一種校準鋰離子動力電池SOC的方法與流程
2023-07-24 15:19:06 1
本發明涉及一種鋰離子電池校準方法，適用於電動汽車及混合動力汽車。
背景技術：
隨著新能源汽車的推廣和普及，電驅動車輛越來越多地受到關注。油電混合動力車輛常用的電池有鉛酸電池，鎳鎘電池，鎳氫電池及鋰電池，鋰動力電池由於其比能量高、重量輕、壽命長等特點優於其它電池，成為越來越多油電混合動力車輛的首選。混合動力，尤其是重度混合動力車輛在行車中通過協調發動機與電池之間的能量輸出，以達到節能的效果，這需要電池管理系統時刻顯示和報告準確的電池電量（SOC），整車控制機構才能決定電池以多大的能量比例輸出。如果SOC檢測不準會使電池管理系統發出錯誤報告，引起鋰電池的過充或者過放。而對於鋰電池而言，頻繁和長期的過充或者過放都會對電池造成損害，輕則減少鋰電池使用壽命，重則引發安全事故。如何安全合理地使用鋰電池，充分利用電量，延長電池壽命，是鋰電池在電動汽車及混合動力汽車領域推廣所必須解決的問題。與鉛酸電池不同的是，鋰離子電池的SOC與電壓之間並不是直接的線性對應關係，鋰離子電池SOC與電壓對應的充放電曲線關係如圖1所示。在SOC較低時，SOC與電壓呈近似的正比線性關係，當SOC上升到一定的量，SOC隨著電壓的變化的趨勢並不明顯；但當SOC接近滿狀態時，SOC與電壓又呈現出另一種近似的正比線性關係。這樣導致鋰離子電池無法像鉛酸電池一樣通過測量電池電壓得出SOC狀態。目前常用的SOC估算方法是採用安時積分法，即採用積分的方式，取某一時刻的電量SOC0作為初始電量，以時間作為變量，取某一小段時間t對SOC(t)作積分運算，估算t時刻後電池電量SOCt。但是，在實際應用中，由於溫度、電流等因素的影響，電池的充電效率或放電倍率不恆定，通過累計電流積分來計算SOC存在累計誤差。如果沒有定期修正，該誤差會隨時間而逐漸增大，造成SOC估算錯誤。
技術實現要素：
本發明提供了一種鋰離子電池SOC的校準方法，該方法包括：由電池管理系統（BMS）執行以下步驟：a.判斷電池是否滿足SOC校準條件，若滿足，執行步驟b，若不滿足，退出；b.發送SOC校準命令。c.接收SOC校準模式信號，若接收到信號，執行步驟d，若沒有接收到信號，回到步驟a；d.判斷電池電壓是否達到上限閾值電壓或者下限閾值電壓，若達到上限閾值電壓，則電池SOC置100%；若達到下限截至電壓，則電池SOC置0；e.發送校準完成命令並退出校準。所述判斷電池是否滿足SOC校準條件的方法為：測量電池SOC與電壓的對應關係；測量某一時刻t的電壓，通過上述的對應關係得出該時刻的電池電量SOCt；利用安時積分法計算出t時刻的電池電量SOCt』；判斷SOCt與SOCt』差值的絕對值是否大於設定值，是則滿足SOC校準條件，否則不滿足SOC校準條件。所述步驟b還包括判斷電池電壓，若電壓高於電池最高電壓50%，發送SOC充電校準命令；若電壓低於電池最高電壓50%，發送SOC放電校準命令；進一步地，由整車控制機構執行以下步驟:f.接收步驟b的電池SOC校準命令；g.判斷工況是否滿足，若是，則發送SOC校準模式信號並執行步驟g,若否，則不響應該命令；h.控制電機以設定電流工作；i.接收步驟e的校準完成命令並退出校準；更進一步，所述電池SOC校準命令包括充電校準命令和放電校準命令。再更進一步，若步驟e中電池SOC校準命令是充電校準命令，步驟g中電機以設定電流給電池充電；若步驟e中電池SOC校準命令是放電校準例命令，步驟g中電機以設定電流消耗電池電能。所述設定電流是恆定電流。與使用現有SOC校準和測量方法相比，本SOC校準方法以電池電壓閾值為基準點，校準精度高；通過整車控制器進行操作參與校準，實現容易，穩定可靠；可以根據需要在行車過程中隨時校準，更加節省能量。附圖說明圖1是測量所得鋰離子電池放電SOC-電壓曲線關係圖；圖2是本發明鋰離子電池SOC校準條件判斷流程；圖3是本發明鋰離子電池管理系統SOC校準流程；圖4是本發明鋰離子電池SOC充電校準方法流程；圖5是本發明鋰離子電池SOC放電校準方法流程；圖6是鋰離子電池常溫下倍率充電曲線；圖7是鋰離子電池常溫下倍率放電曲線。具體實施方式下面結合附圖詳細說明本發明涉及的鋰電池SOC校準方法。一般混合動力驅動系統中主要包括發動機；主電機（發電機），由主電機（發電機）控制器控制；電池，由電池管理系統（BMS）管理控制。整車控制機構控制整車各電機控制器的協調工作。本發明涉及到的SOC校準方法包括以下步驟：a.判斷電池是否滿足SOC校準條件，若滿足，執行步驟b，若不滿足，退出；b.發送SOC校準命令。c.接收SOC校準模式信號，若接收到信號，執行步驟d，若沒有接收到信號，回到步驟a；d.判斷電池電壓是否達到上限閾值電壓或者下限閾值電壓，若達到上限閾值電壓，則電池SOC置100%；若達到下限截至電壓，則電池SOC置0；e.發送校準完成命令並退出校準。需要詳細說明的是，上述中a步驟中的校準條件可以是滿足電池需要校準的任何條件。其中一種情況是定期校準，電池管理系統BMS中SOC的計算一般都是通過安時積分法，在本申請文件背景技術中已經對安時積分法進行了說明。電池隨著使用時間的加長，由於時間的累積產生的誤差會越來越大，安時積分法計算得出的SOC與實際的偏差也會越來越大，故而混合動車車輛中電池使用一段時間後，可以認為其BMS所顯示的SOC值已經不準確，需要進行校準。定期校準中認為只要時間條件滿足，校準條件即滿足。另一種方式可以定量地說明電池電荷狀態顯示需要校準，如圖2所示。本發明優選採用這種方式。該校準條件的方法為：首先測量電池SOC與電壓的對應關係，該對應關係可以是靜態下測量的，也可以是在行車過程中，電池任務空閒期的任一時刻進行，所得的數據形成表格或者曲線。然後測量某一時刻t的電壓，通過上述的對應關係得出該時刻的電池電量SOCt，該步驟一般在行車過程中對電池電壓進行採集，通過查找等方式對應出該電壓下的電池電荷狀態。另一方面利用安時積分法計算出t時刻的電池電量SOCt』，對比SOCt與SOCt』，判斷SOCt與SOCt』差值的絕對值是否大於設定值，是則滿足SOC校準條件，否則不滿足SOC校準條件。上述的設定值跟據電池的實際參數進行確定，可以先假設不影響電池壽命前提下的電池SOC容差，比如超過電池SOC的5%，來確定設定值。圖3顯示了本發明SOC校準主要步驟流程。按照上述步驟b，BMS發送SOC校準命令，其中包括充電校準命令和放電校準命令。其特點在於，當電池電量在一半以上時，採用充電校準方式能更快速地得到校準結果，同樣，當電池電量在一半以下時，採用放電校準方式能更快速地完成校準。但是由於BMS系統估算的SOC不準確，可能會影響其對校準模式的選擇，所在本發明優先採用測量到的電池電壓進行判斷。即，如果測量得到的電池電壓低於電池額定電壓的50%，則可認定其電量也低於總電量的一半，採用放電校準模式，BMS向整車控制系統發送放電校準命令；如果測量得到的電池電壓高於電池額定電壓的50%，則可認定其電量也高於總電量的一半，採用充電校準模式，BMS向整車控制系統發送充電校準命令。BMS發送校準命令後，會等待接收整車控制系統回饋信號，即是否同意校準。其等待時間可以根據實際情況自由設定。如果沒有接收到回饋信號，則表明整車控制系統當前的實際情況不允許完成校準，BMS退回開始，重新進行校準判斷；若接收到回饋信號，則進行步驟d，即監控電池的電壓狀態。對電池電壓狀態的監控可能出現兩種情況：電壓達到閾值上限和電壓達到閾值下限，分別對應充電校準模式和放電校準模式。若電壓達到閾值上限，則BMS認為電池電荷狀態為滿，即SOC=100%，重置SOC值為1；若電壓達到閾值下限，則BMS認為電池電荷爾狀態為空，即SOC=0，重置SOC值為0。對電池SOC置1或歸0後，BMS發送校準完成命令，並退出校準。整車控制系統方面，接收到SOC校準命令後，判斷命令為充電校準或者放電校準。圖4和圖5分別顯示了充電校準模式和放電校準模式的SOC校準流程。若接到充電校準命令，首先判定車輛工況是否允許，即電動機和/或發電機是否處於工作狀態，如果此時電動機和/或發電機正常工作，比如車輛處於純電動行駛、爬坡等消耗電能的狀態或者行車發電、能量回收等給電池充電的狀態，則暫時不響應充電校準命令，等待一段時間後重新判斷車輛工況，直至工況允許。整車控制系統判定工況允許後，向BMS發送SOC校準模式信號（充電校準和放電校準模式下SOC校準模式信號可以是相同的），然後設定發電機工作電流，即，以設定的恆定電流向電池充電。這個過程中要求電動機不工作（不消耗電能），直至電池充滿；若接到放電校準命令，首先判定車輛工況是否允許，即電動機和或發電機是否處於工作狀態，如果此時電動機和/或發電機正常工作，比如車輛處於純電動行駛、爬坡等消耗電能的狀態或者行車發電、能量回收等給電池充電的狀態，則暫時不響應充電校準命令，等待一段時間後重新判斷車輛工況，直至工況允許。整車控制器判定工況允許後，向BMS發送SOC校準模式信號（充電校準和放電校準模式下SOC校準模式信號可以是相同的），然後設定電動機工作電流，即，電動機以設定的恆定電流消耗電能。這個過程中要求發電機不工作（不向電池充電），直至電池電量用盡。整車控制系統在上述過程中持續接收校準完成信號，如果收到該信號，則完成校準，退出校準模式；然後向整車控制器發送校準完成信號，由整車控制器接收後，完成校準。下面對上述的「設定的恆定電流」詳細說明。根據鋰電池特有的屬性，其倍率放電曲線和充電曲線如圖6和圖7所示。圖6和圖7分別比較了充/放電電流分別為1C，5C，10C，15C，20C恆流充/放電時的電壓-SOC充/放電曲線（對於7.5Ah的電池，1C電流是7.5A）。從圖上可以看出，充/放電電流越大，電池充/放電越不徹底。由於一般電池出廠時電池電量都是採用1C及以下的恆流電流進行充/放電的情況下測定的，利用本發明方法進行電池SOC校準時，應使用儘量小的恆流電流，最好是小於或者等於1C的電流。本實施例優先選用1C充/放電電流。這樣既能保證電池SOC校準的精確度，又可以使校準以較快的速度完成電池充/放電。