專利名稱：一種動力電池剩余電量實時評估方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車動力電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動力電池剩余電量實時評估方法及其裝置。
背景技術(shù)：
電池荷電狀態(tài)SOC的精確估計是電池管理系統(tǒng)最基本、最重要的內(nèi)容。SOC是指電池當(dāng)前的剩余電量，也是體現(xiàn)電池狀態(tài)的主要參數(shù)之一，它可以為整車控制策略提供判斷依據(jù)。如果能夠準(zhǔn)確估計動力電池的S0C，那么在運行電池管理系統(tǒng)其他功能時就可以避免對動力電池造成損害，合理利用動力電池提供的電能，并有效控制及預(yù)測電動車?yán)m(xù)駛里程， 最終達(dá)到延長電池組使用壽命的目的。動力電池在電動汽車上的使用工況較為復(fù)雜和惡劣，特別是啟動、提速時為大電流放電狀態(tài)，電流變化波動十分劇烈。影響電池SOC的因素有很多，如充放電電流、溫度、自放電、內(nèi)阻等，電池的SOC和它的諸多影響因素之間是一種非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，很難通過其內(nèi)部的化學(xué)特性來判斷電池的S0C，因此，如何利用電池可測參數(shù)數(shù)據(jù)來實現(xiàn)當(dāng)前電池剩余電量的準(zhǔn)確估算，一直以來是電動汽車電池管理系統(tǒng)的核心問題和急需解決的技術(shù)難點。目前，國內(nèi)外動力電池SOC的估計方法主要有以下幾種I、放電試驗法該方法使用恒定電流對電池進(jìn)行連續(xù)放電直至電池端電壓達(dá)到放電截止電壓，電池剩余電量等于放電電流值與時間的乘積。這種方法經(jīng)常在實驗室使用，需要花費大量時間，無法做到SOC的實時估計。2、開路電壓法開路電壓法是按照電池在一定條件下開路電壓與SOC值成數(shù)學(xué)比例關(guān)系的原理來估算S0C。在放電末期，開路電壓估計SOC的效果較好。但是，當(dāng)電池處于放電中期時，開路電壓與SOC的數(shù)值對應(yīng)關(guān)系并不十分明顯，導(dǎo)致SOC估計誤差較大。因此，開路電壓法只能適用于電動汽車停車狀態(tài)，不能動態(tài)地估算SOC值。3、安時計量法安時計量法是通過計算電池在充電或放電時的累積電量來估計電池的S0C，并根據(jù)溫度、充放電倍率對SOC估計值進(jìn)行補(bǔ)償。在使用安時計量法估算SOC時，不準(zhǔn)確的電流測量將增大SOC估計誤差，經(jīng)過長時間累積，該誤差會變得越來越大；同時必須考慮電池效率系數(shù)，而解決電池效率系數(shù)問題必須通過大量實驗數(shù)據(jù)建立溫度影響系數(shù)和充放電倍率系數(shù)的經(jīng)驗公式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種動力電池剩余電量實時評估方法及其裝置來克服現(xiàn)有技術(shù)中SOC無法實時評估和估算精度低的不足。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取以下的技術(shù)方案
一種動力電池剩余電量實時評估方法，首先從電池管理系統(tǒng)中采集電池組的電壓、電流和溫度的可測數(shù)據(jù)，然后將采集到的電池數(shù)據(jù)無線傳送給上位機(jī)，并由上位機(jī)軟件通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后將上位機(jī)軟件計算出的SOC值無線發(fā)送并顯示。由于電動汽車動力電池組本身是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，電池荷電狀態(tài)與充放電倍率、電池工作電壓以及環(huán)境溫度是成非線性變化關(guān)系的，所以采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對電池組實現(xiàn)SOC在線估計。一種實現(xiàn)動力電池剩余電量實時評估方法的裝置，包括數(shù)據(jù)采集終端和內(nèi)嵌處理軟件的上位機(jī)，數(shù)據(jù)采集終端包括控制單元，控制單元與GPRS模塊、內(nèi)部CAN接口對應(yīng)通訊連接，GPRS模塊通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通訊連接。上位機(jī)包括實時數(shù)據(jù)顯示模塊，用于顯示電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)；智能算法處理模塊，用于對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理以得到精確的SOC值；歷史數(shù)據(jù)存儲模塊，用于對電池的歷史使用信息進(jìn)行存儲。數(shù)據(jù)采集終端
還包括遵循SAE J1939汽車標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議的外部CAN接口。數(shù)據(jù)采集終端的控制單元通過控制內(nèi)部CAN接口與電池管理系統(tǒng)通信，從電池管理系統(tǒng)中采集電池組的原始數(shù)據(jù)，如單體電壓、溫度、電流等，然后再由控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊，通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并借助上位機(jī)軟件強(qiáng)大的運算能力和豐富的系統(tǒng)資源，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對動力電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，精確計算SOC值，最后再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將上位機(jī)軟件計算出的SOC值發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端顯示。數(shù)據(jù)采集終端還可以通過外部CAN接口根據(jù)SAEJ1939汽車標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議與整車控制器相連，從而達(dá)到對電動汽車動力電池剩余電量的實時精確評估。本發(fā)明通過無線方式，將數(shù)據(jù)采集終端從電池管理系統(tǒng)中采集的電池數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)監(jiān)測軟件，借助上位機(jī)強(qiáng)大的運算能力和豐富的系統(tǒng)資源，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對動力電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而有效提高SOC評估的精度，并有助于消除電磁干擾的影響。


圖I是本發(fā)明的原理框圖；圖2是擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的模型框圖；圖3是擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的計算流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步說明。 如圖I所示，數(shù)據(jù)采集終端的控制單元通過控制內(nèi)部CAN接口與電池管理系統(tǒng)通信，從電池管理系統(tǒng)中采集電池組的原始數(shù)據(jù)，如單體電壓、溫度、電流等，然后再由控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊，通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并借助上位機(jī)軟件強(qiáng)大的運算能力和豐富的系統(tǒng)資源，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對動力電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，精確計算SOC值，最后再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將上位機(jī)軟件計算出的SOC值發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端顯示。數(shù)據(jù)采集終端可以通過外部CAN接口根據(jù)SAE J1939汽車標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議與整車控制器相連，從而達(dá)到對電動汽車動力電池剩余電量的實時精確評估。如圖2所示，系統(tǒng)狀態(tài)空間模型表達(dá)式為狀態(tài)方程xk+1=f(xk, uk) +wk輸出方程yk=g(xk, uk) +vk式中f(xk，uk)，g(xk, uk)分別為非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)和非線性測量函數(shù);wk是過程噪聲變量，用來描述狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程中的加性噪聲及誤差；vk為觀測噪聲變量，用來描述系統(tǒng)輸入量測量時產(chǎn)生的噪聲和誤差；在本發(fā)明中，以電池的工作電流和溫度作為系統(tǒng)激勵，因為電流和溫度的改變，將影響著電池其他各項參數(shù)的改變，包括電池S0C、電池電動勢等。以電池電壓為觀測變量，因 為電池兩端的電壓可被直接測量。而把那些在系統(tǒng)激勵作用下，隨時間改變的變量定為狀態(tài)變量，如電池S0C、松弛動態(tài)效應(yīng)和滯后效應(yīng)等變量組成。為了方便計算，本發(fā)明采用離散時間卡爾曼濾波，其中用變量k來表示采樣次數(shù)。在每個采樣間隔中，算法利用測得的系統(tǒng)輸入量和電池模型完成對狀態(tài)變量和輸出量的計算更新。如圖3所示，和標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波相比，擴(kuò)展卡爾曼濾波首先通過系統(tǒng)狀態(tài)空間模型將動力電池非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化，然后再利用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波算法的循環(huán)迭代過程對狀態(tài)變量做算法最優(yōu)估計?？柭鼮V波在每次采樣間隔中都會對狀態(tài)變量Xk和均方估計誤差Pk做兩次不同的估計?，F(xiàn)以Xk為例，第一次預(yù)測估計值Xk-是在前次狀態(tài)估計值XkY的基礎(chǔ)上，利用狀態(tài)方程向后遞推得到的。在觀測數(shù)據(jù)Yk測量結(jié)束前，該預(yù)測估計就已經(jīng)完成了，以作為上標(biāo)。而第二次最優(yōu)估計Xk+只能在觀測數(shù)據(jù)Yk測量結(jié)束后才開始計算，以“+”作為上標(biāo)。在獲取了 Yk的數(shù)值后，Xk最優(yōu)估計對預(yù)測估計結(jié)果Xk-、Pk_進(jìn)行修正得到最終的系統(tǒng)估計值
+ +
Xk、Pk O卡爾曼濾波算法的具體操作步驟如下所示(I)狀態(tài)變量χΛ均方估計誤差Po+初始化Xd+=E [X。]Po+=E [ (x0-x0+) (X0-Xq+) Τ]由于狀態(tài)變量是不可直接測量的，因此它們的初始值可通過開路電壓法計算得至IJ，會存在一定的估計誤差。如果狀態(tài)變量初始值誤差很大，卡爾曼濾波器會按照最小均方差原則使最優(yōu)估計值經(jīng)過有限次迭代計算后收斂于狀態(tài)真實值。(2)狀態(tài)變量xk_、均方估計誤差pk_預(yù)測估計Xk~ =Yk Pl 二 Pk-ι +Dw在穩(wěn)定系統(tǒng)中，4—是收縮的，從而逐漸降低均方估計誤差。Dw表示過程噪聲Wk的方差，它會增加均方估計誤差，并提高狀態(tài)估計值的不穩(wěn)定性。(3)卡爾曼增益Lk計算Lk = PkCrk (CkPkCl +DvTi式中Lk表示卡爾曼增益，Dv為觀測噪聲Vk的方差。
(4)狀態(tài)變量xk+、均方估計誤差Pk+最優(yōu)估計 xk+=xk>Lk [Yk-g (xk' uk)]pk = (I — LkCk) pk當(dāng)觀測變量Yk測量結(jié)束后，卡爾曼濾波會對狀態(tài)變量、均方估計誤差的預(yù)測估計值進(jìn)行修正，得到狀態(tài)變量、均方估計誤差的最優(yōu)估計值。擴(kuò)展卡爾曼濾波具有很強(qiáng)的算法修正能力，首先采用開路電壓法為電池組提供一個相對準(zhǔn)確的SOC初始值，然后利用循環(huán)迭代算法對其進(jìn)行修正和改善，這樣既保證了電池SOC在線估計的準(zhǔn)確性和可行性，而且也在很大程度上降低了電池管理系統(tǒng)的整體成本，使得最終SOC估計值變得更加有效、可
O
權(quán)利要求
1.一種動力電池剩余電量實時評估方法，其特征在于首先從電池管理系統(tǒng)中采集電池組的電壓、電流和溫度的可測數(shù)據(jù)，然后將采集到的電池數(shù)據(jù)無線傳送給上位機(jī)，并由上位機(jī)軟件通過擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后將上位機(jī)軟件計算出的SOC值無線發(fā)送并顯示。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求I所述動力電池剩余電量實時評估方法的裝置，包括數(shù)據(jù)采集終端和內(nèi)嵌處理軟件的上位機(jī)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集終端包括控制單元，所述控制單元與GPRS模塊、內(nèi)部CAN接口對應(yīng)通訊連接，所述GPRS模塊通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通訊連接。
3.如權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)動力電池剩余電量實時評估方法的裝置，其特征在于所述上位機(jī)包括實時數(shù)據(jù)顯示模塊，用于顯示電池的狀態(tài)數(shù)據(jù)；智能算法處理模塊，用于對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理以得到精確的SOC值；歷史數(shù)據(jù)存儲模塊，用于對電池的歷史使用信息進(jìn)行存儲。
4.如權(quán)利要求2或3所述的動力電池剩余電量實時評估方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集終端還包括遵循SAE J1939汽車標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議的外部CAN接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及汽車動力電池技術(shù)領(lǐng)域，由于一般的電池管理系統(tǒng)都采用嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)，系統(tǒng)資源稀缺，無法對動力電池剩余電量進(jìn)行準(zhǔn)確評估。本發(fā)明公開了一種動力電池剩余電量實時評估方法及其裝置，數(shù)據(jù)采集終端的控制單元通過控制內(nèi)部CAN接口與電池管理系統(tǒng)通信，采集電池組的電池數(shù)據(jù)，然后再由控制單元將采集的數(shù)據(jù)傳送給GPRS模塊，通過GPRS模塊發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，并利用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法對動力電池的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，精確計算SOC值，最后再通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)將計算出的SOC值發(fā)送給數(shù)據(jù)采集終端顯示，從而達(dá)到對電動汽車動力電池剩余電量的實時精確評估。
文檔編號G01R31/36GK102944848SQ20121047726
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者王志平, 胡戰(zhàn)虎 申請人:廣東省自動化研究所