基于单体电池的串联电池组荷电状态soc在线估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电池管理系统技术，具体是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。
【背景技术】
[0002 ]荷电状态SOC用于表征电池的剩余电量，是评价电池剩余能力、合理充分地使用电池和避免滥用电池的重要参数，对电动汽车而言，高精度SOC的可靠估计更是解决电动汽车里程焦虑问题的重要基础。为满足如电动汽车对电池的大功率和大储能量要求，需要将单体电池串联使用。
[0003]影响SOC估计精度的因素很多，包括使用环境条件、使用工况条件以及电池内部的电化学效应等，是不可直接在线测量的，只能利用采集到的电池电压、电流和温度等传感器信号进行估计。目前，SOC的在线估计方法主要有安时积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法、模糊逻辑法等，存在没有很好面向电池寿命周期和估计精度低的问题。尤其对串联电池组而言，理论上应将电池组中SOC最低的单体电池的SOC作为电池组的SOC O但现有的串联电池组SOC估计方法，由于考虑到成本和电池管理系统的复杂度等，未能实现对串联电池组中单体电池的SOC的在线估计，从而使所估计出来的串联电池组的SOC与串联电池组的实际SOC存在较大的误差，导致对串联电池组的实际充放电能力未能合理充分地利用，造成了对电池组能力的浪费;或存在欲充分利用电池组而导致的滥用电池的风险。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明提供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。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案来实现: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:
[0006]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At给所有本地控制器BMU;
[0007]步骤2、中央控制器BCU从TB开始、，每间隔At对通过所述串联电池组的电流进行采样得，并将通过串联电池组的电流序列Ini及其对应的采样的时间戳nNI通过CAN总线发送给各本地控制器BMU，其中，ηΝΙ*ΙΝΙ采样时刻与TB间的At的个数，下标NI为采样所得的通过串联电池组的电流值的序号；
[0008]步骤3、各本地控制器BMU从TB开始，每间隔Λt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V1,、温度TiunS记录每次氕严山,广采样时刻与TB间的At的个数m./e作为V1.j'T1./e采样的时间戳，其中，下标i为本地控制器BMU的编号、下标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；
[0009]步骤4、各本地控制器BMU通过CAN总线接收来自中央控制器B⑶的电流值Ini及其相应的nNI，将m,严= nNI对应的单体电池的电压1,/^、温度T1,严与Ini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Vs1, >电流Isiu和温度Tsiu;
[0010]步骤5、各本地控制器分别使用各单体电池的电压Vsi,」、电流Isi, j和温度Tsi,」，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；
[0011 ]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SOCi, j，并将SOCi, j通过CAN总线发送给中央控制器B⑶；
[0012]步骤7、中央控制器B⑶通过以下公式计算串联电池组的荷电状态SOCbp
[0013]SOCbp=min[ SOCi, j，
[0014]式中，i = 1-本地控制器BMU的个数，j = 1-第i个本地控制器BMU所对应的单体电池的个数。
[0015]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Vslu、电流Isiu和温度Ts^，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Thevenin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。。, i, j、单体电池的直流内阻Rin, 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RP, i,j和电容CP,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
ffk, i, j ο
[0016]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，i= 1-本地控制器BMU的个数，j = 1-第i个本地控制器BMU所对应的单体电池的个数)，记时刻k时的单体电池(i，j)的Vsi, j、电流Isi, j和温度Tsi,』分别为Vt,k、Ik、Tk，具体包括如下步骤:
[0017]步骤501、按公式Γ\=[1 Ik(Ik-1k-1)/At(Vt,k-Vt,k-1)/At nk-1…nk-nc]计算时刻k输入向量的递推值Γ，其中，Γ'= Γτ2 =…=rTnc= Γο，Γο为给定的初始值，1、Vt为通过传感器米样的电池的电流(充电时为负，放电时为正)、端电压，下标k代表第k时刻、k-1代表第k-Ι时刻，At为第k时刻和第k-Ι时刻间的时间，nk-1、…、nk-n。分别为前一时刻k-Ι、前nc时亥ljk-nc的随机误差；
[0018]步骤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时刻的增益因子Pk，其中，下标k、k-l分别代表第k时刻和k-1时刻，λ为遗忘因子(通常取值区间为0.95-
1);
[0019]步骤503、按公式Ok = Ok-1+Pk Γ k[Vt,k_ Γ Tk0k-1]计算第k时刻的待辨识参数向量Ok;
[0020]步骤5O4、在k+1时刻电池的电流I和端电压Vt采样值更新后，按公式nk+卜i=Vt,k+1-1-rTk+1-10k+1-1(i = l，2，3，…，nc)更新当前时刻以前的nc个时刻的随机误差，将k用k+I代替，返回步骤501，实现递推；
[0021]步骤505、利用在步骤501-504递推计算中获得待辨识参数向量Ok中的元素O1,k、
02,k、03,k、04,k，分别按公式Voc = Ol, k、Rin = 03, k/04,k、Rp =-02,k-03,k/04,k、CP = 04, k2/(02,k04,k+
03,k)计算出电池等效电路模型中的电池开路电压V。。、直流内阻Rin、RC电路中的仏和^。
[0022]所述步骤6具体包括如下步骤:
[0023 ]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SOCocv'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。。, i, j和所述步骤4中得到的单体电池温度Tsid代替50(:[0’7 =汽￥0(3，1')中的￥0(3和1'，计算单体电池(1，」)的模型荷电状态S0CM°deli,j;
[0024]步骤602、利用步骤4中得到的单体电池电流Islu，按公式
[0025]S0CAhi,j= 2(ISi,jAt)计算单体电池(i，j)的积分荷电状态S0CAhi,j，其中；At为前后两次IS i, j更新间的时间间隔；
[0026]步骤603、按以下步骤计算单体电池(i，j)的荷电状态SOCi, j:
[0027]I)如果电池静置时间超过设定时间Tl，则SOC1.jzSOC—’TzfXVoc，!')，其中，Voc为BMS上电后I Isiu I近似为O期间在所述步骤4中得到的单体电池的电流Is1, j;
[0028]2)如果卜\厂^1,」<1则30(:1^ = 50(^(1(311,」，其中4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(一般取，10-20mV)，Vmlu为按下式计算的单体电池(i，j)的电压:
[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&分别为步骤5中辨识出的单体电池(^)的开路电压、直流内阻、RC回路中的电阻和电容、有色噪声，At为当前时刻与前一时刻的时间差，Δ IS = I Si, j_I Si, j、AVs = Vsi, j_Vsi, j , Isi, j、Vsi,j 分力|J 为如时刻的 Vsi, j、I Si, j，Vs1, j、ISlu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；
[0031 ] 3)如果(Vsi, j>VH或Vsi, j<VL)且 | Isilj <IL且 | Isilj <IL的持续时间 >Tlim,M用￥8^代替￥、1^,」代替1'计算50(^,」=0(￥，1')，其中41(￥，1')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；
[0032]4)否则，S