專利名稱：一種車載電池管理系統(tǒng)電池放電終止?fàn)顟B(tài)判斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于車載動(dòng)力源管理的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到對(duì)混合動(dòng)力車以及純電動(dòng)車車載動(dòng)力電池重要參數(shù)SOC的控制方法。
背景技術(shù)：
石油作為傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力源，不僅因儲(chǔ)量日益減少而導(dǎo)致價(jià)格昂貴，其燃燒所產(chǎn)生的汽車尾氣還造成了環(huán)境的污染，增加了溫室氣體的排放。因此，以電能作為部分或全部動(dòng)力源的混合動(dòng)力車及純電動(dòng)車應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸走向主流汽車市場(chǎng)。動(dòng)力蓄電池是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)的動(dòng)力源泉之一，其主要性能指標(biāo)包括比能量、比功率和使用壽命等。目前制約包括HEV在內(nèi)的各種電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素之一， 是動(dòng)力蓄電池的性能指標(biāo)不理想。要使各種電動(dòng)汽車能與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)和成本低廉的動(dòng)力蓄電池。就現(xiàn)有動(dòng)力蓄電池而言，如何實(shí)現(xiàn)無(wú)損電池的充電策略、實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的放電狀態(tài)、避免過(guò)充過(guò)放以確保電池組的性能和壽命？如何提高HEV整車的燃油經(jīng)濟(jì)性？這些問(wèn)題都需要通過(guò)開(kāi)發(fā)有效合理的電池管理或監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)來(lái)加以解決。電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組成部分，如何合理使用電池，充分利用電池組中的能量， 延長(zhǎng)電池的使用壽命是電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車進(jìn)一步發(fā)展中所必須解決的問(wèn)題。為了充分利用電池的能量又要防止電池組中任一電池過(guò)放電，對(duì)電池放電終止?fàn)顟B(tài)的判斷必須適時(shí)而準(zhǔn)確。目前電動(dòng)汽車動(dòng)力電池使用的判斷放電終止?fàn)顟B(tài)的方法主要有3種固定終止電壓法、放電曲線(V-t曲線)斜率法和容量累積法。最簡(jiǎn)單的判斷放電終止的方法就是固定終止電壓法，放電終止電壓是人為設(shè)定的。一般小電流放電時(shí)，終止電壓應(yīng)規(guī)定高些，而大電流放電時(shí)，終止電壓應(yīng)規(guī)定得低些。 這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的原因所造成的。此方法雖然簡(jiǎn)單，但在不同放電電流下放電終止電壓不同，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際電動(dòng)車動(dòng)力電池的放電電流是隨機(jī)變化的，沒(méi)有一定規(guī)律。如果設(shè)定統(tǒng)一的放電終止電壓，為防止電池在任何工況下過(guò)放電，這一電壓必定趨于保守(偏高)，即大電流放電時(shí)會(huì)過(guò)早終止，影響電池能量的充分利用。放電曲線斜率法是在鉛酸電池的恒流放電試驗(yàn)時(shí)使用最多的一種方法。從電池放電曲線上可以看到在電池放電后期，明顯存在一個(gè)放電曲線(ν-t曲線)的斜率突變點(diǎn)(稱為 “拐點(diǎn)”)。在此點(diǎn)以后電池所能放出的容量很少，且這對(duì)于電池的放電及未來(lái)的使用也很不經(jīng)濟(jì)?？梢园汛斯拯c(diǎn)定為電池放電的終止點(diǎn)。在實(shí)際試驗(yàn)中，電池在小電流放電時(shí)，其電壓下降的平臺(tái)期的斜率很小。放電曲線中斜率為平臺(tái)期10倍的地方顯然與實(shí)際的放電終止點(diǎn)相距很遠(yuǎn)。而大電流放電時(shí)，其電壓下降的平臺(tái)期的斜率較大，放電曲線中斜率為平臺(tái)期 10倍的地方，電壓下降得非常迅速，已經(jīng)超過(guò)了實(shí)際放電的終止值。這樣還是有可能造成電池能量沒(méi)有充分利用或過(guò)放電。此外，正如不同放電電流下的放電終止電壓不同一樣，不同電流下，"V-t曲線的平臺(tái)期斜率也不同。由于不同放電電流下，放電曲線的平臺(tái)期斜率不同，因而這種方法對(duì)于不同的放電電流規(guī)定了不同的放電終止電壓，小電流時(shí)終止電壓高， 大電流時(shí)終止電壓低。這種方法雖然考慮了電池以不同電流恒流放電的工況，但如果用于變電流放電，則需要記憶的參數(shù)較多，幾乎對(duì)每一個(gè)放電電流都需要記憶一個(gè)對(duì)應(yīng)于該電流的放電曲線的斜率，因而需要大量先驗(yàn)的數(shù)據(jù)為依據(jù)，且對(duì)電池管理系統(tǒng)(BMS)的硬件系統(tǒng)要求高。所謂容量累積法即記錄電池充入及放出的電量，當(dāng)在一個(gè)充放電循環(huán)中，兩者相等，認(rèn)為電池放電終止。由于電池的有效容量與放電電流有關(guān)，大電流放電時(shí)電池能放出的有效容量?。恍‰娏鞣烹姇r(shí)電池所放出的有效容量大。這一方法除需不斷記錄電池的充放電歷史數(shù)據(jù)外，還要對(duì)容量進(jìn)行放電電流、電池老化、自放電等修正，過(guò)程復(fù)雜，一般很少使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效的控制方法，可以對(duì)電池是否處于放電終止?fàn)顟B(tài)做出有效的判斷。本發(fā)明具體公開(kāi)了一種車載電池管理系統(tǒng)電池放電終止?fàn)顟B(tài)判斷方法，包括如下步驟
步驟1，根據(jù)電池的型號(hào)確定放電常數(shù)Ck，其中 Ck=dV/dC,
式中，dV/dC是電池放電V-C曲線斜率，即電壓V隨放電容量C變化的曲線斜率；Ck 為電池電量C快放完時(shí)斜率變化較大時(shí)斜率值，Ck是根據(jù)電池的放電倍率電壓變化情況綜合定義的一個(gè)常數(shù)。步驟2，對(duì)車載動(dòng)力電池組的端電壓和電池包電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集dV/dC的數(shù)值； 步驟3，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到的dV/dC的絕對(duì)值> Ck時(shí)，判斷電池達(dá)到了放電終止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)一步，所述放電常數(shù)Ck根據(jù)放電V_t曲線達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的dV/dC數(shù)值來(lái)選取，
其中 dV / dC= (dV / dt) / I，
式中，，dV / dt是電池放電過(guò)程中電壓V隨時(shí)間t變化的曲線斜率，I是放電電流值。進(jìn)一步，采用數(shù)字濾波法對(duì)采集的拐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理。進(jìn)一步，所述步驟2對(duì)車載動(dòng)力電池組的端電壓和電池包電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，由電池管理系統(tǒng)完成。進(jìn)一步，針對(duì)12V55Ah鉛酸電池，Ck取0. 5。在本發(fā)明中，dV/dC比dV/dt加入了電流做為參考量，正是因?yàn)殡娏鞯拇笮〔煌?dV/dC的大小不同電流越大，整車上動(dòng)力電池允許的dV/dC越小；電流越小，允許的dV/dC 越大。在臺(tái)架上實(shí)驗(yàn)時(shí)，用恒流來(lái)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)不同電流值，以及整車電流的情況，選取一個(gè)合適的dV/dC值，作為放電終止的參考標(biāo)準(zhǔn)。而整車上電流是時(shí)刻變化的。不可能只是恒流的情況。所以綜合考慮起來(lái)，用dV/dC比dV/dt更能準(zhǔn)確反映電池當(dāng)前SOC的情況。采用本發(fā)明的方法，不需要根據(jù)電池電壓平臺(tái)，用單一的放電常數(shù)即可判斷放電終止?fàn)顟B(tài)。此方法判斷更加準(zhǔn)確、更為實(shí)用，且實(shí)現(xiàn)也簡(jiǎn)單。


圖1 恒流放電終止電壓定義方法示意圖； 圖2 不同放電電流dV/dC-C與V-t組合圖3 電池V-t及V-C曲線斜率與放電電流關(guān)系圖； 圖4 :dV/dC與放電容量變化曲線圖； 圖5 :V-t及V-C曲線斜率判定電池終止電壓的結(jié)果比較圖。
具體實(shí)施例方式通過(guò)對(duì)電池放電特性和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，電池放電的終止點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是指電池放出單位容量時(shí)，電池電壓下降較為劇烈處。也就是說(shuō)電池電壓要下降很多，才能放出與電壓下降平臺(tái)期時(shí)很小的電壓降所能放出的相當(dāng)?shù)娜萘俊睦碚撋戏治?，用電池恒流放電?"V-t曲線的斜率dV / dt來(lái)衡量放電的終止是不十分恰當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)榉烹姷慕K止電壓與放電電流的大小緊密相關(guān)，所以應(yīng)當(dāng)在其中加入電流的因素，才可能正確地確定終止?fàn)顟B(tài)。這樣就引出了判斷電池放電終止?fàn)顟B(tài)的新方法--電壓/容量梯度法。在放電曲線斜率法使用的電壓梯度dV / dt的分母中加入電流I，可以得到dV / (I · dt)
由I · dt=dC可以得出 dV / (I · dt) =dV / dC,
式中，dV/dC是電池放電V-C曲線斜率，即電壓V隨放電容量C變化的曲線斜率；dV / dt是電池放電過(guò)程中電壓V隨時(shí)間t變化的曲線斜率，I是放電電流值。為了找到一個(gè)在各個(gè)放電電流下盡可能統(tǒng)一的電池放電終止?fàn)顟B(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，考察在不同放電條件下，在"V-t曲線的真實(shí)拐點(diǎn)附近dV / dC的變化趨勢(shì)。數(shù)據(jù)處理方法如下由恒流放電的"v-t曲線變換出V-C曲線，進(jìn)而求得dV / dc-1曲線。通過(guò)對(duì)恒流放電的v-t與V-C曲線的分析，可以得到其放電的平臺(tái)期的斜率。將這些斜率除以放電電流，即 (dV / dt) / I=dV / dC。比較dV / dt與dV / dC可以發(fā)現(xiàn)dV / dt隨放電電流變化很大，因而電壓梯度法不太合理；而dV / dC數(shù)據(jù)隨放電電流變化較小，如圖3所示?？梢砸?guī)定一個(gè)適合各種放電電流的常數(shù)Ck=dV / dC來(lái)確定電池終止放電點(diǎn)。Ck為電池電量C快放完時(shí)斜率變化較大時(shí)斜率值，Ck是根據(jù)電池的放電倍率電壓變化情況綜合定義的一個(gè)常數(shù)。下面討論如何確定這個(gè)常數(shù)Ck。根據(jù)恒流放電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別把同一放電電流下的放電電壓V隨放電時(shí)間t的變化曲線以及dV/dC隨放電容量C的變化曲線畫(huà)在一張圖上，因?yàn)閷?duì)于同一電流，C=I · t， 因此橫坐標(biāo)C與t在數(shù)據(jù)點(diǎn)上是一一對(duì)應(yīng)的，這樣就可以清楚地找到在V-t曲線達(dá)到拐點(diǎn) (即達(dá)到放電終止?fàn)顟B(tài))時(shí)所對(duì)應(yīng)的dV/dC數(shù)值。圖2是各個(gè)電流下dV/dC-C與V-t的組合圖。由于試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)是離散的點(diǎn)，而且可能會(huì)有波動(dòng)，所以在計(jì)算dV/dC-C的曲線時(shí)要將數(shù)據(jù)圓滑。用數(shù)字濾波法，計(jì)算某一點(diǎn)的斜率時(shí)，取該點(diǎn)前后各2個(gè)點(diǎn)，共5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行二次多項(xiàng)式的最小二乘法擬合，然后再對(duì)該點(diǎn)求導(dǎo)，得到該點(diǎn)的斜率。圖4為計(jì)算結(jié)果。曲線從上到下分別為20A、30A、40A、50A、60A、70A恒流放電數(shù)據(jù)在各放電電流下，dV/dc-c曲線形狀相似，在很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)幾乎完全重合，這就能夠找到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Ck，并以此作為判斷電池放電終止的依據(jù)。綜合圖3和圖4的結(jié)果，再參照表2給出的常溫下鉛酸電池放電終止電壓的數(shù)值，可以將這個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)定為0. 5，即當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到的dV/dC 的絕對(duì)值Ck彡0. 5時(shí)，可以認(rèn)為電池達(dá)到了放電終止?fàn)顟B(tài)。應(yīng)該提醒的是這個(gè)Ck值是隨著電池的型號(hào)改變而改變的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，上述的只是針對(duì)被測(cè)12V55Ah鉛酸電池的試驗(yàn)而得到的。與用V-t曲線斜率判斷放電終止的方法相比，使用V-C曲線斜率判斷放電終止的方法不需要定義平臺(tái)期，只需要一個(gè)統(tǒng)一的參數(shù)Ck。將這種方法用于實(shí)際判斷，大大簡(jiǎn)化了軟件設(shè)計(jì)，并且降低了對(duì)存儲(chǔ)空間的要求。圖3是用V-C曲線斜率與用V-t曲線斜率判定終止電壓的結(jié)果比較。從圖5中可以看出，對(duì)于20-70A的放電區(qū)域，用V-C曲線斜率判斷終止電壓的方法放出的容量較用V-t曲線斜率法稍大。
權(quán)利要求
1.一種車載電池管理系統(tǒng)電池放電終止?fàn)顟B(tài)判斷方法，包括如下步驟 步驟1，根據(jù)電池的型號(hào)確定放電常數(shù)Ck，其中Ck=dV/dC,式中，dV/dC是電池放電V-C曲線斜率，即電壓V隨放電容量C變化的曲線斜率；Ck 為電池電量C快放完時(shí)斜率變化較大時(shí)斜率值，Ck是根據(jù)電池的放電倍率電壓變化情況綜合定義的一個(gè)常數(shù)；步驟2，對(duì)車載動(dòng)力電池組的端電壓和電池包電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集dV/dC的數(shù)值； 步驟3，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到的dV/dC的絕對(duì)值> Ck時(shí)，判斷電池達(dá)到了放電終止?fàn)顟B(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述放電常數(shù)Ck根據(jù)放電V-t曲線達(dá)到拐點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的dV/dC數(shù)值來(lái)選取，其中 dV / dC= (dV / dt) / I，式中，dV / dt是電池放電過(guò)程中電壓V隨時(shí)間t變化的曲線斜率，I是放電電流值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，采用數(shù)字濾波法對(duì)采集的拐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓滑處理。
4.如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟2對(duì)車載動(dòng)力電池組的端電壓和電池包電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，由電池管理系統(tǒng)完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，針對(duì)12V55Ah鉛酸電池，Ck取0. 5。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種車載電池管理系統(tǒng)電池放電終止?fàn)顟B(tài)判斷方法，包括如下步驟步驟1，根據(jù)電池的型號(hào)確定放電常數(shù)Ck，其中Ck=dV/dC，式中，dV/dC是電池放電V-C曲線斜率,即電壓V隨放電容量C變化的曲線斜率；Ck為電池電量C快放完時(shí)斜率變化較大時(shí)斜率值，Ck是根據(jù)電池的放電倍率電壓變化情況綜合定義的一個(gè)常數(shù)。步驟2，對(duì)車載動(dòng)力電池組的端電壓和電池包電流實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集dV/dC的數(shù)值；步驟3，當(dāng)電池管理系統(tǒng)檢測(cè)到的dV/dC的絕對(duì)值≥Ck時(shí)，判斷電池達(dá)到了放電終止?fàn)顟B(tài)。采用本發(fā)明的方法，不需要根據(jù)電池電壓平臺(tái)，用單一的放電常數(shù)即可判斷放電終止?fàn)顟B(tài)。此方法判斷更加準(zhǔn)確、更為實(shí)用，且實(shí)現(xiàn)也簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H01M10/44GK102185167SQ20111006380
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月15日
發(fā)明者王章才 申請(qǐng)人:奇瑞汽車股份有限公司