一种钠电池SOC估算方法

技术领域

本发明属于钠电池技术领域，具体涉及一种钠电池SOC估算方法。

背景技术

在新能源领域，相比锂离子电池，钠离子电池具有成本较低、高低温性能优异、安全性能较好、更为环保等优点，受到科学工作者的广泛研究。SOC(State of Charge，电池荷电状态)是衡量钠电池性能的重要指标，它由钠电池当前剩余容量与当前寿命下额定容量之比来计算。钠电池SOC的准确估计，直接关系到钠电池车辆的使用效率，避免因亏电导致车辆抛锚情况出现，同时可以提升用户的体验感。

常见的钠电池SOC估算方法有安时积分法、动态电压修正法等。安时积分法是通过电流对时间积分计算流入电池的净容量，进而估算电池的SOC，但由于电流采样存在误差，随着时间累积SOC误差会越来越大。动态电压修正法是通过充放电末端的实时动态电压与经验电压阈值比较，来对充放电末端的SOC进行修正；动态电压修正法适合对充放电末端SOC不准的问题进行快速追回修正，修正SOC的灵敏性比较依赖于经验电压阈值的选取，但对于小电流充放电修正效果一般。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明旨在提供一种钠电池SOC估算方法，根据三阶等效电路模型计算电池DCR(Direct Current Resistance，直流内阻)，进而获取充放电DCR-T-Rate-SOC表，基于查表DCR和实际DCR的差值以及查表SOC和实际SOC的差值修正SOC，以实现对SOC的准确估计。

一种钠电池SOC估算方法，包括如下步骤：

S1、获取充放电DCR-T-Rate-SOC表：采用三阶等效电路辨识不同温度T、不同电流倍率Rate的充放电HPPC测试数据得到RC参数，将RC参数代入内阻公式计算DCR，获取充放电DCR-T-Rate-SOC表；

S2、实际DCR计算：将钠电池车辆静置一段时间后，根据所施加充放电脉冲的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI，计算实际充放电DCR；

S3、SOC修正：根据实际温度T、电流倍率Rate和实际SOC插值正查充放电DCR-T-Rate-SOC表得到充放电内阻查表值DCR_Lkp，根据实际温度T、电流倍率Rate和实际DCR插值反查充放电DCR-T-Rate-SOC表得到充放电SOC反查值SOC_Lkp，根据查表DCR_Lkp和实际DCR的差值以及反查SOC_Lkp和实际SOC的差值修正SOC；

S4、SOC充电标定：在最高单体电压Vmax达到充电截止电压时，对SOC进行满充标定。

进一步地，所述步骤S1中获取充放电DCR-T-Rate-SOC表的具体步骤为：

S11、采用三阶等效电路辨识不同温度T、不同电流倍率Rate的充放电HPPC测试数据，得到不同温度T、电流倍率Rate、SOC对应的充放电RC电池参数，包括欧姆内阻R0和三个极化内阻R1、R2、R3，三个极化内阻分别对应的时间常数τ1、τ2、τ3；

S12、根据步骤S11中辨识的RC电池参数，计算内阻DCR，见公式(1)：

其中，DCR为电池内阻，R0为欧姆内阻，R1、R2、R3为极化内阻，τ1、τ2、τ3分别为R1、R2、R3对应的时间常数，dt为HPPC测试脉冲电流从开始施加到趋于稳定的时间；

S13、根据步骤S12计算不同温度T、电流倍率Rate、SOC对应的充电和放电DCR，汇总得到充电DCR-T-Rate-SOC表和放电DCR-T-Rate-SOC表。

优选地，所述步骤S12中dt取0.5s。

进一步地，所述步骤S2中计算实际充放电DCR的具体步骤包括：

S21、将钠电池车辆静置一段时间，以消除电池的极化效应，静置时长Sleep_Time取值范围为0.2h～5h；

S22、完成静置之后，对钠电池车辆进行充电或者放电，获取充放电脉冲开始施加到电流趋于稳定的时间dt内的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI，dt为公式(1)计算DCR时所取的时间；

S23、对获取的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI进行求商，得到实际充放电内阻DCR，计算的DCR需要是正值。

进一步地，所述步骤S23中，若实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商为正值时，将实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商作为当前时刻实际充放电内阻DCR；若实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商不是正值时，当前时刻DCR不计算，SOC不进行修正，将实际SOC值作为当前时刻输出的SOC。

进一步地，所述步骤S3中修正SOC的具体步骤包括：

S31、用钠电池车辆静置结束后的充放电脉冲电流与电池容量求商，获取实际电流倍率Rate；

S32、根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查充放电DCR-T-Rate-SOC表，得到充放电内阻DCR查表值DCR_Lkp；

S33、根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和获取的实际内阻DCR插值反查充放电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电或放电过程中的SOC反查值SOC_Lkp；

S34、当步骤S32的查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值大于DCR误差阈值DCRth(1mΩ≤DCRth≤10mΩ)，且步骤S33的反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值大于SOC误差阈值SOCth(1％≤SOCth≤10％)时，对SOC进行修正；

S35、SOC输出值控制在0％～100％之间。

具体的，所述步骤S32中，当钠电池车辆静置结束后施加充电脉冲时，则根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查充电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电内阻查表值DCR_Lkp_chg；当钠电池车辆静置结束后施加放电脉冲时，则根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查放电DCR-T-Rate-SOC表，得到放电内阻查表值DCR_Lkp_dis。

针对所述步骤S33，进一步补充如下：

Q1、当步骤S31中钠电池车辆静置结束后施加充电脉冲时，则根据实际温度T、步骤S31计算的实际电流倍率Rate和步骤S2获取的实际充电DCR插值反查充电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电过程中的SOC反查值SOC_Lkp_chg；

Q2、当步骤S31中钠电池车辆静置结束后施加放电脉冲时，则根据实际温度T、步骤S31计算的实际电流倍率Rate和步骤S2获取的实际放电DCR插值反查放电DCR-T-Rate-SOC表，得到放电过程中的SOC反查值SOC_Lkp_dis。

针对所述步骤S34中，进一步补充如下：

R1、当查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值大于DCR误差阈值DCRth且反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值大于SOC误差阈值SOCth时，对SOC进行修正，将反查的SOC_Lkp作为当前时刻输出的SOC；

R2、当查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值不大于DCR误差阈值DCRth或反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值不大于SOC误差阈值SOCth时，不修正SOC值，将实际SOC值作为当前时刻输出的SOC。

进一步地，所述步骤S4中SOC充电标定的具体方法为：

S41、当最高单体电压Vmax达到充电截止电压时，将计数使能开关CountEn置1，开始计数；

S42、当充电电流降到电流零漂值以下且步骤S41的计数使能开关CountEn为1时，对SOC执行充电标定，将SOC值设定成100％；

S43、当检测到放电电流或者计数器的值超过计数阈值COUNTth时，将计数使能开关CountEn置0，停止计数，同时解除SOC的充电标定。

与现有技术相比，本发明有以下优点：根据三阶等效电路模型计算电池内阻DCR，进而获取充放电DCR-T-Rate-SOC表，基于查表DCR和实际DCR的差值以及查表SOC和实际SOC的差值修正SOC，实现了对SOC的准确估计；基于电池内阻DCR差值和SOC差值修正钠电池SOC，不受电流采样精度的影响，克服了安时积分法的累积误差问题；能够对钠电池全区段SOC进行修正，对小电流充放电同样适用，解决了动态电压修正法对经验电压阈值选取的依赖问题。

附图说明

图1为本发明方法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种钠电池SOC估算方法作进一步说明。

如图1所示，一种钠电池SOC估算方法，包括DCR-T-Rate-SOC表获取、实际DCR计算、SOC修正和SOC充电标定四个模块，具体估算方法如下：

步骤一：DCR-T-Rate-SOC表获取

采用三阶等效电路辨识不同温度T、不同电流倍率Rate的充放电HPPC测试数据得到RC参数，将RC参数代入内阻公式计算DCR，获取充放电DCR-T-Rate-SOC表。其具体获取步骤包括：

S11、采用三阶等效电路辨识不同温度T、不同电流倍率Rate的充放电HPPC测试数据，得到不同温度T、电流倍率Rate、SOC对应的充放电RC电池参数，包括欧姆内阻R0和三个极化内阻R1、R2、R3，三个极化内阻分别对应的时间常数τ1、τ2、τ3；

S12、根据步骤S11中辨识的RC电池参数，计算内阻DCR，见公式(1)：

其中，DCR为电池内阻，R0为欧姆内阻，R1、R2、R3为极化内阻，τ1、τ2、τ3分别为R1、R2、R3对应的时间常数，dt为HPPC测试脉冲电流从开始施加到趋于稳定的时间，一般取0.5s；

S13、根据步骤S12计算不同温度T、电流倍率Rate、SOC对应的充电和放电DCR，汇总得到充电DCR-T-Rate-SOC表和放电DCR-T-Rate-SOC表。

步骤二：实际DCR计算

将钠电池车辆静置一段时间后，根据所施加充放电脉冲的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI，计算实际充放电DCR。具体的操作步骤包括：

S21、将钠电池车辆静置一段时间，以消除电池的极化效应，静置时长Sleep_Time取值范围为0.2h～5h；

S22、完成静置之后，对钠电池车辆进行充电或者放电，获取充放电脉冲开始施加到电流趋于稳定的时间dt内的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI，dt为公式(1)计算DCR时所取的时间；

S23、对获取的实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI进行求商，得到实际充放电内阻DCR，计算的DCR需要是正值；当实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商为正值时，将实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商作为当前时刻实际充放电内阻DCR；当实际电压变化量ΔV和电流变化量ΔI的商不是正值时，当前时刻DCR不计算，SOC不进行修正，将实际SOC值作为当前时刻输出的SOC。

步骤三：SOC修正

根据实际温度T、电流倍率Rate和实际SOC插值正查充放电DCR-T-Rate-SOC表得到充放电内阻查表值DCR_Lkp，根据实际温度T、电流倍率Rate和实际DCR插值反查充放电DCR-T-Rate-SOC表得到充放电SOC反查值SOC_Lkp，根据查表DCR_Lkp和实际DCR的差值以及反查SOC_Lkp和实际SOC的差值修正SOC。具体详细步骤包括：

S31、用钠电池车辆静置结束后的充放电脉冲电流与电池容量求商，获取实际电流倍率Rate；

S32、根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查充放电DCR-T-Rate-SOC表，得到充放电内阻DCR查表值DCR_Lkp；

其中，当钠电池车辆静置结束后施加充电脉冲时，则根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查充电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电内阻查表值DCR_Lkp_chg；当钠电池车辆静置结束后施加放电脉冲时，则根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和实际SOC插值正查放电DCR-T-Rate-SOC表，得到放电内阻查表值DCR_Lkp_dis。

S33、根据实际温度T、计算的实际电流倍率Rate和获取的实际内阻DCR插值反查充放电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电或放电过程中的SOC反查值SOC_Lkp；

针对该步骤，进一步补充如下：

Q1、当步骤S31中钠电池车辆静置结束后施加充电脉冲时，则根据实际温度T、步骤S31计算的实际电流倍率Rate和步骤二中获取的实际充电DCR插值反查充电DCR-T-Rate-SOC表，得到充电过程中的SOC反查值SOC_Lkp_chg；

Q2、当步骤S31中钠电池车辆静置结束后施加放电脉冲时，则根据实际温度T、步骤S31计算的实际电流倍率Rate和步骤二获取的实际放电DCR插值反查放电DCR-T-Rate-SOC表，得到放电过程中的SOC反查值SOC_Lkp_dis。

S34、当步骤S32的查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值大于DCR误差阈值DCRth(1mΩ≤DCRth≤10mΩ)，且步骤S33的反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值大于SOC误差阈值SOCth(1％≤SOCth≤10％)时，对SOC进行修正；

针对步骤S34，进一步补充如下：

R1、当查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值大于DCR误差阈值DCRth且反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值大于SOC误差阈值SOCth时，对SOC进行修正，将反查的SOC_Lkp作为当前时刻输出的SOC；

R2、当查表DCR_Lkp和实际DCR差值的绝对值不大于DCR误差阈值DCRth或反查SOC_Lkp和实际SOC差值的绝对值不大于SOC误差阈值SOCth时，不修正SOC值，将实际SOC值作为当前时刻输出的SOC。

S35、SOC输出值控制在0％～100％之间。

针对步骤3中的SOC修正方法，具体的实施实例为：

例如，设定钠电池车辆静置结束后施加的是放电脉冲，脉冲电流Cur＝100A，电池容量Q＝200Ah，电流倍率表Rate_Table＝[0.1,0.5,1.0]C，SOC表SOC_Table＝[0,50,100]％，实际温度T＝25℃对应的放电DCR-Rate-SOC表DCR-Rate-SOC_Table＝[10,5,3；8,3,2；5,2,1]mΩ，实际放电DCR＝2.5mΩ，实际SOC＝25％，DCR误差阈值DCRth＝1mΩ，SOC误差阈值SOCth＝10％：

根据步骤S31计算实际电流倍率Rate＝脉冲电流Cur/电池容量Q＝100/200C＝0.5C；根据步骤S32中实际温度T＝25℃、实际电流倍率Rate＝0.5C和实际SOC＝25％插值正查放电DCR-T-Rate-SOC表，实际温度T＝25℃、实际电流倍率Rate＝0.5C对应的放电DCR-SOC_Table＝[5,3,2]mΩ，用实际SOC＝25％插值查放电DCR-SOC_Table表，得到放电内阻DCR查表值DCR_Lkp＝[5+(3-5)×(50-25)/(50-0)]mΩ＝4mΩ；根据步骤S33中实际温度T＝25℃、实际电流倍率Rate＝0.5C和实际内阻DCR＝2.5mΩ插值反查放电DCR-T-Rate-SOC表，实际温度T＝25℃、实际电流倍率Rate＝0.5C对应的放电DCR-SOC_Table＝[5,3,2]mΩ，用实际内阻DCR＝2.5mΩ插值反查放电DCR-SOC_Table表，得到放电过程中的SOC反查值SOC_Lkp＝50％+(2.5-3)/(2-3)×(100-50)％＝75％；根据步骤S34，查表DCR_Lkp-实际DCR＝(4-2.5)mΩ＝1.5mΩ>DCR误差阈值DCRth＝1mΩ，反查SOC_Lkp-实际SOC＝75％-25％＝50％>SOC误差阈值SOCth＝10％，由于1.5mΩ>1mΩ且50％>10％，所以对SOC进行修正，将反查的SOC_Lkp作为当前输出的SOC，即SOC估算值为75％。

步骤四：SOC充电标定

在最高单体电压Vmax达到充电截止电压时，对SOC进行满充标定。满充标定的详细步骤包括：

S41、当最高单体电压Vmax达到充电截止电压时，将计数使能开关CountEn置1，开始计数；

S42、当充电电流降到电流零漂值以下且步骤S41的计数使能开关CountEn为1时，对SOC执行充电标定，将SOC值设定成100％；

S43、当检测到放电电流或者计数器的值超过计数阈值COUNTth时，将计数使能开关CountEn置0，停止计数，同时解除SOC的充电标定。

综上可知，本发明根据三阶等效电路模型计算电池内阻DCR，进而获取充放电DCR-T-Rate-SOC表，基于查表DCR和实际DCR的差值以及查表SOC和实际SOC的差值修正SOC，实现了对钠电池SOC的准确估计。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。