基于單體電池的串聯電池組荷電狀態soc在線估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電池管理系統技術，具體是一種基于單體電池的串聯電池組荷電狀態SOC在線估計方法。
【背景技術】
[0002 ]荷電狀態SOC用于表征電池的剩余電量，是評價電池剩余能力、合理充分地使用電池和避免濫用電池的重要參數，對電動汽車而言，高精度SOC的可靠估計更是解決電動汽車里程焦慮問題的重要基礎。為滿足如電動汽車對電池的大功率和大儲能量要求，需要將單體電池串聯使用。
[0003]影響SOC估計精度的因素很多，包括使用環境條件、使用工況條件以及電池內部的電化學效應等，是不可直接在線測量的，只能利用采集到的電池電壓、電流和溫度等傳感器信號進行估計。目前，SOC的在線估計方法主要有安時積分法、卡爾曼濾波法、神經網絡法、模糊邏輯法等，存在沒有很好面向電池壽命周期和估計精度低的問題。尤其對串聯電池組而言，理論上應將電池組中SOC最低的單體電池的SOC作為電池組的SOC O但現有的串聯電池組SOC估計方法，由于考慮到成本和電池管理系統的復雜度等，未能實現對串聯電池組中單體電池的SOC的在線估計，從而使所估計出來的串聯電池組的SOC與串聯電池組的實際SOC存在較大的誤差，導致對串聯電池組的實際充放電能力未能合理充分地利用，造成了對電池組能力的浪費;或存在欲充分利用電池組而導致的濫用電池的風險。
【發明內容】
[0004]針對現有技術中的缺陷，本發明提供了一種基于單體電池的串聯電池組荷電狀態SOC在線估計方法。
[0005]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種基于單體電池的串聯電池組荷電狀態SOC在線估計方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0006]步驟1、中央控制器BCU發送采樣開始時間基準TB和軟同步采樣時間間隔At給所有本地控制器BMU;
[0007]步驟2、中央控制器BCU從TB開始、，每間隔At對通過所述串聯電池組的電流進行采樣得，并將通過串聯電池組的電流序列Ini及其對應的采樣的時間戳nNI通過CAN總線發送給各本地控制器BMU，其中，ηΝΙ*ΙΝΙ采樣時刻與TB間的At的個數，下標NI為采樣所得的通過串聯電池組的電流值的序號；
[0008]步驟3、各本地控制器BMU從TB開始，每間隔Λt通過其同步采樣保持電路對串聯電池組中其各自對應的單體電池的電壓、溫度進行采樣，得單體電池的電壓V1,、溫度TiunS記錄每次氕嚴山,廣采樣時刻與TB間的At的個數m./e作為V1.j'T1./e采樣的時間戳，其中，下標i為本地控制器BMU的編號、下標j為第i個本地控制器BMU所對應的單體電池的編號，上標NC為采樣所得的單體電池的電壓值、溫度值的序號；
[0009]步驟4、各本地控制器BMU通過CAN總線接收來自中央控制器B⑶的電流值Ini及其相應的nNI，將m,嚴= nNI對應的單體電池的電壓1,/^、溫度T1,嚴與Ini配組，從而得到基于時間戳軟同步后的同一時刻的單體電池的電壓Vs1, >電流Isiu和溫度Tsiu;
[0010]步驟5、各本地控制器分別使用各單體電池的電壓Vsi,」、電流Isi, j和溫度Tsi,」，執行基于電池等效電路模型中的各單體電池參數及對電池等效電路模型中未涵蓋電池效應進行綜合模擬的各單體電池參數的遞推在線辨識；
[0011 ]步驟6、各本地控制器執行雙端自校正的自適應荷電狀態SOC估計方法，得各單體電池的荷電狀態SOCi, j，并將SOCi, j通過CAN總線發送給中央控制器B⑶；
[0012]步驟7、中央控制器B⑶通過以下公式計算串聯電池組的荷電狀態SOCbp
[0013]SOCbp=min[ SOCi, j，
[0014]式中，i = 1-本地控制器BMU的個數，j = 1-第i個本地控制器BMU所對應的單體電池的個數。
[0015]所述步驟5中的各本地控制器分別使用各單體電池的電壓Vslu、電流Isiu和溫度Ts^，執行基于電池等效電路模型中的各單體電池參數及對電池等效電路模型中未涵蓋電池效應進行綜合模擬的各單體電池參數的遞推在線辨識，所述電池等效電路模型為Thevenin模型，所述電池等效電路模型中的各單體電池參數包括單體電池的開路電壓V。。, i, j、單體電池的直流內阻Rin, i, j、用于模擬單體電池的電荷轉移現象的RC回路中的電阻RP, i,j和電容CP,i,j，在時刻k，電池等效電路模型中未涵蓋電池效應進行綜合模擬的單體電池參數為由白噪聲的滑動平均值所構建的在電池等效電路模型的輸出端添加的有色噪聲
ffk, i, j ο
[0016]所述遞推在線辨識的方法為遞推擴展最小二乘法，對每一單體電池(i，j，i= 1-本地控制器BMU的個數，j = 1-第i個本地控制器BMU所對應的單體電池的個數)，記時刻k時的單體電池(i，j)的Vsi, j、電流Isi, j和溫度Tsi,』分別為Vt,k、Ik、Tk，具體包括如下步驟:
[0017]步驟501、按公式Γ\=[1 Ik(Ik-1k-1)/At(Vt,k-Vt,k-1)/At nk-1…nk-nc]計算時刻k輸入向量的遞推值Γ，其中，Γ'= Γτ2 =…=rTnc= Γο，Γο為給定的初始值，1、Vt為通過傳感器米樣的電池的電流(充電時為負，放電時為正)、端電壓，下標k代表第k時刻、k-1代表第k-Ι時刻，At為第k時刻和第k-Ι時刻間的時間，nk-1、…、nk-n。分別為前一時刻k-Ι、前nc時亥ljk-nc的隨機誤差；
[0018]步驟502、按公式Pk=[Pk-1-Pk-1 Γ k Γ TkPk-1/(A+ Γ TkPk-1 Γ k) ]Λ更新第k時刻的增益因子Pk，其中，下標k、k-l分別代表第k時刻和k-1時刻，λ為遺忘因子(通常取值區間為0.95-
1);
[0019]步驟503、按公式Ok = Ok-1+Pk Γ k[Vt,k_ Γ Tk0k-1]計算第k時刻的待辨識參數向量Ok;
[0020]步驟5O4、在k+1時刻電池的電流I和端電壓Vt采樣值更新后，按公式nk+卜i=Vt,k+1-1-rTk+1-10k+1-1(i = l，2，3，…，nc)更新當前時刻以前的nc個時刻的隨機誤差，將k用k+I代替，返回步驟501，實現遞推；
[0021]步驟505、利用在步驟501-504遞推計算中獲得待辨識參數向量Ok中的元素O1,k、
02,k、03,k、04,k，分別按公式Voc = Ol, k、Rin = 03, k/04,k、Rp =-02,k-03,k/04,k、CP = 04, k2/(02,k04,k+
03,k)計算出電池等效電路模型中的電池開路電壓V。。、直流內阻Rin、RC電路中的仏和^。
[0022]所述步驟6具體包括如下步驟:
[0023 ]步驟601、利用基于相同電化學體系的電池的SOC與電池的開路電壓與溫度的關系不隨電池老化而改變的原理，通過實驗測出單體電池SOC與其開路電壓Voc和溫度T的關系SOCocv'T = f (Voc，T)，使用步驟5中遞推在線辨識出的單體電池的開路電壓V。。, i, j和所述步驟4中得到的單體電池溫度Tsid代替50(:[0’7 =汽￥0(3，1')中的￥0(3和1'，計算單體電池(1，」)的模型荷電狀態S0CM°deli,j;
[0024]步驟602、利用步驟4中得到的單體電池電流Islu，按公式
[0025]S0CAhi,j= 2(ISi,jAt)計算單體電池(i，j)的積分荷電狀態S0CAhi,j，其中；At為前后兩次IS i, j更新間的時間間隔；
[0026]步驟603、按以下步驟計算單體電池(i，j)的荷電狀態SOCi, j:
[0027]I)如果電池靜置時間超過設定時間Tl，則SOC1.jzSOC—’TzfXVoc，!')，其中，Voc為BMS上電后I Isiu I近似為O期間在所述步驟4中得到的單體電池的電流Is1, j;
[0028]2)如果卜\廠^1,」<1則30(:1^ = 50(^(1(311,」，其中4為電壓差用于判斷所述步驟5中遞推在線辨識出的單體電池參數是否準確(一般取，10-20mV)，Vmlu為按下式計算的單體電池(i，j)的電壓:
[0029]Vmi,j = Voc,i,j-(Rin,i,j+RP,i,j)Isi,j-RP,i,jCP,i,j(Rin,i,jAIs/At+AVs/At)+ffk,i,j
[0030]式中，￥。6小1?^小1^小0^小1&分別為步驟5中辨識出的單體電池(^)的開路電壓、直流內阻、RC回路中的電阻和電容、有色噪聲，At為當前時刻與前一時刻的時間差，Δ IS = I Si, j_I Si, j、AVs = Vsi, j_Vsi, j , Isi, j、Vsi,j 分力|J 為如時刻的 Vsi, j、I Si, j，Vs1, j、ISlu分別為步驟4中得到的基于時間戳軟同步后的同一時刻的單體電池的電壓、電流；
[0031 ] 3)如果(Vsi, j>VH或Vsi, j<VL)且 | Isilj <IL且 | Isilj <IL的持續時間 >Tlim,M用￥8^代替￥、1^,」代替1'計算50(^,」=0(￥，1')，其中41(￥，1')為通過實驗獲得的單體電池SOC與其電壓V和溫度T的關系，VH、VL、IL、Tlim分別為通過實驗獲得的對電池進行恒流限壓充電時接近充滿電狀態時的單體電池電壓、進行恒流限壓放電時接近放空時的單體電池電壓、用于判斷電池恒流充電或放電過程中是否達到限壓狀態的電流值、用于確認電池恒流充電或放電過程中是否達到限壓狀態的時間；
[0032]4)否則，S