本發(fā)明涉及大容量電池組荷電狀態(tài)soc(stateofcharge)的測量方法。

背景技術(shù)：

一般地，通過電池單體或模塊的串聯(lián)可提高大容量電池組lcbp(largecapacitybatterypack)的端電壓，同樣地，通過電池單體或模塊的并聯(lián)可增大lcbp的容量，即提高了最大可放電電流。因此，通過電池單體或模塊的串/并聯(lián)，可提高lcbp與外部的能量交換能力,即達(dá)到一定的功率和能量等級。同時(shí)，從理論上說，任何lcbp都可以簡化為一個(gè)串聯(lián)型lcbp(由電池串經(jīng)串聯(lián)而成)或一個(gè)并聯(lián)型lcbp(由電池串經(jīng)并聯(lián)而成)，而每個(gè)電池串又由多個(gè)電池單體或模塊經(jīng)串/并聯(lián)而成，反之亦然。電池組在實(shí)際使用過程中，需要保證電池組中的每個(gè)電池單體或模塊的安全，防止出現(xiàn)過充電或過放電現(xiàn)象而造成整個(gè)電池組損壞或使用壽命的縮短。在控制電池組的充電或放電過程中，必須考慮電池組的荷電狀態(tài)(soc),也被稱之為“可用容量”，精確測量soc是電池管理系統(tǒng)中最基本和最首要的任務(wù)。特別是在快速充電技術(shù)的研究過程中，如何較為準(zhǔn)確地測量soc是決定電池組的初始充電電流大小和充電時(shí)間長的重要前提，是實(shí)現(xiàn)快速充電的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

對電池組soc的測量基本上是基于電池單體或模塊的使用和狀態(tài)估算的進(jìn)一步擴(kuò)展，如下兩種方法：

一是，基于電池單體的容量直接對大容量電池組的soc進(jìn)行測量計(jì)算。該測量方法的結(jié)構(gòu)框圖如圖1(a)所示。

在圖1(a)所示的方法中，電池組是由容量相同的電池單體或模塊組成，將電池單體或模塊的額定容量直接作為所述電池組的最大可用容量。測量流過各電池串的電流并用積分裝置對時(shí)間進(jìn)行積分確定剩余容量。最后計(jì)算出電池組的soc。

由于電池組中的電池單體或模塊，并不只是簡單的串/并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這使得電池組中各電池串上的電池單體或模塊的最大可用容量、剩余容量等不完全相同，該方法沒有考慮到電池單體或模塊容量和電池組中各電池串容量間的對應(yīng)關(guān)系和差異，從而并不能實(shí)際有效地測量計(jì)算出電池組各電池串在某一時(shí)刻實(shí)際的充/放電電量，這顯然是不能準(zhǔn)確的計(jì)算大容量電池組的soc。

二是，無論電池單體或模塊是如何成組，都可以從整體結(jié)構(gòu)上將其重新整合成一個(gè)等效電池組，如同測量單體電池一樣，基于電池組的外部特性，如電池組的總電壓與其soc的對應(yīng)關(guān)系，對所述電池組的soc進(jìn)行測量。圖1(b)所示是基于大容量電池組中的一個(gè)電池串的總電壓測量soc的結(jié)構(gòu)圖。按照圖求的方法進(jìn)行測量，首先測量所述電池串上的總電壓，然后根據(jù)u-soc的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)表，從而得出與所測電池串上電壓對應(yīng)的soc值，這樣就可測得每一個(gè)電池串上的soc值。

但是，在實(shí)際情況下，由于生產(chǎn)工藝及環(huán)境原因，配對成組的電池單體或模塊配對的外部特性不可能完全一致。況且，電池在使用過程中，由于電池的散熱條件、發(fā)熱情況等并不完全一致，除此之外，電池單體或模塊間存在正反饋反應(yīng)，大容量電池組中的電池單體或模塊這種反應(yīng)更為突出，這些因素使得各電池單體或模塊外部特性間的差異性更大。從而造成大容量電池組的外部特性與其soc沒有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系。因此，基于電池組的外特性測量計(jì)算其soc的方法，并不準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

該項(xiàng)發(fā)明提出了一種準(zhǔn)確地測量計(jì)算大容量電池組的soc，使得到的大容量電池組soc在保證大容量電池組利用率的前提下有效地防止電池組出現(xiàn)過充電或過放電現(xiàn)象的一種大容量電池組荷電狀態(tài)的測量方法。

所述大容量電池組由n個(gè)并聯(lián)的m只電池單體串聯(lián)組成的電池串構(gòu)成，m,n均是大于等于2的整數(shù)，所述大容量電池組荷電狀態(tài)的測量方法包括如下7步驟：

(1)首先，確定所述電池串中的m只電池單體的最大可用容量q(1)max，q(2)max，…，q(m)max以及剩余容量q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem。

(2)由公式q(k)ch＝q(k)max-q(k)rem，計(jì)算電池單體的最大可充電容量，公式中的k是不小于1且不大于m的整數(shù)。

(3)確定所述電池串中的m只電池單體中最小的最大可充電電量q(s)ch以及最小的剩余容量q(t)rem，即，

q(t)rem＝min{q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem}

上式中的s，t均是不小于1且不大于m的整數(shù)。

(4)確定所述電池單體組成的電池串的最大可充電電量和最大剩余電量即，

(5)計(jì)算所述電池單體組成的電池串的最大可用容量即

(6)計(jì)算所述電池單體組成的電池串的荷電狀態(tài)soc^s，即，

(7)計(jì)算由n個(gè)并聯(lián)電池串組成的大容量電池組的荷電狀態(tài)即，

上式中的i是不小于1且不大于n的整數(shù)。

本發(fā)明的有益效果：

由于考慮了每個(gè)電池串中每個(gè)電池單體的實(shí)際測量容量，本發(fā)明涉及的大容量電池組荷電狀態(tài)測量方法，能夠準(zhǔn)確地得到電池串的荷電狀態(tài)，防止大容量電池組出現(xiàn)過充電和過放電的不良現(xiàn)象，不僅保證了大容量電池組的安全使用，還使得電池組的使用壽命得以延長。并且，該大容量電池組的荷電狀態(tài)的測量方法，并不要求每個(gè)電池單體的額定最大可用容量完全相同，因此，在某種程度上符合有效資源再利用的宗旨，增加了正品率，降低了大容量電池組成組時(shí)的配對要求，實(shí)用性強(qiáng)。

附圖說明

圖1(a)是根據(jù)已有技術(shù)基于電池單體容量對容量電池組的soc進(jìn)行測量的原理圖；

圖1(b)是根據(jù)已有技術(shù)基于電池組的外特性對大容量電池組的soc進(jìn)行測量的原理圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的大容量電池的soc測量方法的流程圖。

具體實(shí)施方案

下面結(jié)合附圖對發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。

為防止電池組出現(xiàn)過充電或過放電的不良現(xiàn)象，從根本上講，就要防止電池組中任一電池串中的每個(gè)電池單體出現(xiàn)過充電或過放電現(xiàn)象，也就是說一旦電池單體出現(xiàn)過充電或過放電，這對整個(gè)電池組是極為不利的，即，需要電池組中的每個(gè)電池單體的荷電狀態(tài)soc均工作在0～100％之間的變化范圍內(nèi)，如果電池組中的任一電池單體的荷電狀態(tài)soc達(dá)到了100％或者0，則電池組就不能繼續(xù)充電或者放電。與定義電池單體的soc相同，電池組的soc即為電池組的剩余容量與其最大可用容量的比值，因此，從根本上講，確定大容量電池的荷電狀態(tài)soc的本質(zhì)就是確定其剩余容量和最大可用容量。

為了和電池單體的表示方法不產(chǎn)生混淆，用上標(biāo)為^s表示電池串的參數(shù)，如下均同。

按照電池單體的荷電狀態(tài)soc的定義，電池單體的荷電狀態(tài)soc就是單體電池的剩余容量qrem與其最大可用容量qmax的比值，即soc＝qrem/qmax。當(dāng)對電池放電時(shí)，電池單體的剩余容量就是其最大可放電容量qmax-dch，如(1)式所示；當(dāng)對電池進(jìn)行放電時(shí)，電池單體的最大可充電量容量qmax-ch，如(2)式所示，即，

qmax-dch＝qrem＝soc×qmax(1)

qmax-ch＝qmax-qrem＝(1-soc)×qmax(2)

接下來結(jié)合圖2介紹本發(fā)明的具體實(shí)施方案。圖2是表征本發(fā)明大容量電池組soc測量方法一個(gè)實(shí)施方案流程圖，測量由n個(gè)并聯(lián)的m只電池單體串聯(lián)組成的電池串組成的大容量電池組的荷電狀態(tài)soc。如下，對本發(fā)明的具體實(shí)施方案給與闡述。

步驟1：首先，確定電池組中任意電池串m個(gè)電池單體的最大可用容量q(1)max，q(2)max，…，q(m)max及其當(dāng)前的剩余容量q(1)rem，q(2)rem，…，q(m)rem。利用公式(1)計(jì)算電池組中任一電池串的m個(gè)電池單體的當(dāng)前狀態(tài)下的荷電狀態(tài)soc，記為soc(1)，soc(2)，…，soc(m)。

需要說明的是，獲取電池單體的最大可用容量有兩種方法：一是應(yīng)用本領(lǐng)域公認(rèn)的測量方法計(jì)算得到；二是使用電池單體出廠時(shí)的實(shí)測容量。需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所使用的最大可用容量不是電池單體的額定值，而是電池單體的出廠時(shí)的實(shí)測容量。本發(fā)明的重點(diǎn)并非研究已公認(rèn)的各種電池容量的測量方法，因此不再做進(jìn)一步闡述。類似地，本發(fā)明對確定電池單體的剩余容量的方法也沒有給與限定，可根據(jù)實(shí)際要求使用不同的并已公認(rèn)的測量方法。

然后，對所述任意電池串上各電池單體i，可計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的最大可放電容量q(i)max-dch：

q(i)max-dch＝q(i)rem＝soc(i)×q(i)max

步驟2：根據(jù)公式(2)確定所述電池串上各電池單體當(dāng)前狀態(tài)下的最大可充電容量：

q(i)max-ch＝q(i)max-q(i)rem＝(1-soc(i))×q(i)max

步驟3：確定所述電池串上各電池單體中最小的可充電容量和最小的剩余容量的。對所述電池串上各電池單體單獨(dú)充電時(shí)，肯定會(huì)存在一個(gè)電池單體k，其最大可充電容量qmax-ch(k)在m個(gè)電池單體中是最小的；同樣，對所述電池串上各電池單體單獨(dú)放電時(shí)，也會(huì)存在一個(gè)電池單體j，其最大可放電容量qmax-dch(j)在m個(gè)電池單體中是最小的，即，

q(k)max-ch＝min{(1-soc(1))×q(1)max,…,(1-soc(m))×q(m)max}

＝(1-soc(k))×q(k)max

q(j)max-dch＝min{soc(1)×q(1)max,…,soc(m)×q(m)max}＝soc(j)×q(j)max

以上兩式中k,j是不小于1且不大于m的整數(shù)。

步驟4：確定大容量電池組中任意電池串的最大可充電容量以及其剩余容量。

由于所述電池組由n個(gè)并聯(lián)的m只電池單體串聯(lián)組成的電池串構(gòu)成，因此當(dāng)大容量電池組中的任意電池串充電時(shí)，由于電池單體之間相互串聯(lián)，流經(jīng)電池串上的每個(gè)電池單體的電流相同，當(dāng)其中的任意一個(gè)電池單體充滿電后，所述電池串就不能再繼續(xù)充電。也就是說，當(dāng)所述電池串中的任意電池單體k的充電容量達(dá)到(1-soc(k))×q(k)max時(shí)，電池單體k滿充，此時(shí)不能再給所述電池串充電，則充電結(jié)束。因此，當(dāng)大容量電池組進(jìn)行充電的過程中，任意電池串的最大可充電容量qmax-ch等同于單體電池j的最大可充電容量。同樣，當(dāng)大容量電池組中的任意電池串放電時(shí)，由于電池單體之間相互串聯(lián)，流經(jīng)電池串上的每個(gè)電池單體的電流相同，因此在放電過程中每個(gè)電池單體的放電容量是相同的，當(dāng)其中的任意一個(gè)電池單體放電結(jié)束，則所述電池串就不能再繼續(xù)放電。也就是說，當(dāng)所述電池串中的任意電池單體j的放電容量達(dá)到soc(j)×q(j)max之后，電池單體j已經(jīng)放電結(jié)束。因此，當(dāng)大容量電池組放電的過程中，任意電池串的最大可放電容量qmax-dch即其剩余容量qrem等同于單體電池j的最大可放電容量。即，

步驟5：確定大容量電池組的任意電池串的最大可用容量。基于本發(fā)明，大容量電池組中所述電池串的最大可用容量定義為：

步驟6：確定大容量電池組的任意電池串的荷電狀態(tài)soc。所述電池串的soc為：

當(dāng)j＝k時(shí)，(3)式等同于：

很顯然，所述電池串的荷電狀態(tài)soc^s等于電池單體k的最小容量。也就是說，這時(shí)計(jì)算所述電池串的soc就相對于計(jì)算容量最小的電池單體k的soc。當(dāng)該電池單體k滿充電時(shí)，所述電池串就不能在充電，所述電池串的soc^s＝100％。同樣，當(dāng)該電池單體k完全放電結(jié)束時(shí)，所述電池串就不能再放電，所述電池串的soc^s＝0。

當(dāng)j≠k時(shí)，若所述電池串進(jìn)行充電，當(dāng)電池串中的任意電池單體k完全充滿電時(shí)，其充電容量達(dá)到(1-soc(k))×q(k)max，此時(shí)所述電池串的荷電狀態(tài)為soc^s＝100％。若給所述電池串進(jìn)行放電，當(dāng)電池串中的任意電池單體j完全放電，該電池串放電容量為soc(j)×q(j)max，此時(shí)所述電池串的荷電狀態(tài)為soc^s＝0。只要所述電池串中的任意電池單體達(dá)到滿充電或完全放電，此過程就立即結(jié)束，一旦出現(xiàn)過充電或過放電，就會(huì)對電池組造成損害，有可能還帶來不安全因素。

步驟7：最后，計(jì)算大容量電池組的荷電狀態(tài)soc。大容量電池串的soc為n個(gè)并聯(lián)電池串的荷電狀態(tài)soc之和，即：

當(dāng)j＝k時(shí)，(4)式等同于：

很顯然，大容量電池組的荷電狀態(tài)soc等于各個(gè)并聯(lián)電池串的最小容量之和。也就是說，這時(shí)計(jì)算電池組的soc就相對于計(jì)算各個(gè)容量最小的電池串的soc，然后再進(jìn)行求和。

當(dāng)j≠k時(shí)，當(dāng)每個(gè)并聯(lián)電池串都完全滿充時(shí)，則電池組的充電容量達(dá)到(1-soc(1k))×q(1k)max+…+(1-soc(nk))×q(nk)max，此時(shí)電池串的荷電狀態(tài)為soc＝100％。當(dāng)每個(gè)并聯(lián)電池串都已完全放電時(shí)，則電池組的放電容量達(dá)到soc(1j)×q(1j)max+…+soc(nj)×q(nj)max，此時(shí)所述電池串的荷電狀態(tài)為soc＝0。

本發(fā)明從大容量電池組中任意電池串上每個(gè)電池單體的最大可用容量、剩余容量為著手點(diǎn)，確定大容量電池組在可充電容量以及可放電容量，進(jìn)而確定電池組中的所有并聯(lián)點(diǎn)出串的最大可用容量和剩余容量，得到大容量電池組中任意電池串的荷電狀態(tài)soc，從而進(jìn)一步計(jì)算出大容量電池組的荷電狀態(tài)soc。這種確定大容量電池組soc的測量方法，考慮了每個(gè)電池單體的實(shí)測容量，并不要求每個(gè)電池單體的額定容量必須相同，因此具有很大的實(shí)用性，不僅降低了大容量電池組成組時(shí)的配對要求，還增加了電池單體的可利用率。除此之外，根據(jù)本發(fā)明的大容量電池組soc的測量方法不論電池組的結(jié)構(gòu)是如何復(fù)雜，都可以采用該方法來計(jì)算其soc。