一种电池SOC估算方法、装置、电子设备及介质

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池SOC估算方法、装置、电子设备及介质。

背景技术

电池的荷电状态是电池管理系统制定均衡策略的重要依据之一，但许多电池包括锂离子电池、钠离子电池等等内部的电化学反应复杂多变，其SOC(State of charge，荷电状态)无法直接测量获取，仅能基于电池相关物理量通过一定方法估算获得。基于等效电路模型方法是目前常用的SOC估算方法，该类方法使用电池模型以及多种计算方法获取电池SOC，其估算精度与电池模型精度直接相关。

近年来，国内外学者对电池 SOC 的研究方法主要分为两大类：第一类是基于电池电化学性质的 SOC 估计方法，电化学模型主要利用化学与物理领域的知识，通过数学形式表现电池内部在使用过程中的细微变化，但是该类模型的结构较为复杂，在实际应用中需经过化简才能使用。第二类是基于等效电路模型的SOC估算方法，等效电路模型通过电路模拟电池的特性，相比于电化学模型，等效电路模型结构清晰简单，便于计算。

RC等效电路模型是电池等效电路模型常用模型之一，其能够较好的模拟电池的特性，常用的RC电路模型主要有二阶RC电路模型，但对于内部电化学反应更加复杂的电池，采用二阶RC电路模型对电池SOC估算精度低。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种电池SOC估算方法、装置、电子设备及介质，用以解决采用二阶RC电路模型对电池SOC估算精度低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种电池SOC估算方法，包括：

建立目标电池的三阶RC等效电路模型；

获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系；

基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数的值；

将所述目标电池的SOC按照预设比例进行放电得到所述目标电池的若干电量值，将所述目标电池的若干电量值与对应的所述三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合，得到目标电池电量与三阶RC等效电路模型的参数之间的第二曲线关系；

基于所述第一曲线关系和所述第二曲线关系对所述三阶RC等效电路模型进行模拟，得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系；

基于所述函数关系对电池电量进行估算。

在一些可能的实现方式中，所述三阶RC等效电路模型包括：1个电源，三个RC电路和1个欧姆电阻串联组成。

在一些可能的实现方式中，获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系，包括：

获取基于HPPC实验所得到的所述目标电池电量在预设时间段每个时刻的电量的值以及对应的开路电压的值；

基于最小二分搜索算法对所述每个时刻的电量的值以及对应的开路电压OCV的值进行拟合得到开路电压与之间的函数关系。

在一些可能的实现方式中，

所述目标电池电量的表达式为：

式中，SOC(t)为所述目标电池充放电的实时电量值，

在一些可能的实现方式中，所述基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数值，包括：

根据目标电池欧姆内阻导致电池的电压发生变化的曲线

获取所述三阶RC等效电路模型中RC电路的初始电压，基于所述初始电压得到所述三阶RC等效电路模型中第一RC电路的电容电压、第二RC电路的电容电压以及第三RC电路的电容电压；

基于所述第一RC电路的电容电压、第二RC电路的电容电压以及第三RC电路的电容电压和所述三阶RC等效电路模型中极化电阻导致所述目标电池电压缓慢变化的结束电压得到目标电池的第一开路电压公式；

基于最小二乘法对所述曲线

将目标电池的第一开路电压公式与目标电池的第二开路电压公式进行比对，得到所述三阶RC等效电路模型中三个RC电路的参数值。

在一些可能的实现方式中，所述第一开路电压公式的表达式为：

式中，

在一些可能的实现方式中，所述三阶RC等效电路模型的端电压的表达式为：

式中，

另一方面，本发明还提供了一种电池SOC估算装置，包括：

等效电路模型建立模块，用于建立目标电池的三阶RC等效电路模型；

第一曲线获取模块，用于获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系；

等效电路模型的参数获取模块，用于基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数的值；

第二曲线获取模块，用于将所述目标电池的SOC按照预设比例进行放电得到所述目标电池的若干电量值，将所述目标电池的若干电量值与对应的所述三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合，得到目标电池电量与三阶RC等效电路模型的参数之间的第二曲线关系；

端电压与SOC关系获取模块，用于基于所述第一曲线关系和所述第二曲线关系对所述三阶RC等效电路模型进行模拟，得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系；

SOC估算模块，用于基于所述函数关系对电池电量进行估算。

另一方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，其中，

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以实现上述任意一种实现方式中所述的一种电池SOC估算方法中的步骤。

另一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机可读取的程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时能够实现上述任意一种实现方式中所述的一种电池SOC估算方法中的步骤。

采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的一种电池SOC估算方法，首先建立目标电池的三阶RC等效电路模型，然后获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系并对三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，将目标电池每隔预设放电量的电量与对应的三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合得到第二曲线关系，根据第一曲线关系和第二曲线关系对三阶RC等效电路模型进行模拟得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系，从而对电池电量进行估算。本发明通过建立三阶RC等效电路模型以及电量与开路电压之间的关系，将电池电量与三阶RC等效电路模型的参数进行拟合，从而得到端电压和目标电池电量之间的函数关系，从而实现通过端电压估算电池电量即SOC，从而提高电池SOC估算精度。

附图说明

图１为本发明提供的一种电池SOC估算方法一实施例的结构示意图方法流程图；

图2为本发明提供的一种电池SOC估算方法一实施例的三阶RC等效模型结构示意图；

图3为本发明提供的一种电池SOC估算方法中容量38Ah的18650磷酸铁锂、放电电流为20A的HPPC电池开路电压OCV和时间t的放电过程关系图；

图4为本发明提供的一种电池SOC估算方法中采用二分搜索算法的OCV-SOC拟合曲线；

图5为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池在SOC80%时放电静置曲线；

图6为本发明提供的一种电池SOC估算方法SOC在80%时采用最小二乘法拟合出来的电压曲线；

图7为本发明提供的一种电池SOC估算方法采用二分搜索算法的R

图8为本发明提供的一种电池SOC估算方法采用二分搜索算法的R

图9为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池SOC在80%时模拟曲线和真实曲线对比图；

图10为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池SOC在80%时模拟值和真实值的误差图；

图11为本发明提供的一种电池SOC估算方法端电压U-SOC图；

图12为本发明提供的一种电池SOC估算装置的一个实施例结构示意图；

图13为本发明提供的电子设备的一个实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

图1为本发明提供的一种电池SOC估算方法的一个实施例流程示意图，如图1所示，一种电池SOC估算方法，包括：

S101、建立目标电池的三阶RC等效电路模型；

S102、获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系；

S103、基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数的值；

S104、将所述目标电池的SOC按照预设比例进行放电得到所述目标电池的若干电量值，将所述目标电池的若干电量值与对应的所述三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合，得到目标电池电量与三阶RC等效电路模型的参数之间的第二曲线关系；

S105、基于所述第一曲线关系和所述第二曲线关系对所述三阶RC等效电路模型进行模拟，得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系；

S106、基于所述函数关系对电池电量进行估算。

与现有技术相比，本实施例提供的一种电池SOC估算方法，首先建立目标电池的三阶RC等效电路模型，然后获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系并对三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，将目标电池每隔预设放电量的电量与对应的三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合得到第二曲线关系，根据第一曲线关系和第二曲线关系对三阶RC等效电路模型进行模拟得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系，从而对电池电量进行估算。本发明通过建立三阶RC等效电路模型以及电量与开路电压之间的关系，将电池电量与三阶RC等效电路模型的参数进行拟合，从而得到端电压和目标电池电量之间的函数关系，从而实现通过端电压估算电池电量即SOC，从而提高电池SOC估算精度。

在本发明的具体实施例中，以38Ah的18650磷酸铁锂电池为例。

在本发明的一些实施例中，所述三阶RC等效电路模型包括：1个电源，三个RC电路和1个欧姆电阻串联组成。

在本发明的具体实施例中，图2为本发明提供的一种电池SOC估算方法一实施例的三阶RC等效模型结构示意图，电池的三阶RC等效电路模型包括SOC计算模块和等效电压电阻模块。SOC计算模块中，C代表电池的额定容量，图中的电流控制电流源代表流过电池容量的电流值为流过电池的电流值，均为电流 I ，充电时 I<0，放电时I>0；SOC 代表电池的剩余电量，因此，SOC 的值在 0~1 之间。等效电压电阻模块中OCV为电池开路电压，R

在本发明的一些实施例中，在步骤S102中，获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系，包括：

获取基于HPPC实验所得到的所述目标电池电量在预设时间段每个时刻的电量的值以及对应的开路电压的值；

基于最小二分搜索算法对所述每个时刻的电量的值以及对应的开路电压OCV的值进行拟合得到开路电压与之间的函数关系。

在本发明的一些实施例中，所述目标电池电量的表达式为：

式中，SOC(t)为所述目标电池充放电的实时电量值，

在本发明的一些具体实施例中，图3为本发明提供的一种电池SOC估算方法中容量38Ah的18650磷酸铁锂、放电电流为20A的HPPC电池开路电压OCV和时间t的放电过程关系图，HPPC实验为每隔SOC的10%对满电电池以20A电流进行放电并充分静置。

每隔SOC的10%的静置完全充分的电压作为对应SOC点的开路电压OCV，即得到10组OCV-SOC的点，将这10个点利用二分搜索算法进行拟合得到OCV-SOC的关系图，如图4为本发明提供的一种电池SOC估算方法中采用二分搜索算法的OCV-SOC拟合曲线。

在本发明的一些实施例中，在步骤S103中，所述基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数值，包括：

根据目标电池欧姆内阻导致电池的电压发生变化的曲线

获取所述三阶RC等效电路模型中RC电路的初始电压，基于所述初始电压得到所述三阶RC等效电路模型中第一RC电路的电容电压、第二RC电路的电容电压以及第三RC电路的电容电压；

基于所述第一RC电路的电容电压、第二RC电路的电容电压以及第三RC电路的电容电压和所述三阶RC等效电路模型中极化电阻导致所述目标电池电压缓慢变化的结束电压得到目标电池的第一开路电压公式；

基于最小二乘法对所述曲线

将目标电池的第一开路电压公式与目标电池的第二开路电压公式进行比对，得到所述三阶RC等效电路模型中三个RC电路的参数值。

在本发明的一些实施例中，所述第一开路电压公式的表达式为：

式中，

在本发明的具体实施例中，利用HPPC实验进行电池模型的参数辨识，包括如下步骤：

步骤一：图5为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池在SOC80%时放电静置曲线，如图5所示，BC段为电池的欧姆内阻导致电池的电压发生突变的曲线，CD段为电池极化内阻导致电压缓慢变化的曲线，根据欧姆电阻的参数辨识公式和极化电阻的参数辨识公式得到欧姆电阻的参数和极化电阻的参数：

式中，R

此公式为RC电路的零输入响应，此时电容电压开始衰减，

此公式为电池开路电压OCV的计算公式，OCV

用最小二乘法进行参数拟合包括用自定义拟合公式对电压参数进行拟合：

图6为本发明提供的一种电池SOC估算方法SOC在80%时采用最小二乘法拟合出来的电压曲线，如图6所示为电池的SOC80%时的拟合曲线，R-square达到0.983。再分别对每个10%的SOC电压参数进行拟合。

步骤二：拟合完成之后得到所有的a、b、c、d、e、f的值，根据公式

以及/>

求得所有的欧姆内阻和极化内阻的辨识参数。

在本发明的一些实施例中，所述三阶RC等效电路模型的端电压的表达式为：

式中，

在本发明的具体实施例中，电路模型仿真及验证分析包括：电流信号模块、SOC计算模块、RC计算模块、端电压模块。SOC计算模块采用开路电压法+安时积分法，通过得到SOC在90%的准确电压，再用安时积分法进行计算。

第一步：将所有的欧姆内阻和计划内阻的辨识参数通过二分搜索法进行拟合，得到每个SOC时刻所对应的辨识参数，如图7为本发明提供的一种电池SOC估算方法采用二分搜索算法的R

第二步：RC电路电压模块由方程计算得来：

V

最后，通过以下公式对整个电路进行连接。如图8所示：

U为端电压，V

图9为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池SOC在80%时模拟曲线和真实曲线对比图。

图10为本发明提供的一种电池SOC估算方法电池SOC在80%时模拟值和真实值的误差图，图10为模拟曲线和真实曲线之间的误差，由图可知，由于电池的动态响应特性导致在放电阶段有误差达到0.02V，除去这几个瞬间误差，剩余的平均误差为0.000267031V，具有很高的精度。

图11为本发明提供的一种电池SOC估算方法端电压U-SOC图，图11为电池在SOC80%时端电压和SOC的关系，通过仿真可以得到电池整个充放电过程中端电压所对应的SOC值，提高了便捷性。

为了更好实施本发明实施例中的一种电池SOC估算方法，在一种电池SOC估算方法基础之上，对应地，如图12所示，本发明实施例还提供了一种电池SOC估算装置，一种电池SOC估算装置1200包括：

等效电路模型建立模块1201，用于建立目标电池的三阶RC等效电路模型；

第一曲线获取模块1202，用于获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系；

等效电路模型的参数获取模块1203，用于基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数的值；

第二曲线获取模块1204，用于将所述目标电池的SOC按照预设比例进行放电得到所述目标电池的若干电量值，将所述目标电池的若干电量值与对应的所述三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合，得到目标电池电量与三阶RC等效电路模型的参数之间的第二曲线关系；

端电压与SOC关系获取模块1205，用于基于所述第一曲线关系和所述第二曲线关系对所述三阶RC等效电路模型进行模拟，得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系；

SOC估算模块1206，用于基于所述函数关系对电池电量进行估算。

上述实施例提供的一种电池SOC估算装置1200可实现上述自一种电池SOC估算方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述一种电池SOC估算方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。

如图13所示，本发明还相应提供了一种电子设备1300。该电子设备1300包括处理器1301、存储器1302及显示器1303。图13仅示出了电子设备1300的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。

处理器1301在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit，CPU），微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器302中存储的程序代码或处理数据，例如本发明中的一种电池SOC估算方法。

在一些实施例中，处理器1301可以是单个服务器或服务器组。服务器组可为集中式或分布式的。在一些实施例中，处理器1301可为本地的或远程的。在一些实施例中，处理器1301可实施于云平台。在一实施例中，云平台可包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布式云、内部间、多重云等，或以上的任意组合。

存储器1302在一些实施例中可以是电子设备300的内部存储单元，例如电子设备1300的硬盘或内存。存储器1302在另一些实施例中也可以是电子设备1300的外部存储设备，例如电子设备1300上配备的插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。

进一步地，存储器1303还可既包括电子设备1300的内部储存单元也包括外部存储设备。存储器1302用于存储安装电子设备1300的应用软件及各类数据。

显示器1303在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED（Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。显示器1303用于显示在电子设备1300的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备1300的部件1301-1303通过系统总线相互通信。

在一实施例中，当处理器1301执行存储器1302中的一种电池SOC估算程序时，可实现以下步骤：

建立目标电池的三阶RC等效电路模型；

获取目标电池电量与开路电压之间的第一曲线关系；

基于所述第一曲线关系对所述三阶RC等效电路模型的参数进行辨识，得到所述三阶RC等效电路模型的参数的值；

将所述目标电池的电量按照预设比例进行放电得到所述目标电池的若干电量值，将所述目标电池的若干电量值与对应的所述三阶RC等效电路模型的参数的值进行拟合，得到目标电池电量与三阶RC等效电路模型的参数之间的第二曲线关系；

基于所述第一曲线关系和所述第二曲线关系对所述三阶RC等效电路模型进行模拟，得到三阶RC等效电路模型的端电压和目标电池电量之间的函数关系；

基于所述函数关系对电池电量进行估算。

应当理解的是：处理器1301在执行存储器1302中的一种电池SOC估算程序时，除了上面的功能之外，还可实现其他功能，具体可参见前面相应方法实施例的描述。

进一步地，本发明实施例对提及的电子设备1300的类型不作具体限定，电子设备1300可以为手机、平板电脑、个人数字助理(personaldigitalassistant，PDA)、可穿戴设备、膝上型计算机(laptop)等便携式电子设备。便携式电子设备的示例性实施例包括但不限于搭载IOS、android、microsoft或者其他操作系统的便携式电子设备。上述便携式电子设备也可以是其他便携式电子设备，诸如具有触敏表面(例如触控面板)的膝上型计算机(laptop)等。还应当理解的是，在本发明其他一些实施例中，电子设备1300也可以不是便携式电子设备，而是具有触敏表面(例如触控面板)的台式计算机。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。