一种实时估算电池峰值功率的方法、电池管理系统、电池和软件产品与流程

1.本发明属于电池管理系统技术领域，尤其涉及一种利用离线计算的峰值电流实时估算电池峰值功率的方法、电池管理系统、电池系统和计算机软件产品。


背景技术：

2.电池管理系统中，经常会用到电池的等效电路模型进行参数离线辨识，利用辨识出来的参数对电池工作状态进行估计。电池参数离线辨识所用模型示意图如图1，所用公式如(1)至(6)。
3.u(t)＝ocv(t)+vp(t)+vr(t)
ꢀꢀ
(1)
4.vr(t)＝i(t)
×
r0(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
5.vp(t)＝vp1(t)+vp2(t)+vp3(t)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0006][0007][0008][0009]
其中，t表示某一时刻，t―1表示某一时刻的前一时刻，t为大于等于1的整数。u(t)为电池的端电压，ocv(t)为电池开路电压，vp(t)为电池的极化电压，分为一阶极化电压vp1(t)、二阶极化电压vp2(t)、三阶极化电压vp3(t)。vr(t)为电池的欧姆电压，i(t)为电池的电流，r0(t)为电池欧姆内阻。电池模型的时间常数τ，分为一阶时间常数τ1、二阶时间常数τ2、三阶时间常数τ3。电池的极化内阻rp(t)，分为一阶极化内阻rp1(t)、二阶极化内阻rp2(t)、三阶极化内阻rp3(t)。dt为电池数据采样时间间隔，可以自定义，如0.1秒。公式(1)至(6)中的变量都和时间t相关。
[0010]
由于电池在实际运行工况条件下，实时在线估算电池的峰值功率比较困难，致使电池峰值功率状态估计出现比较大的偏差，为了解决电池峰值功率估算不准的问题，提出了基于离线辨识参数，在线估算电池峰值功率的方法。


技术实现要素：

[0011]
本发明的目的在于为解决上述现有技术中存在的难题，提供一种基于离线辨识参数，实时在线估算电池峰值功率的方法。该方法通过三阶rc等效电路模型离线辨识电池参数，利用离线辨识的电池参数，完成电池在稳定的开路状态下转充放电状态时极值电流im的估算，利用电池的极值电流im，完成对电池峰值功率的实时估计。
[0012]
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
[0013]
一种利用离线计算的峰值电流实时估算电池峰值功率的方法，该方法包括以下的步骤：
[0014]
s1，利用离线辨识的电池参数，利用三阶rc等效电路模型公式计算电池在稳定的开路状态下转充放电状态时，基于t时刻至t+δt时刻时，电池计算电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im；
[0015]
s2，利用极值电流im计算电池在实际运行工况下，电池从t时刻至t+δt时刻，计算电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im_dyn；
[0016]
s3，利用电池在实际运行工况下的极值电流im_dyn计算值和电池目标电压u1(t+δt)，实时计算电池峰值功率sop，电池峰值功率sop计算公式如下：
[0017]
sop＝im_dyn
×
u1(t+δt)。
[0018]
作为优选，所述三阶rc等效电路模型公式包括：
[0019]
公式(1)：u(t)＝ocv(t)+vp(t)+vr(t)
[0020]
公式(2)：vr(t)＝i(t)
×
r0(t)
[0021]
公式(3)：vp(t)＝vp1(t)+vp2(t)+vp3(t)
[0022]
公式(4)：
[0023]
公式(5)：
[0024]
公式(6)：
[0025]
其中，t表示某一时刻，t―1表示某一时刻的前一时刻，t为大于等于1的整数；
[0026]
u(t)为电池的端电压，ocv(t)为电池开路电压，vp(t)为电池的极化电压，分为一阶极化电压vp1(t)、二阶极化电压vp2(t)、三阶极化电压vp3(t)；
[0027]
vr(t)为电池的欧姆电压，i(t)为电池的电流，r0(t)为电池欧姆内阻；
[0028]
电池模型的时间常数τ，分为一阶时间常数τ1、二阶时间常数τ2、三阶时间常数τ3；
[0029]
电池的极化内阻rp(t)，分为一阶极化内阻rp1(t)、二阶极化内阻rp2(t)、三阶极化内阻rp3(t)；dt前后两个时刻的时间间隔。
[0030]
作为优选，所述步骤s1包括以下的步骤：
[0031]
s11，离线辨识电池参数；不同温度、不同电流、不同soc下辨识出的参数为欧姆内阻r0(t)、极化内阻rp1(t)、极化内阻rp2(t)、极化内阻rp3(t)、时间常数(τ1、τ2、τ3)，辨识出来的参数为三维表。不同温度、不同soc下辨识出的参数为开路电压ocv(t)，辨识出来的参数为二维表；
[0032]
s12，设置极值电流的最小值和最大值；最小值记为im_lb，最大值记为im_ub，最小值统一设置成零，最大值可以根据电池允许最大充放电电流调整；
[0033]
s13，设置极值电流的初始值；极值电流的初始值记为im_0，im_0初始值介于im_lb和im_ub之间，初始值取im_lb和im_ub的平均值；
[0034]
s14，将im_0赋值给极值电流im，利用极值电流im，电池当前温度t、电池当前soc三个变量，在步骤s11离线辨识出来的参数中查参数表计算电池的欧姆内阻和极化内阻；时间常数τ的计算方法和电池内阻计算方法相同。
[0035]
s15，利用电池当前温度t、电池当前soc在步骤s11离线辨识参数ocv(t)中查参数表计算电池开路电压ocv(t)；
[0036]
s16，利用s14查表计算的电池内阻r0(t)和rp(t)、时间常数τ(t)，利用当前时刻计
算的极值电流im代替i(t)，代入公式(2)、(3)、(4)、(5)和(6)，计算欧姆电压vr(t)和极化电压vp(t)；
[0037]
s17，利用s15和s16计算结果，代入公式(1)计算电压值u(t)，将计算电压u(t)记为u1(t)，计算当u1(t)从t时刻到t+δt时刻，u1(t)达到电池目标电压u1(t+δt)时相对应的极值电流im。
[0038]
注：计算u1(t)值时，u1(t)值经过多次计算，当计算出来的u1(t)值满足在t+δt时刻等于目标电压u1(t+δt)时，u1(t)计算结束。
[0039]
步骤s2包括以下的步骤：
[0040]
s21，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点的极化电压vp(t)b计算；由当前的采集电流代替im、采集电池温度t、电池soc，按照s14、s16的步骤和方法完成vp(t)b计算；
[0041]
s22，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t+δt时刻相对应的x2点的开路电压ocv(t+δt)计算；ocv(t+δt)是基于ocv(t)经过δt时间的开路电压，t时刻的采集温度和soc分别记为t
t
、soc
t
，t+δt时刻的温度和soc分别记为t
t+δt
、soc
t+δt
；从t时刻至t+δt时刻，soc
t
至soc
t+δt
通过安时积分计算，t
t+δt
约等于t
t
；ocv(t+δt)按照s15方法，将t
t+δt
和soc
t+δt
带入计算；
[0042]
s23，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点的极值电流im计算；通过s1计算出来的im是关于温度t和soc的查表函数，将im记为f(t,soc)，利用b2点的温度t和soc作为输入变量，按照s14步骤方法计算b2点的极值电流im；
[0043]
s24，确定目标电压u1(t+δt)；参照步骤s1中的描述方法确定；
[0044]
s25，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点至t+δt时刻相对应的x2点的实时极值电流im_dyn计算；s1中离线辨识的极值电流im和实际工况下电池极值电流im_dyn之间的关系如下：
[0045]
u1(t+δt)＝ocv(t+δt)―vp(t+δt)―r0(t+δt)
×
im_dyn
[0046][0047][0048][0049][0050]
vp(t)b值按照s21步骤计算、ocv(t+δt)值按照s22步骤计算、目标电压u1(t+δt)值按照s1步骤计算。
[0051]
进一步，本发明还公开了一种电池管理系统，该电池管理系统包括内置或外置的离线辨识基础数据保存模块和计算模块；所述的离线辨识基础数据保存模块和计算模块采用所述方法实时估算电池峰值功率。
[0052]
进一步，本发明还公开了一种电池系统，包括所述的一种电池管理系统。
[0053]
进一步，本发明还公开了一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，该计算机
程序或指令被处理器执行时实现所述方法。本发明所述的计算机程序产品是使计算机运行时能够实现某种功能或效果的计算机程序、存储有所述计算机程序的计算机可读存储介质、包含所述计算机可读存储介质或计算机程序的计算机程序产品或制造物、以及用于传输计算机程序指令代码的电子(数字)信号等。其中计算机可读存储介质包括例如光盘、磁盘、光纤、rom、prom、vcd、dvd等其它存储设备。
[0054]
本发明由于采用了上述的技术方案，通过三阶rc等效电路模型离线辨识电池参数，利用离线辨识的电池参数，完成电池在稳定的开路状态下转充放电状态时极值电流im的估算，利用电池的极值电流im，完成对电池峰值功率的实时估计。
附图说明
[0055]
图1三阶rc等效电路模型图。
[0056]
图2放电过程的电池电压拟合效果图。
[0057]
图3放电电压曲线计算示意图。
[0058]
图4从t时刻至t+δt时刻之前，计算电压曲线u1(t)流程图。
[0059]
图5放电电压曲线计算示意图。
[0060]
图6从t时刻至t+δt时刻，计算电压曲线u1(t)流程图。
[0061]
图7实时计算放电电压曲线到目标电压u1(t+δt)的示意图。
[0062]
图8利用峰值电流im实时估算电池峰值功率的流程图。
[0063]
图9本发明的应用结构框图。
具体实施方式
[0064]
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
[0065]
如图8所示的一种利用离线计算的峰值电流实时估算电池峰值功率的方法，该方法包括以下的步骤：
[0066]
s1，利用离线辨识的电池参数，利用三阶rc等效电路模型公式计算电池在稳定的开路状态下转充放电状态时，基于t时刻至t+δt时刻时，计算电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im；
[0067]
s2，利用极值电流im计算电池在实际运行工况下，电池从t时刻至t+δt时刻，计算电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im_dyn；
[0068]
s3，利用电池在实际运行工况下的极值电流im_dyn计算值和电池目标电压u1(t+δt)，实时计算电池峰值功率sop；电池峰值功率sop计算公式如下：
[0069]
sop＝im_dyn
×
u1(t+δt)。
[0070]
注1：离线辨识基础数据保存模块中，包含电池参数离线辨识的对象和参数表。
[0071]
1)、电池参数离线辨识的对象，为不同温度、不同电流、不同soc下电池在稳定的开路状态下转充放电状态时的电池采集电流曲线和采集电压曲线，采样时间间隔至少为0.5秒(优选0.1秒)，保留小数点后三位。
[0072]
2)、参数表，为离线辨识后输出的参数，辨识出来的参数表值保留小数点后三位；具体参数表分为三维表和二维表。
[0073]
三维表：不同温度、不同电流、不同soc下的欧姆内阻r0、极化内阻rp1、极化内阻rp2、极化内阻rp3、时间常数(τ1、τ2、τ3)分别的对应关系表；
[0074]
二维表：不同温度、不同soc下的开路电压ocv的对应关系表。
[0075]
如果发现有新的电池参数离线辨识的对象，可以重新获取对象并进行离线辨识，形成新的参数表。辨识出来的参数表值，和时间无关，不随着时间变化而变化。
[0076]
注2：目标电压u1(t+δt)：与电池温度、电流、类型相关，可以根据需求设定，例如放电为2.0伏，2.7伏，充电为3.6伏、4.2伏等。
[0077]
其中：
[0078]
s1，利用离线辨识的电池参数。参数包括欧姆内阻r0(t)、极化内阻rp(t)、时间常数τ，代入公式(1)至(6)，计算电池在稳定的开路状态下转充放电状态时，基于t时刻至t+δt时刻时，电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im。
[0079]
s11，离线辨识电池参数。辨识参数包括欧姆内阻r0(t)，极化内阻rp1(t)、极化内阻rp2(t)，极化内阻rp3(t)，时间常数τ1、τ2、τ3、开路电压ocv(t)。欧姆内阻r0(t)和极化内阻rp(t)与soc、温度、电流相关，ocv(t)与soc、温度相关。
[0080]
离线辨识参数指电池在稳定的开路状态下转充放电状态时，利用从转充放电状态的第一时刻的前一时刻t至t+δt时刻区间段的采集电压和采集电流数据，计算出来的参数的方法。由于开路电压ocv(t)可直接通过测量得到，计算过程不再描述，欧姆内阻和极化内阻、时间常数的离线辨识方法如下。
[0081]
电池的量测电压曲线记为u0(t)，电池的拟合电压曲线记为uf(t)。电池参数辨识采用最小二乘法原理，利用公式(1)至(6)，拟合出电池端电压uf(t)曲线，以电池放电为例，具体拟合过程如图2(a)、表1表2所示。图2(b)为电池充电电压拟合过程效果图，电压拟合原理、过程和方法和放电一样，不再赘述。
[0082]
表1采集电压u0(t)和拟合电压uf(t)数据示意表
[0083][0084][0085]
如图2(a)和表1所示，uf(t)经过多次拟合，拟合出来的曲线uf(t)不断逼近量测电压曲线u0(t)，直到第n次拟合，拟合出来的曲线uf(t)和量测电压曲线u0(t)之间关联的目标函数f最小时，完成拟合并将第n次拟合曲线uf(t)相对应的电池辨识参数作为最终辨识参数。电池参数辨识过程可以用表2表示。
[0086]
表2电池参数辨识过程示意表
[0087][0088]
利用参数拟合uf(t)时，需要给定电池待辨识参数的初始值和拟合值的范围。例如，r0(t)，rp(t)初始值如表2初始参数，拟合值的范围在0至100毫欧之间。时间常数初始值如表2初始参数，拟合值的范围在0至100秒之间。在无法提前预知参数真实值的前提下，参数初始值为可以设为假设值，每次拟合电压uf(t)过程中，拟合参数不断向真实值逼近。第一次拟合开始之前，将初始参数带入公式(1)至(6)，经过函数计算得出f值的第一次计算结果，对应表1中的第一次拟合电压和表2中的第一次参数拟合结果，第二次拟合开始之前，将第一次参数拟合结果带入公式(1)至(6)，经过函数计算得出f值的第二次计算结果，对应表1中的第二次拟合电压和表2中的第二次参数拟合结果，依次类推，每次计算uf(t)时，参数都要在参数拟合值的范围内调整一次，直到第n次拟合，计算出来的目标函数f值是第一次至最后一次计算值f的最小值。目标函数f计算公式如(7)(8)。
[0089][0090][0091]
l为表1中电压采样点数组[a,b,c,
…
,x]的长度。u0(t)包含l个电压采样点,uf(t)包含l个电压拟合点。i属于采样点数组[a,b,c,
…
,x]元素的索引，u0(t)i和uf(t)i分别表示u0(t)和uf(t)中的某一个元素。f即为对目标函数f(x)求极小值，也就是最小二乘法求取目标函数f最小值。
[0092]
s12，设置极值电流的最小值和最大值。最小值记为im_lb，最大值记为im_ub，最小值统一设置成零，最大值可以根据电池允许最大充放电电流调整。例如电池额定容量为50ah，电池允许最大充放电电流为10c，c为电池倍率符号，im_ub在计算时设计为500a，如果电池允许最大充放电电流为5c，im_ub在计算时设计为250a。
[0093]
s13，设置极值电流的初始值。极值电流的初始值记为im_0，im_0初始值介于im_lb和im_ub之间，初始值取im_lb和im_ub的平均值。
[0094]
s14，将im_0赋值给极值电流im，利用极值电流im，电池当前温度t、电池当前soc三个变量，在s11离线辨识参数中查表计算电池的欧姆内阻和极化内阻。时间常数τ的计算方法和电池内阻计算方法相同，不再赘述。
[0095]
为了方便说明查表计算电池内阻的方法与过程，不取内阻辨识值，随机取内阻假设值，内阻假设值保留一位小数，内阻假设值数据如下表所示。
[0096]
表3 10摄氏度(t1)放电内阻测量表(单位：毫欧)
[0097][0098]
表4 40摄氏度(t2)放电内阻测量表(单位：毫欧)
[0099][0100]
查表计算电池内阻具体步骤如下，分三步进行，这里内阻包含极化内阻和欧姆内阻。
[0101]
第一步，在相同温度t1或者t2，相同电流i1或者i2或者i3下，soc插值。
[0102][0103]
当soc取不同值时，r1(ii)值不同，r1(ii)是根据表3和表4，在电流i1、i2、i3下，当soc不同时计算出来的内阻。对应电流为ii，soc对应为socj下的内阻，为表3和表4中的数据。其中，i∈[1,3]，soc∈[socj,soc
j+1
]，j∈[1,2]，r1在电流i1、i2、i3下的插值计算结果分别记为r1(i1)、r1(i2)、r1(i3)。当大于时，公式(3)中取加号，反之取减号。
[0104]
第二步，在相同温度t1或者t2，在相同soc下，电流imax插值。
[0105]
r2＝r1(ii)
±
|r1(i
i+1
)―r1(ii)|*(im―ii)/(i
i+1
―ii)
ꢀꢀ
(10)
[0106]
r2为基于第一步计算出来的r1(ii)，进行电流插值的计算结果。其中，im∈[ii,i
i+1
]，i∈[1,2]。r2在温度t1下的插值计算结果记为r2(t1),在温度t2下的插值计算结果记为r2(t2)。当r1(i
i+1
)大于r1(ii)时，公式(4)中取加号，反之取减号。
[0107]
第三步，相同电流，在相同温度soc下，温度t插值。
[0108]
r3＝r2(t1)
±
|r2(t1)―r2(t2)|*(t2―t)/(t2―t1)
ꢀꢀ
(11)
[0109]
r3为电池最终查表计算电池内阻的结果。其中，t∈[t1,t2]。当r2(t1)大于r2(t2)时，公式(3)中取减号，反之取加号。r3可以是极化内阻，也可以是欧姆内阻。
[0110]
表3和表4为内阻线性插值的示例基准表，实际的内阻辨识值根据实际soc、温度、电流调整。在计算r3时，每一个时刻，对应一个soc、电流imax和温度t，对应一个r3的值。
[0111]
对查表计算电池内阻的三个具体步骤举例。假设1，当前极值电流im为0.5c，当前温度t为10摄氏度、电池当前soc为50％，查表内阻为0.7毫欧；假设2，当前极值电流im为0.5c，当前温度t为10摄氏度、电池当前soc为25％，查表内阻为0.8毫欧；假设3，当前极值电流im为0.75c，当前温度t为10摄氏度、电池当前soc为50％，查表内阻为0.65毫欧；假设4，当前极值电流im为0.5c，当前温度t为25摄氏度、电池当前soc为50％，查表内阻为0.65毫欧；假设5，当前极值电流im为1.5c，当前温度t为10摄氏度、电池当前soc为50％，查表内阻为
0.6毫欧。
[0112]
当电池的实际温度t、soc、电流超出基表的测试值范围时，基表如表3和表4，内阻在计算时按照查基表边界值的方法处理，即im大于i3时，按照i3查表，im小于i1时，按照i1查表。soc和温度处理方法相同。这样处理的原因在于离线辨识参数是在我们设计的测试条件下辨识出来的参数，电池在实际运行过程中，实际soc、电流、温度可能会超出离线辨识参数对应的soc、电流、温度测试范围。利用电池的实际温度t、soc、电流查表计算电池内阻时，采用线性差值的方法，如公式(9)至(11)。
[0113]
s15，利用电池当前温度t、电池当前soc在步骤s11离线辨识参数ocv(t)中查二维表计算电池开路电压ocv(t)。利用电池的实际温度t、soc查电池ocv基表计算电池ocv(t)时，采用线性差值的方法。在计算ocv(t)时，参考s14中的插值方法，将电流ii换成温度t即可，参照公式(9)和(10)完成ocv(t)查表计算。
[0114]
s16，利用s14查表计算的电池内阻，代入公式(2)(3)(4)(5)(6)，计算欧姆电压vr(t)和极化电压vp(t)。
[0115]
计算极化电压和欧姆电压时，将s14步骤im作为i(t)，s14中查表插值计算的r3、s11辨识的时间常数，s15中查表插值计算的ocv(t)，带入公式(2)至(6)中分别计算，dt取0.1秒。为了方便说明极化电压和欧姆电压计算方法与过程，不取内阻和时间常数辨识值，随机取内阻和时间常数假设值，内阻和时间常数假设值保留二位小数，一阶极化电压和欧姆电压计算如下表所示，计算结果保留两位小数。二阶极化电压和三阶极化电压的计算和一阶极化电压计算类似，不再赘述。
[0116]
表5利用公式(2)(4)计算的欧姆电压和一阶极化电压
[0117][0118]
如表5所示，每一次计算时，输入常量是在利用公式计算极化电压和欧姆电压时的不变量，输入变量是在利用公式计算极化电压和欧姆电压时的变量。每一次计算，都要插值计算一次r3，即极化内阻rp1(t)和欧姆内阻r0(t)通过步骤s14插值计算一次。初始极化电压为vp1(t―1)，初次计算的vp1(t―1)为零，第二次计算的vp1(t―1)为第一次计算的最终电压，第三次计算的vp1(t―1)为第二次计算的最终电压，以此类推，利用公式(4)迭代计算
极化电压。
[0119]
s17，利用s15和s16计算结果，代入公式(1)计算电压值u(t)，将计算电压u(t)记为u1(t)，计算当u1(t)从t时刻到t+δt时刻，u1(t)达到电池目标电压u1(t+δt)时相对应的极值电流im。
[0120]
注：计算u1(t)值时，u1(t)值经过多次计算，当计算出来的u1(t)值满足在t+δt时刻等于目标电压u1(t+δt)时，u1(t)计算结束。
[0121]
t时刻对应s16表5中第一次计算极化电压的时刻的前一时刻，t时刻即为电流产生的前一时刻，例如，电流第一时刻为零，第二时刻(对应表5第一次计算)不为零，第一时刻即为t时刻，记录t时刻时，t时刻之前需保证电池的极化电压为零，以下相同。极值电流im分多次计算，当极值电流im计算的电压u1(t)从t时刻至t+δt时刻能达到目标电压u1(t+δt)时，退出极值电流的计算。
[0122]
第一种情况，在t+δt时刻之前，通过本次计算的极值电流im计算出来的电压u1(t)达到目标电压u1(t+δt)。遇到这种情况时，停止计算u1(t)，并将欧姆电压vr(t)、极化电压vp(t)、开路电压ocv(t)清零。调整极值电流im大小值，将极值电流im值赋给im_ub，再将im_ub和im_lb除以二作为新的极值电流im，然后利用新的极值电流im再次计算电池的电压u1(t)。以电池放电为例，举例如图3所示。
[0123]
图3中，横坐标和纵坐标的值可以根据不同类型电池调整。图3中定义a0点对应第一时刻，记为t(1)，定义b0点对应第二时刻，即为t时刻，记为t(t)，定义c0点对应第三时刻，c0点通常为电流不为零的时刻，记为t(t+1)，以此类推，最后一个点x0对应t+δt时刻，记为t(t+δt)时刻，这个时刻的电压为电池的目标电压，记为u1(t+δt)。从b0点开始至x0点，总时长为δt，δt可以为2秒、10秒等。图3中，从b0点到x0点之间，每两个采集点的时间间隔dt都相等，可以根据需要自由设计，例如0.1秒。图3中各个点的对应的变量如下表所示。
[0124]
表6相关变量表
[0125][0126]
从点a0开始至点x0，电池soc从soc(1)至soc(t+δt)，按照安时积分的方法计算，电池温度t由温度传感器采集，电池极值电流im由s13、s14给初始值，b0点设置为初始点，极化电压为零，对应t时刻，c0点对应为极化电压刚开始产生的时刻，也是电流值开始为不为零的时刻。
[0127]
假设d0点计算的u1(t+2)为到达目标电压u1(t+δt)的点。在c0、d0点，利用soc、
im、t值计算多次的值有电池内阻r3、开路电压ocv(t)、极化电压vp(t)、欧姆电压vr(t)、电池端电压u1(t)。计算时间间隔为dt，各个变量计算方法参照s11至s16进行。电池端电压u1(t)在d0点的计算值为u1(t+2)，在d0点即有u1(t+2)＝u1(t+δt)，假设δt为2秒，dt为0.1秒。从b0点开始，假设在0.5秒时，电池端电压u1(t)提前达到目标电压u1(t+δt)，如图3中d0点计算电压曲线u1(t)达到目标电压u1(t+δt)。在0.5秒短时间内，在计算极化电压时，极化内阻受soc、t、im影响忽略不计，由公式(4)(5)(6)可知，im值偏大，导致极化电压计算值偏大，电压u1(t+2)提前达目标电压u1(t+δt)，从c0点到d0点的计算过程im保持不变，即有im(t+1)＝im(t+2)＝im。假设e0点计算的u1(t+3)为到达目标电压u1(t+δt)的点，计算过程和d0点类似，不再赘述。
[0128]
当我们计算的im值偏大时，需要将欧姆电压vr(t)、极化电压vp(t)、ocv(t)重置为零，在c0点重新开始计算。重新计算开始之前，将本次计算的im加上设计的最小边界值im_lb，除以二完成im的调整计算。im初始值假设为25安培，im_lb为零。调整过程如下表所示。
[0129]
表7极值电流im调整过程示意表
[0130][0131]
表7中每一次极值电流im的调整计算，都要按照表6中相关变量从a点开始往后依次计算。每一次将极值电流im调小以后，查表计算的欧姆内阻值受电池soc和t影响较小，受极值电流im影响较大，计算出来的欧姆电压慢慢减小，如图3中b0c0两点之间的电压差值从第一条曲线至第三条曲线，逐渐减小。同理，极化内阻查表计算方法和欧姆内阻查表计算方法相同，但极化电压计算是迭代计算，如表5所示，虽然查表计算的极化内阻会有所变化，但影响极化电压计算值大小的因素主要是极值电流im值的大小，由公式(4)(5)(6)可知，极化电压每次计算值的变化增量变小，如图3第一、二、三条曲线所示，im调整以后的计算效果为每次计算电压曲线u1(t)靠近图3第三条电压曲线，相应计算时间长度靠近δt，如c0d0、c0e0、c0x0各两点间的计算时间间隔为第一次、第二次、最后一次计算u1(t)达到目标电压u1(t+δt)的时间长度。时间长度内的soc和温度t变化区间记为[soc1,soc2]和[t1,t2]，分别表示时间长度内soc和温度t的最小值和最大值，如表7所示。从b0点开始，计算c0、d0、e0等其他点的端电压的计算流程如图4所示。
[0132]
第二种情况，在t+δt时刻，极值电流im计算出来的电压u1(t)没有达到目标电压
u1(t+δt)。如下图5所示，三条计算的电压曲线u1(t)，第一条第二条计算电压曲线在t+δt时刻没有到达目标电压u1(t+δt)，第三条计算电压曲线在t+δt时刻到达目标电压u1(t+δt)。
[0133]
在没有到达t+δt时刻之前，按照第一种情况的方法，依次计算c1、d1、e1、f1以及其他各个点的电池端电压u1(t)，到达t+δt时刻时，对应位置为x1点。
[0134]
当我们计算的im值偏小时，需要将欧姆电压vr(t)、极化电压vp(t)、ocv(t)重置为零，在c1点重新开始计算。重新计算开始之前，将本次计算的im加上设计的最大边界值im_ub，除以二完成im的调整计算。im初始值假设为5安培，im_ub假设为10安培，调整过程如下表所示。
[0135]
表8极值电流im调整过程示意表
[0136][0137][0138]
表8中每一次极值电流im的调整计算，都要按照表4中相关变量从a1点开始往后依次计算。每一次将极值电流im调大以后，查表计算的欧姆内阻值受电池soc和t影响较小，受极值电流im影响较大，计算出来的欧姆电压慢慢增大，如图5中b1c1两点之间的电压差值从第一条曲线至第三条曲线，逐渐增大。同理，极化内阻查表计算方法和欧姆内阻查表计算方法相同，但极化电压计算是迭代计算，如表5所示，虽然查表计算的极化内阻会有所变化，但影响极化电压计算值大小的因素主要是极值电流im值的大小，由公式(4)(5)(6)可知，极化电压每次计算值的变化增量变大，如图5第一、二、三条曲线所示，im调整以后的计算效果为每次计算电压曲线u1(t)靠近图5第三条电压曲线，每次计算相应计算时间都为δt，如c1x1两点间的计算时间间隔为第一、二、三次计算u1(t)达到目标电压u1(t+δt)的时间长度。时间长度δt内的soc和温度t变化区间记为[soc1,soc2]和[t1,t2]，分别表示时间长度δt内soc和温度t的最小值和最大值，如表8所示。
[0139]
从t时刻至t+δt时刻，通过im多次调整，计算出来的电池端电压u1(t)值不断的靠近第三条曲线的计算值。在x1点，判断上一次计算的电压曲线所用的极值电流im和本次计算的电压曲线所用的极值电流im的差值是否小于设定的阈值di，如果小于设定阈值di，则说明本次计算的极值电流im为最终计算结果。如果大于设定阈值，则说明本次计算的极值
电流im偏小，将本次计算的极值电流im赋值给im_lb，将im_ub和im_lb求和再除以二，作为下一次计算的极值电流im，重新计算电池的u1(t)，直至上一次计算的电压曲线所用的极值电流im和本次计算电压曲线的极值电流im差值小于设定的阈值di时，极值电流im计算结束。上述过程可以用下表数据表示。
[0140]
表9每次计算的电压曲线分析(放电为例)
[0141][0142][0143]
对表9设置di＝1.5a,第一次计算50.00(a)为初始电流im，im_lb＝0(a)，im_ub＝100(a)。每次计算的极值电流im按照之前的方法给出。极值电流的差值，第二次与第一次计算为25.00(a)，依此类推，第三次与第二次计算极值电流的差值为12.50(a)，第四次与第三次计算为6.25(a)，第五次与第四次计算为3.13(a)，第六次与第五次计算为1.56(a)，第七次与第六次计算为0.78(a)。在第七次计算时，当前计算的极值电流与上一次计算值的差值0.78小于阈值di。极值电流im值为99.22(a)时，电池从t时刻至t+δt时刻，计算电压u1(t)在t+δt时刻达到目标电压u1(t+δt)。
[0144]
图5中从b1点到x1点的过程，每次计算的电压曲线，可以用图6所示流程表示。
[0145]
s2，利用极值电流im计算电池在实际运行工况下，电池从t时刻至t+δt时刻，计算电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im_dyn；
[0146]
图7为放电过程中利用实时极值电流im_dyn计算目标电压u1(t+δt)的示意图。
[0147]
图7中，b2点为电池端电压u1(t)，即包含了电池的实时极化电压，b2点的电压由电压传感器测试得到。c2至x2点的电压计算需要利用s1中计算的极值电流im、x2点的目标电压u1(t+δt)、x2点的开路电压ocv(t+δt)、b2点的极化电压vp(t)b联合计算，完成实时极值电流im_dyn的计算。具体s2可以分成以下几个步骤进行。
[0148]
s21，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点的极化电压vp(t)b计算；由当前的采集电流代替im、采集电池温度t、电池soc，按照s14、s16的步骤和方法完成vp(t)b计算；
[0149]
s22，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t+δt时刻相对应的x2点的开路电压ocv(t+δt)计算；ocv(t+δt)是基于ocv(t)经过δt时间的开路电压，t时刻的采集温度和soc分别记为t
t
、soc
t
，t+δt时刻的温度和soc分别记为t
t+δt
、soc
t+δt
；从t时刻至t+δt时刻，soc
t
至soc
t+δt
通过安时积分计算，t
t+δt
约等于t
t
；ocv(t+δt)按照s15方法，将t
t+δt
和soc
t+δt
带入计算；
[0150]
s23，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点的极值电流im计算；通过s1计算出来的im是关于温度t和soc的查表函数，将im记为f(t,soc)，利用b2点的温度t和soc作为输入变量，按照s14步骤方法计算b2点的极值电流im；
[0151]
s24，确定目标电压u1(t+δt)；参照步骤s1中的描述方法确定；
[0152]
s25，电池实际运行工况下，当前时刻为t时刻，t时刻相对应的b2点至t+δt时刻相对应的x2点的实时极值电流im_dyn计算；
[0153]
图7中，时间从t时刻变化到t+δt时刻的过程中，即从b2点变化到x2点过程中，对x2点有以下计算公式。
[0154]
u1(t+δt)＝ocv(t+δt)―vp(t+δt)―r0(t+δt)
×
im_dyn
ꢀꢀꢀ
(12)
[0155][0156]
公式中，u1(t+δt)、vp(t+δt)、r0(t+δt)、rp(t+δt)为电池在x2点的计算电压、计算极化电压、计算欧姆内阻、计算极化内阻。将公式(13)代入(12)中，可得im_dyn计算公式(14)。
[0157][0158]
当电池系统处于长时间静置状态时，电池的极化电压消失，如图7中b2点之前经过长时间静止，b2点极化电压vp(t)b等于零，此时电池的极值电流im_dyn即为s1中离线辨识的极值电流im，根据公式(14)知，极值电流im计算公式如下。
[0159][0160]
联立公式(14)和公式(15)，可以得到s1中离线辨识的极值电流im和实际工况下电池极值电流im_dyn之间的关系如下。
[0161][0162]
公式(16)中vp(t)b按照步骤s21计算，ocv(t+δt)按照步骤s22计算，u1(t+δt)按照步骤s24计算。
[0163]
s1、s2步骤中图3至图7为电池在稳定的开路状态下转放电状态时的示意图，表1至表9为电池在稳定的开路状态下转放电状态时的示意表。电池在稳定的开路状态下转充电状态时计算im和im_dyn的原理、过程和方法和电池在稳定的开路状态下转放电状态时一样，不再赘述。
[0164]
s3，利用电池在实际运行工况下的极值电流im_dyn计算值和电池目标电压u1(t+δt)，实时计算电池峰值功率。
[0165]
电池峰值功率计算公式如下，时间从t时刻变化到t+δt时刻的过程中，计算值为
s2计算的电池极值电流im_dyn和目标电压u1(t+δt)设计值的乘积，sop代表电池的实时峰值功率。
[0166]
sop＝im_dyn
×
u1(t+δt)
ꢀꢀ
(17)
[0167]
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种利用离线计算的峰值电流实时估算电池峰值功率的方法，其特征在于，该方法包括以下的步骤：s1，利用离线辨识的电池参数，利用三阶rc等效电路模型公式计算电池在稳定的开路状态下转充放电状态时，基于t时刻至t+δt时刻时，电池计算电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im；s2，利用极值电流im计算电池在实际运行工况下，电池从t时刻至t+δt时刻，计算电池电压达到目标电压u1(t+δt)时的极值电流im_dyn；s3，利用电池在实际运行工况下的极值电流im_dyn计算值和电池目标电压u1(t+δt)，实时计算电池峰值功率sop，电池峰值功率sop计算公式如下：sop＝im_dyn
×
u1(t+δt)。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，三阶rc等效电路模型公式包括：公式(1)：u(t)＝ocv(t)+vp(t)+vr(t)公式(2)：vr(t)＝i(t)
×
r0(t)公式(3)：vp(t)＝vp1(t)+vp2(t)+vp3(t)公式(4)：公式(5)：公式(6)：其中，t表示某一时刻，t―1表示某一时刻的前一时刻，t为大于等于1的整数；u(t)为电池的端电压，ocv(t)为电池开路电压，vp(t)为电池的极化电压，分为一阶极化电压vp1(t)、二阶极化电压vp2(t)、三阶极化电压vp3(t)；vr(t)为电池的欧姆电压，i(t)为电池的电流，r0(t)为电池欧姆内阻；电池模型的时间常数τ，分为一阶时间常数τ1、二阶时间常数τ2、三阶时间常数τ3；电池的极化内阻rp(t)，分为一阶极化内阻rp1(t)、二阶极化内阻rp2(t)、三阶极化内阻rp3(t)；dt前后两个时刻的时间间隔。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤s1包括以下的步骤：s11，离线辨识电池参数；不同温度、不同电流、不同soc下辨识出的参数为欧姆内阻r0(t)、极化内阻rp1(t)、极化内阻rp2(t)、极化内阻rp3(t)、时间常数(τ1、τ2、τ3)，辨识出来的参数为三维表；不同温度、不同soc下辨识出的参数为开路电压ocv(t)，辨识出来的参数为二维表；s12，设置极值电流的最小值和最大值；最小值记为im_lb，最大值记为im_ub，最小值统一设置成零，最大值可以根据电池允许最大充放电电流调整；s13，设置极值电流的初始值；极值电流的初始值记为im_0，im_0初始值介于im_lb和im_ub之间，初始值取im_lb和im_ub的平均值；s14，将im_0赋值给极值电流im，利用极值电流im，电池当前温度t、电池当前soc三个变量，在步骤s11离线辨识出来的参数中查参数表计算电池的欧姆内阻和极化内阻；时间常数τ的计算方法和电池内阻计算方法相同。s15，利用电池当前温度t、电池当前soc在步骤s11离线辨识参数ocv(t)中查参数表计
算电池开路电压ocv(t)；s16，利用s14查表计算的电池内阻，代入公式(2)、(3)、(4)、(5)和(6)，计算欧姆电压vr(t)和极化电压vp(t)；s17，利用s15和s16计算结果，代入公式(1)计算电压值u(t)，将计算电压u(t)记为u1(t)，计算当u1(t)从t时刻到t+δt时刻，u1(t)达到电池目标电压u1(t+δt)时相对应的极值电流im。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s11中电池的量测电压曲线记为u0(t)，电池的拟合电压曲线记为u(t)；电池参数辨识采用最小二乘法原理，利用公式(1)至(6)，拟合出电池端电压u(t)曲线；u(t)经过多次拟合，拟合出来的曲线u(t)不断逼近量测电压曲线u0(t)，直到第n次拟合，拟合出来的曲线u(t)和量测电压曲线u0(t)之间关联的目标函数f最小时，完成拟合并将第n次拟合曲线u(t)相对应的电池辨识参数作为最终辨识参数。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s14中内阻假设值数据如下表3、表4所示，单位：毫欧，内阻包含极化内阻和欧姆内阻；表3：10摄氏度(t1)放电内阻测量表：表4：40摄氏度(t2)放电内阻测量表：查表计算电池极化内阻和欧姆内阻具体步骤如下，分三步进行：第一步，在相同温度t1或者t2，相同电流i1或者i2或者i3下，soc插值；当soc取不同值时，r1(i
i
)值不同，r1(i
i
)根据表3和表4，计算的值对应在i1、i2、i3下，当soc不同时计算出来的内阻；对应电流为i
i
，soc对应为s0c
j
下的内阻，为表3和表4中的数据；其中，i∈[1,3]，soc∈[soc
j
,soc
j+1
]，j∈[1,2]，r1在电流i1、i2、i3下的插值计算结果分别记为r1(i1)、r1(i2)、r1(i3)；当大于时，公式(3)中取加号，反之取减号；第二步，在相同温度t1或者t2，在相同soc下，电流imax插值；r2＝r1(i
i
)
±
|r1(i
i+1
)―r1(i
i
)|*(im―i
i
)/(i
i+1
―i
i
)r2为基于第一步计算出来的r1(i
i
)，进行电流插值的计算结果。其中，im∈[i
i
,i
i+1
]，i
∈[1,2]；r2在温度t1下的插值计算结果记为r2(t1),在温度t2下的插值计算结果记为r2(t2)；当r1(i
i+1
)大于r1(i
i
)时，公式(4)中取加号，反之取减号；第三步，相同电流，在相同温度soc下，温度t插值；r3＝r2(t1)
±
|r2(t1)―r2(t2)|*(t2―t)/(t2―t1)r3为电池最终查表计算电池内阻的结果；其中，t∈[t1,t2]；当r2(t1)大于r2(t2)时，公式(3)中取减号，反之取加号；r3可以是极化内阻，也可以是欧姆内阻。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤s15中利用电池的实际温度t、soc查电池ocv基表计算电池ocv时，采用线性差值的方法；在计算ocv时，参考s14中的插值方法，将电流i
i
换成温度t即可，参照公式(3)和(4)完成ocv查表计算。7.根据权利要求3-6任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，步骤s2采用放电电压曲线计算，其中定义a点对应第一时刻，记为t(1)，定义b点对应第二时刻，即为t时刻，记为t(t)，定义c点对应第三时刻，c点通常为电流不为零的时刻，记为t(t+1)，以此类推，最后一个点x对应t+δt时刻，记为t(t+δt)时刻，这个时刻的电压为电池的截至电压，记为u1(t+δt)；步骤s2包括以下的步骤：s21，电池实际运行工况下电流数值变化时刻b2点的极化电压vp(t)
b
计算；由当前的采集电流代替im、采集电池温度t、电池soc，按照s14、s16的步骤和方法完成vp(t)
b
计算；s22，电池实际运行工况下目标电压时刻(x2点)的开路电压ocv(t+δt)计算；ocv(t+δt)是基于ocv(t)经过δt时间的开路电压，t时刻的采集温度和soc分别记为t
t
、soc
t
，t+δt时刻的温度和soc分别记为t
t+δt
、soc
t+δt
；从t时刻至t+δt时刻，soc
t
至soc
t+δt
通过安时积分计算，t
t+δt
约等于t
t
；ocv(t+δt)按照s15方法，将t
t+δt
和soc
t+δt
带入计算；s23，电池实际运行工况下电流数值变化时刻b2点的极值电流im计算；通过s1计算出来的im是关于温度t和soc的查表函数，将im记为f(t,soc)，利用该点的温度t和soc作为输入变量，按照s14步骤方法计算该点的极值电流im；s24，确定目标电压u1(t+δt)；参照步骤s1中的描述；s25，电池实际运行工况下电流数值变化时刻b2点至目标电压时刻x2点的实时极值电流im_dyn计算；s1中离线辨识的极值电流im和实际工况下电池极值电流im_dyn之间的关系如下：u1(t+δt)＝ocv(t+δt)―vp(t+δt)―r0(t+δt)
×
im_dynim_dynim_dynim_dynvp(t)
b
值按照s21步骤计算、ocv(t+δt)值按照s22步骤计算、目标电压u1(t+δt)值按照s1步骤计算。
8.一种电池管理系统，其特征在于，该电池管理系统包括内置或外置的离线辨识基础数据保存模块和计算模块；所述的离线辨识基础数据保存模块和计算模块采用权利要求1-7所述方法实时估算电池峰值功率。9.一种电池系统，该电池系统包括权利要求8所述的一种电池管理系统。10.一种计算机程序产品，该产品包括计算机程序或指令，其特征在于，该计算机程序或指令被处理器执行时实现权利要求1-7所述方法。

技术总结
本发明属于电池管理系统技术领域，尤其涉及一种利用离线计算的峰值电流实时估算电池峰值功率的方法、电池管理系统、电池系统和计算机软件产品。该方法通过三阶等效电路模型离线辨识电池参数，利用离线辨识的电池参数，完成电池在开路状态下极值电流的估算，利用电池在开路状态下估算的极值电流，完成对电池峰值功率的实时估计。成对电池峰值功率的实时估计。成对电池峰值功率的实时估计。


技术研发人员：杨天山 郑益 王浩
受保护的技术使用者：杭州高特电子设备股份有限公司
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/14