i,j、电流Is_i,j和温度Ts_i,j；步骤5、各本地控制器分别使用各单体电池的电压Vs_i,j、电流Is_i,j和温度Ts_i,j，执行基于电池等效电路模型中的各单体电池参数及对电池等效电路模型中未涵盖电池效应进行综合模拟的各单体电池参数的递推在线辨识；步骤6、各本地控制器执行双端自校正的自适应荷电状态SOC估计方法，得各单体电池的荷电状态SOC_i,j，并将SOC_i,j通过CAN总线发送给中央控制器BCU；步骤7、中央控制器BCU通过以下公式计算串联电池组的荷电状态SOC^BP：SOC^BP＝min[SOC_i,j],式中，i为本地控制器BMU的编号、j为第i个本地控制器BMU所对应的单体电池的编号；所述步骤5中的各本地控制器分别使用各单体电池的电压Vs_i,j、电流Is_i,j和温度Ts_i,j，执行基于电池等效电路模型中的各单体电池参数及对电池等效电路模型中未涵盖电池效应进行综合模拟的各单体电池参数的递推在线辨识，所述电池等效电路模型为戴维南模型，所述电池等效电路模型中的各单体电池参数包括单体电池的开路电压V_oc,i,j、单体电池的直流内阻R_in,i,j、用于模拟单体电池的电荷转移现象的RC回路中的电阻R_p,i,j和电容C_p,i,j，在时刻k，电池等效电路模型中未涵盖电池效应进行综合模拟的单体电池参数为由白噪声的滑动平均值所构建的在电池等效电路模型的输出端添加的有色噪声w_k,i,j；所述递推在线辨识的方法为递推扩展最小二乘法，对每一单体电池(i,j)，其中，i为本地控制器BMU的编号、j为第i个本地控制器BMU所对应的单体电池的编号，记时刻k时的单体电池(i,j)的Vs_i,j、电流Is_i,j和温度Ts_i,j分别为V_t,k、I_k、T_k，具体包括如下步骤：步骤501、按公式Γ^T_k＝[1 I_k (I_k‑I_k‑1)/△t (V_t,k‑V_t,k‑1)/△t n_k‑1…n_k‑nc]计算时刻k输入向量的递推值Γ，其中，Γ^T₁＝Γ^T₂＝…＝Γ^T_nc＝Γ₀,Γ₀为给定的初始值，I、V_t为通过传感器采样的电池的电流和端电压，其中，电流充电时为负，放电时为正，k代表第k时刻、k‑1代表第k‑1时刻，△t为第k时刻和第k‑1时刻间的时间，n_k‑1、n_k‑nc分别为前一时刻k‑1、前nc时刻k‑nc的随机误差；步骤502、按公式P_k＝[P_k‑1‑P_k‑1Γ_kΓ^T_kP_k‑1/(λ+Γ^T_k P_k‑1Γ_k)]/λ更新第k时刻的增益因子P_k，其中，k、k‑1分别代表第k时刻和k‑1时刻，λ为遗忘因子，取值区间为0.95‑1；步骤503、按公式θ_k＝θ_k‑1+P_kΓ_k[V_t,k‑Γ^T_kθ_k‑1]计算第k时刻的待辨识参数向量θ_k；步骤504、在k+1时刻电池的电流I和端电压V_t采样值更新后，按公式n_k+1‑i＝V_t,k+1‑i‑Γ^T_k+1‑iθ_k+1‑i，i＝1,2,3,…,nc；更新当前时刻以前的nc个时刻的随机误差，将k用k+1代替，返回步骤501，实现递推；步骤505、利用在步骤501‑504递推计算中获得待辨识参数向量θ_k中的元素θ_1,k、θ_2,k、θ_3,k、θ_4,k，分别按公式V_oc＝θ_1,k、R_in＝θ_3,k/θ_4,k、R_p＝‑θ_2,k‑θ_3,k/θ_4,k、C_p＝θ_4,k²/(θ_2,kθ_4,k+θ_3,k)计算出电池等效电路模型中的电池开路电压V_oc、直流内阻R_in、RC电路中的R_p和C_p；所述步骤6具体包括如下步骤：步骤601、利用基于相同电化学体系的电池的SOC与电池的开路电压与温度的关系不随电池老化而改变的原理，通过实验测出单体电池SOC与其开路电压Voc和温度T的关系SOC^OCV，T＝f(Voc,T)，使用步骤5中递推在线辨识出的单体电池的开路电压V_oc,i,j和所述步骤4中得到的单体电池温度Ts_i,j代替SOC^OCV，T＝f(Voc,T)中的Voc和T，计算单体电池(i,j)的模型荷电状态SOC^Model_i,j；步骤602、利用步骤4中得到的单体电池电流Is_i,j，按公式SOC^Ah_i,j＝∑(Is_i,j△t)计算单体电池(i,j)的积分荷电状态SOC^Ah_i,j,其中；△t为前后两次Is_i,j更新间的时间间隔；步骤603、按以下步骤计算单体电池(i,j)的荷电状态SOC_i,j：1)如果电池静置时间超过设定时间T1，则SOC_i,j＝SOC^OCV，T＝f(Voc,T),其中，Voc为BCU上电后|Is_i,j|近似为0期间在所述步骤4中得到的单体电池的电压；2)如果|V^m_i,j‑Vs_i,j|<δ,则SOC_i,j＝SOC^Model_i,j，其中，δ为电压差用于判断所述步骤5中递推在线辨识出的单体电池参数是否准确，取值10‑20mV，V^m_i,j为按下式计算的单体电池(i,j)的电压：V^m_i,j＝V_oc,i,j‑(R_in,i,j+R_p,i,j)Is_i,j‑R_p,i,jC_p,i,j(R_in,i,j△Is/△t+△Vs/△t)+w_k,i,j式中，V_oc,i,j、R_in,i,j、R_p,i,j、C_p,i,j、w_k,i,j分别为步骤5中辨识出的单体电池(i,j)的开路电压、直流内阻、RC回路中的电阻和电容、有色噪声，△t为当前时刻与前一时刻的时间差，△Is＝Is_i,j‑Is_i,j^‑1、△Vs＝Vs_i,j‑Vs_i,j^‑1，Is_i,j^‑1、Vs_i,j^‑1分别为前一时刻的Vs_i,j、Is_i,j，Vs_i,j、Is_i,j分别为步骤4中得到的基于时间戳软同步后的同一时刻的单体电池的电压、电流；3)如果Vs_i,j>VH或Vs_i,j<VL且|Is_i,j|<IL且|Is_i,j|<IL的持续时间>Tlim，则用Vs_i,j代替V、Ts_i,j代替T计算SOC_i,j＝f1(V,T)，其中，f1(V,T)为通过实验获得的单体电池SOC与其电压V和温度T的关系，VH、VL、IL、Tlim分别为通过实验获得的对电池进行恒流限压充电时接近充满电状态时的单体电池电压、进行恒流限压放电时接近放空时的单体电池电压、用于判断电池恒流充电或放电过程中是否达到限压状态的电流值、用于确认电池恒流充电或放电过程中是否达到限压状态的时间；4)否则，SOC_i,j＝SOC^Ah_i,j。