CN109669138B - 一种精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法 - Google Patents
一种精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种精准测定动力铅蓄电池剩余容量的方法，该方法包括：利用开路电压与容量的函数关系，计算初始容量SOC0；采用安时法计算电池组动态运行时的剩余容量SOCA；通过电压、电流与剩余容量的关系曲面，以及标称容量修正，修正SOCA。本发明针对于安时法测定的剩余容量没有初始容量算法及经过日积月累的误差导致剩余容量不准确的问题，对动力铅蓄电池组剩余容量进行了修正，通过电压、电流与剩余容量的关系曲面，以及标称容量修正，拟合得到相应的修正函数，该修正函数不仅考虑到电压、电流与剩余容量的关系，还利用标称容量进行修正，修正后剩余容量与实际剩余容量的误差在3％以内。
Description
技术领域
本发明涉及动力铅蓄电池技术领域，尤其涉及一种精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法。
背景技术
铅蓄电池是广泛使用的一种化学电源，该产品具有良好的可逆性、电压特性平稳、使用寿命长、适用范围广、原材料丰富、可再生使用，且造价低廉等优点。近年来，随着环保意识的增强及能源问题的日趋严重，铅蓄电池作为动力电源在电动车系统中起着极其重要的作用。
目前，电动车只能做到电池电量的显示，电动车电量显示表也只是电池电压的直接指示，误差非常大，是电动车用户的一大痛点，影响用户对电动车剩余续行里程的判断，经常出现电动车仪表盘中显示50％以上电量，但电动车却无充足电量启动，或启动不久电动车就已没电的情况。所以，有必要对电动车电池的剩余容量进行准确预测。
现有的电池剩余容量(state of charge，SOC)的检测方法为：安时积分法、放电测试法、开路电压法、内阻法等。其中，安时积分法，即Ah法，又称为安时法或电量积累法，是把蓄电池的容量Q以“Ah”为单位来计量，通过充放电电流与时间的积分，求得比较精确的电量值。放电测试法是对负载电阻进行连续放电试验，放电过程中，调节负载电阻大小，维持放电电流的恒定，直至放电终止电压。开路电压法，又称OCV法，其与蓄电池的电动势有关，根据电化学理论，在蓄电池中化学能与电能的转换达到平衡时，正极平衡电极电势与负极平衡电极电势的差值，成为电池电动势，在数值上等于电池达到稳定状态时的开路电压。
在上述方法中，开路电压法最为简单，仅需检测电池的开路电压便可估算电池的放电状态，但该方法要求所检测的电压必须是电池处于无载时的稳态电压，只能在电池静置时才可测量，即当电池处于充、放电状态时是无法采用该方法进行SOC检测。由于安时法主要研究该系统的外部特征，易于实现，应用广泛，该方法实时测量电池充放电能量，与其他几种方法相比，受电池本身情况的限制小，宜于发挥外部监测的特点。
但是，安时积分法在估计剩余电量过程中，仍然存在以下问题：(1)方法本身不能估计SOC0；(2)库伦效率难于准确测量；(3)非常温状态SOC估计误差较大。
为此，研究者们做了大量关于安时积分法修正的研究，例如：曹振华(基于安时法在线电池剩余容量修正算法，2017年)以单体阀控式铅蓄电池(VRLA)为研究对象，为解决在线式工作状态下电池的剩余容量(SOC)实时动态估算的难题，基于安时法和工作电压转换剩余容量算法的基础上提出了一种提高电池剩余容量计算精度的修正方法；通过基于电池工作电压的电池剩余容量估算，利用其估算结果修正安时法的初始容量和深度放电后期的剩余容量，提高安时法估算精度。
然而，上述方法对于铅蓄电池剩余容量估算的准确性仍有待进一步提高。
发明内容
本发明基于现有技术中安时积分法存在的问题，提供了一种精准测定动力铅蓄电池剩余容量的方法，该方法在安时积分法基础上增加了初始剩余容量的算法，并对多次充放电使用后的剩余容量进行修正，提高了铅蓄电池剩余容量估算的准确性，预测的电池剩余容量与实际容量的误差在3％以内。
具体技术方案如下：
一种精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，包括：
(1)利用开路电压法得到动力铅蓄电池组开路电压与容量的函数关系，测定动力铅蓄电池组运行前的开路电压，根据所述函数关系，得到初始容量SOC0；
(2)基于步骤(1)测得的初始容量SOC0，采用安时法计算动力铅蓄电池组运行时的剩余容量SOCA；
(3)选择下列步骤(a)～(c)中一种，对步骤(2)所述的剩余容量SOCA进行修正；
(a)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于放电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
其中，I为工作电流，t为工作时间；
(b)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于充电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
(c)当单只动力铅蓄电池的负载电压≤11.3V时，采用不同电流梯度对动力铅蓄电池组进行放电，获得的若干条电流、电压与剩余容量的关系曲线，形成电流、电压与剩余容量的关系曲面，拟合曲面后，得到剩余容量与电压、电流的关系，并结合标称容量进行修正，得到下列函数关系式：
SOC＝{[a×(I1/C)+b](V/n)2-[c×(I1/C)+d](V/n)+(e×(I1/C)+f)}％×C；
其中，a、b、c、d、e、f为函数系数，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
本发明针对于安时法测定的剩余容量没有初始容量或初始容量不准确以及持续充放电后低容量电池测量不准的问题，对安时法进行了修正，通过开路电压方法测得初始容量，通过电压、电流与剩余容量的关系曲面，以及标称容量修正，拟合得到相应的修正函数，该修正函数不仅考虑到初始容量以及电压、电流与剩余容量的关系，还利用标称容量进行修正，修正后剩余容量与实际剩余容量的误差在3％以内。
考虑到放电过程中实际用掉的容量数是电池组按100％放出的，而充电过程中，电池组实际所能放出的容量只有实际充进容量的95％-98％，而且每一次的累计误差经过日积月累误差会比较大。所以，采用步骤(a)和步骤(b)进行修正。
本发明采用的上述剩余容量测定方法尤为适合电动自行车的蓄电池，例如：6-DZF-12型蓄电池和6-DZF-20型蓄电池。
进一步地，步骤(1)中，所述函数关系为：SOC0＝[a’×(V0/n)2-b’×(V0/n)+c’]％*C；
其中，a’、b’、c’为函数系数，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
对于6-DZF-12型蓄电池和6-DZF-20型蓄电池，所述函数关系为：SOC0＝(8.4491×(V0/n)2-159.23×(V0/n)+727.3)％*C；其中，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
进一步地，步骤(2)中，所述安时法采用的公式为：
进一步地，所述动力铅蓄电池组为6-DZF-12型蓄电池时，步骤(c)中剩余容量与电压、电流的关系式为：SOC＝{[-1.451×(I1/C)+17.894](V/n)2-[-36.751×(I1/C)+379.86](V/n)+(-226.2×(I1/C)+2016.3)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
上述关系式尤为适合6-DZF-12型蓄电池，该型号电池均可采用上述公式进行剩余容量的测定，作为优选，所述的动力铅蓄电池组为4812电池。
进一步地，所述动力铅蓄电池为6-DZF-20型蓄电池时，步骤(c)中剩余容量与电压、电流的关系式为：SOC＝{[0.907×(I1/C)+18.226](V/n)2-[6.6672×(I1/C)+394.76](V/n)+(-30.747×(I1/C)+2137.1)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
上述关系式尤为适合6-DZF-20型蓄电池，该型号电池均可采用上述公式进行剩余容量的测定，作为优选，所述的动力铅蓄电池组为4820电池。
除上述修正外，本发明还考虑了蓄电池自放电的问题，为排除自放电对蓄电池剩余容量的影响，进一步地，步骤(3)中，还包括步骤(d)：
(d)若动力铅蓄电池组在不进行充放电的状态下放置，则按0.3％-0.5％C/天的容量值扣除动力铅蓄电池组的剩余容量。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明针对于安时法测定的剩余容量没有初始容量算法及经过日积月累的误差导致剩余容量不准确的问题，对动力铅蓄电池组剩余容量进行了修正，通过电压、电流与剩余容量的关系曲面，以及标称容量修正，拟合得到相应的修正函数，该修正函数不仅考虑到电压、电流与剩余容量的关系，还利用标称容量进行修正，修正后剩余容量与实际剩余容量的误差在3％以内。
(2)本发明还将蓄电池自放电问题考虑其中，进一步提高了修正后剩余容量与实际剩余容量的误差。
附图说明
图1为采用实施例1、对比例1和对比例2的方法计算获得的48V 12Ah电池的SOC测算图。
图2为采用实施例2、对比例3和对比例4的方法计算获得的48V 20Ah电池的SOC测算图。
图3为采用实施例3、对比例5的方法和实际SOC中电池自放电的SOC测试图。
具体实施方式
实施例1 4812电池
(1)取1组48V、12Ah的电池，测取该动力铅蓄电池组的开路电压，得到动力铅蓄电池组开路电压与容量的线性函数关系；
函数关系式如下：SOC＝[(8.4491*(V0/n)*(V0/n)-159.23*(V0/n)+727.3)/100]*C；其中，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，n＝4，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
在动力铅蓄电池组运行前，测定动力铅蓄电池组的开路电压，根据上述函数关系式，得到该动力铅蓄电池组的SOC0；
(2)对该动力铅蓄电池组进行充放电，利用安时法计算动力铅蓄电池组的剩余容量SOCA；
(3)对步骤(2)的剩余容量SOCA进行修正；
具体修正方法如下：
(a)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于放电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
其中，I为工作电流，t为工作时间；
(b)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于充电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
(c)当单只动力铅蓄电池的负载电压≤11.3V时，采用不同电流梯度对动力铅蓄电池组进行放电，获得的若干条电流、电压与剩余容量的关系曲线，形成电流、电压与剩余容量的关系曲面，拟合曲面后，得到剩余容量与电压、电流的关系；
然而，负载电压≤11.3V的4812电池在不同电流条件下，电压与电量对应曲线虽有一定关系，但较为复杂。如果只根据电压来判断，误差非常大。
故，结合标称容量修正，得到下列函数关系式：
SOC＝{[-1.451×(I1/C)+17.894](V/n)2-[-36.751×(I1/C)+379.86](V/n)+(-226.2×(I1/C)+2016.3)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数；
(d)若蓄电池在不进行充放电的状态下放置，则按0.5％C/天的容量值扣除蓄电池的剩余容量。
对比例1
本对比例除不进行步骤(a)～(c)的修正外，其余步骤与实施例1完全相同。
对比例2
本对比例除不进行步骤(c)的修正外，其余步骤与实施例1完全相同。
对动力铅蓄电池组进行持续充放电，根据实施例1和对比例1、2提供的算法进行持续修正，获得的剩余容量SOCA与动力铅蓄电池组实际SOC进行比较，结果见表1和图1。
表1
从上述图1和表1可以看出，只参照安时法计算动力铅蓄电池组的SOC，首先初始容量无法测得或者测得的要经过充放电流程才有相关数据，其次安时法(即对比例1)经过几十次充放电循环后，前十次还算比较精确，但经过日积月累的累计误差，偏差越来越大，而加了步骤(a)和步骤(b)进行充放电修正的SOC就相对精确很多；但加了充放电修正(即对比例2)的SOC经过几十次的循环，后期误差也越来越大，需通过低容量状态下的拟合曲线修正才能没有累计误差，当出现一次低容量状态时就得到了修正，加低容量修正(即实施例1)的SOC曲线与实际SOC曲线相比，误差在3％以内，如按6-DZF-12电池标称容量计算，最大容量误差只有0.33Ah。
实施例2 4820电池
(1)取1组48V、20Ah的电池，测取该动力铅蓄电池组的开路电压，得到动力铅蓄电池组开路电压与容量的线性函数关系；
函数关系式如下：SOC＝[(8.4491*(V0/n)*(V0/n)-159.23*(V0/n)+727.3)/100]*C；其中，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，n＝4，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
在动力铅蓄电池组运行前，测定动力铅蓄电池组的开路电压，根据上述函数关系式，得到该动力铅蓄电池组的SOC0；
(2)对该动力铅蓄电池组进行充放电，利用安时法计算动力铅蓄电池组的剩余容量SOCA；
(3)对步骤(2)的剩余容量SOCA进行修正；
具体修正方法如下：
(a)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于放电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
其中，I为工作电流，t为工作时间；
(b)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于充电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
(c)当单只动力铅蓄电池的负载电压≤11.3V时，采用不同电流梯度对动力铅蓄电池组进行放电，获得的若干条电流、电压与剩余容量的关系曲线，形成电流、电压与剩余容量的关系曲面，拟合曲面后，得到剩余容量与电压、电流的关系；结合标称容量修正，得到下列函数关系式：
SOC＝{[0.907×(I1/C)+18.226](V/n)2-[6.6672×(I1/C)+394.76](V/n)+(-30.747×(I1/C)+2137.1)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数；
(d)若动力铅蓄电池组在不进行充放电的状态下放置，则按0.5％C/天的容量值扣除动力铅蓄电池组的剩余容量。
对比例3
本对比例除不进行步骤(a)～(c)的修正外，其余步骤与实施例1完全相同。
对比例4
本对比例除不进行步骤(c)的修正外，其余步骤与实施例1完全相同。
对动力铅蓄电池组进行持续充放电，根据实施例1和对比例1、2提供的算法进行持续修正，获得的剩余容量SOCA与动力铅蓄电池组实际SOC进行比较，结果见表2和图2。
表2
从上述图2和表2可以看出，只参照安时法计算动力铅蓄电池组的SOC，首先初始容量无法测得或者测得的要经过充放电流程才有相关数据，其次安时法(即对比例3)经过几十次充放电循环后，前十次还算比较精确，但经过日积月累的累计误差，偏差越来越大，而加了步骤(a)和步骤(b)进行充放电修正的SOC就相对精确很多；但加了充放电修正(即对比例4)的SOC经过几十次的循环，后期误差也越来越大，需通过低容量状态下的拟合曲线修正才能没有累计误差，当出现一次低容量状态时就得到了修正，加低容量修正(即实施例2)的SOC曲线与实际SOC曲线相比，误差在3％以内，如按6-DZF-20电池标称容量计算，最大容量误差只有0.50Ah。
从实施例1和实施例2可以看出，只要测得该动力铅蓄电池组的开路电压，就可以根据动力铅蓄电池组开路电压与容量的函数关系，计算得出该动力铅蓄电池组的初始容量SOC0，而对比例1和对比例3，用安时法测定，需要进行一次充放电流程后才能得到SOC0，无法即时测得。表1中的数据只是根据测得的电池实际SOC作为对比例1和对比例3的SOC0。
实施例3
(1)取1组48V、12Ah的动力铅蓄电池组，测取该动力铅蓄电池组的实际SOC，
(2)对该动力铅蓄电池组进行静置7天的自放电测试，每静置7天测试一次，实施例4按0.3％C/天的容量值扣除动力铅蓄电池组的剩余容量，利用自放电，计算动力铅蓄电池组的剩余容量SOCA；
对比例5
本对比例除不进行自放电的修正，其余步骤与实施例3相同。
表3
| 编号 | 自放电测试 | 对比例5 | 实施例3 | 电池实际sOC |
| SOC0 | 11.5 | 11.5 | 11.5 | |
| SOC1 | 静置7天 | 11.5 | 11.44 | 11.48 |
| SOC2 | 静置7天 | 11.5 | 11.38 | 11.46 |
| SOC3 | 静置7天 | 11.5 | 11.32 | 11.43 |
| SOC4 | 静置7天 | 11.5 | 11.26 | 11.39 |
| SOC5 | 静置7天 | 11.5 | 11.2 | 11.35 |
| SOC6 | 静置7天 | 11.5 | 11.14 | 11.30 |
| SOC7 | 静置7天 | 11.5 | 11.08 | 11.24 |
| SOC8 | 静置7天 | 11.5 | 11.02 | 11.17 |
| SOC9 | 静置7天 | 11.5 | 10.96 | 11.08 |
| SOC10 | 静置7天 | 11.5 | 10.9 | 10.98 |
| SOC11 | 静置7天 | 11.5 | 10.84 | 10.86 |
| SOC12 | 静置7天 | 11.5 | 10.78 | 10.71 |
从表3和图3可以看出，在测算电池SOC的过程，需要对SOC进行电池自放电的修正，不然SOC误差会越来越大，而进行了自放电修正的SOC与电池实际SOC就相对比较接近。
Claims (9)
1.一种精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，包括：
(1)利用开路电压法得到动力铅蓄电池组开路电压与容量的函数关系，测定动力铅蓄电池组运行前的开路电压，根据所述函数关系，得到初始容量SOC0；
(2)基于步骤(1)测得的初始容量SOC0，采用安时法计算动力铅蓄电池组运行时的剩余容量SOCA；
(3)选择下列步骤(a)～(c)中一种，对步骤(2)所述的剩余容量SOCA进行修正；
(a)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于放电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
其中，I为工作电流，t为工作时间；
(b)当单只动力铅蓄电池的负载电压＞11.3V时，对于充电过程中的动力铅蓄电池组进行修正；
修正公式为：修正后的剩余容量
(c)当单只动力铅蓄电池的负载电压≤11.3V时，采用不同电流梯度对动力铅蓄电池组进行放电，获得的若干条电流、电压与剩余容量的关系曲线，形成电流、电压与剩余容量的关系曲面，拟合曲面后，得到剩余容量与电压、电流的关系，并结合标称容量进行修正，得到下列函数关系式：
SOC＝{[a×(I1/C)+b](V/n)2-[c×(I1/C)+d](V/n)+(e×(I1/C)+f)}％×C；
其中，a、b、c、d、e、f为函数系数，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
2.如权利要求1所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述函数关系为：SOC0＝[a’×(V0/n)2-b’×(V0/n)+c’]％*C；
其中，a’、b’、c’为函数系数，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
3.如权利要求2所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，对于6-DZF-12型蓄电池和6-DZF-20型蓄电池，所述函数关系为：SOC0＝(8.4491×(V0/n)2-159.23×(V0/n)+727.3)％*C；其中，V0为开路电压，n为动力铅蓄电池组的电池只数，C为动力铅蓄电池组的容量标称值。
4.如权利要求1所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述安时法采用的公式为：
5.如权利要求1所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，所述动力铅蓄电池组为6-DZF-12型蓄电池时；
步骤(c)中剩余容量与电压、电流的关系式为：SOC＝{[-1.451×(I1/C)+17.894](V/n)2-[-36.751×(I1/C)+379.86](V/n)+(-226.2×(I1/C)+2016.3)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
6.如权利要求5所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，所述的动力铅蓄电池组 为4812电池。
7.如权利要求1所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，所述动力铅蓄电池组 为6-DZF-20型蓄电池时；
步骤(c)中剩余容量与电压、电流的关系式为：SOC＝{[0.907×(I1/C)+18.226](V/n)2-[6.6672×(I1/C)+394.76](V/n)+(-30.747×(I1/C)+2137.1)}％×C；
其中，I1为放电电流值，C为动力铅蓄电池组 的容量标称值，V为在I1所对应的放电电流条件下的负载电压值，n为动力铅蓄电池组的电池只数。
8.如权利要求7所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，所述的动力铅蓄电池组为4820电池。
9.如权利要求1所述的精准测定动力铅蓄电池组剩余容量的方法，其特征在于，步骤(3)中，还包括步骤(d)：
(d)若动力铅蓄电池组在不进行充放电的状态下放置，则按(0.3％-0.5％)C/天的容量值扣除动力铅蓄电池组的剩余容量。
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