一种动力锂离子电池组SOC估算方法技术

本发明专利技术涉及一种动力锂离子电池组SOC估算方法，属于新能源测控领域。该方法针对锂离子电池动力工作特性，通过构建针对性等效电路模型(Special‑Equivalent Circuit Model，S‑ECM)准确表征电池工作过程；通过在理想电压源两端增加并联电阻，实现自放电效应的准确描述；引入串有反向二极管的电阻并联电路以解决充放电内阻差异的表达问题；增加并联电容以改善表面效应的描述。该方法通过提出精简粒子无迹卡尔曼滤波(Reduced Particle‑Unscented Kalman Filter，RP‑UKF)算法，融入S‑ECM状态空间方程以提高计算效率；前端融入精简粒子滤波变换，通过优化非线性处理过程解决了估算偏移问题，进一步提高估算精度；后端在端电压反馈修正基础上，引入单体间平衡状态(State of Balance，SOB)影响，实现了整组SOC值在线估算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种动力锂离子电池组SOC估算方法，该方法在现有电池等效模型基础上进行改进并提出S-ECM(Special-EquivalentCircuitModel)模型，通过增加并联内阻以表征自放电效应，通过串有反向二极管的并联电阻以表征充放电内阻差异，通过并联电容以表征表面效应，实现动力锂离子电池工作过程的准确描述。该方法通过改进卡尔曼估算过程提出RP-UKF(ReducedParticle-UnscentedKalmanFilter)估算模型，融入改进后电池等效模型状态空间方程以提高计算效率，通过精简粒子滤波优化线性化处理过程以消除估算偏移，通过平衡状态SOB(StateofBalance)反馈修正提高成组SOC估算精度。该方法是一种基于现代控制理论的动力锂离子电池组SOC值在线估算方法，属于新能源测控领域。
技术介绍
锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、容量大和自放电率小等优点，越来越多地应用于动力能量供应领域。然而，锂离子电池动力成组应用的安全问题备受关注，其中不合理的能量管理将直接影响其容量使用效率和寿命，甚至引发严重事故。在整个锂离子电池组生命周期中，配套BMS设备中的核心参数SOC控制将影响动力供能效果，因此，实时估算SOC值并评估整个锂离子电池组的工作性能是非常必要的。状态参数SOC值是以锂离子电池组为基础的大功率储供能系统的重要因素，无论在各种能量供应动力应用中，该参数的在线估算都是其配套BMS能量管理中不可或缺的一部分。锂离子是目前领先的电池技术，由于其复杂的反应，需要可靠的配套BMS设备，其中SOC的估算至关重要。由于可靠的SOC估算的必要性和紧迫性需求，围绕锂离子电池组应用中的SOC估算问题，近年来相关科研工作者做了大量研究工作，有效提高了其使用过程中的安全性和能量利用效率。由于SOC是电池的内部状态参数，无法通过直接测量得到，只有通过测量电压、电流和温度等参数进行间接估算。目前，国内外相关研究工作者在电池SOC估算方面取得了一定研究进展，提出了安时积分(Amperehour，Ah)法、开路电压(OpenCircuitVoltage，OCV)法、卡尔曼滤波(KalmanFilter，KF)及其扩展算法、粒子滤波(ParticleFilter，PF)和神经网络(NeuralNetwork，NN)等估算方法。由于受充放电电流、温度、内阻、自放电、老化等诸多因素影响，尚无准确度高的方法实现SOC在线估算，动力锂离子电池组仍然缺少有效的系统化方法用于SOC估算。构建具有在线SOC估算模型，运用基于电池等效模拟的多元参数估算理论成为锂离子电池组SOC准确估算的重要途径，在提高精度和降低计算量间寻求最佳平衡点，不断优化和改进。通过在国家知识产权局库中查询与本项目相关的专利技术专利，已有专利只针对锂离子电池单体SOC估算做出申请，关于锂离子电池动力成组SOC估算未见报道。通过查阅国家相关标准，针对锂离子电池组SOC估算问题，未有明确系统化估算方法和全面有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有方法的不足，提供一种动力锂离子电池组SOC估算方法，解决锂离子电池动力成组应用的SOC准确估算问题。本专利技术主要通过工作特性实验获得电池开路电压、温度和工作电流等关键因素变化规律，使用现代控制理论思想，利用电池特性的电子元器件等效模拟，改进现有电池等效模型，通过增加电阻和电容增强特征描述的方式提出S-ECM模型，实现动力锂离子电池特性的准确模型表达；构建RP-UKF估算模型，改善卡尔曼估计流程，结合S-ECM状态空间描述，利用精简粒子处理优化线性化处理机制，结合工作电压反馈和平衡状态SOB计算，解决单体间不平衡对估算的影响，实现动力锂离子电池组SOC在线准确估算。本专利技术是基于等效电路模型和卡尔曼滤波算法相结合方式，实现的动力锂离子电池组SOC在线估算方法，具有较强的环境适用性。针对动力锂离子电池工作特征，本专利技术进行针对性等效电路模型S-ECM构建，实现电池工作过程的准确表达。本专利技术电池等效模型S-ECM中电动势来源于理想电压源UOC，两端增加并联大电阻RS以表征自放电效应，通过串联内阻RΩ表征欧姆效应，利用一阶RC并联电路表征极化效应，增加并联电容Ce以描述表面效应，改进增加串有反向二极管的电阻Rd和Rc并联电路以表征充放电内阻差异，进一步提高了工作状态描述的准确性；本专利技术构建精简粒子无迹卡尔曼滤波器RP-UKF，进行动力锂离子电池组SOC估算递归运算，实现单体间平衡状态SOB影响下成组SOC值综合求取。针对动力工况特点，本专利技术RP-UKF估算模型在卡尔曼估计算法基础上，通过前端融入精简粒子变换过程，改进了线性化处理机制，解决了泰勒级数展开高阶项丢失引发的估算偏移问题；针对成组工作单体间不一致性问题，本专利技术RP-UKF估算模型后端融入单体间平衡状态SOB影响，综合求取锂离子电池动力成组工作综合SOC值，进一步提高估算精度。本专利技术可对动力锂离子电池组SOC值进行在线准确估算，具有计算简洁、工况适应性好和精度高的优点。附图说明图1是本专利技术的结合S-ECM模型和RP-UKF算法的SOC估算结构图；图2是本专利技术的动力锂离子电池组的SOC估算模型实施例示意图；图3本专利技术的动力锂离子电池OCV-SOC关系曲线图；图4是本专利技术的不同倍率放电电压特性曲线图；图5是本专利技术的不同温度放电容量变化特性图。具体实施方式以下将对本专利技术的结合S-ECM模型和RP-UKF算法的动力锂离子电池组SOC估算方法结合附图作进一步的详细描述。本专利技术针对锂离子电池动力成组应用时SOC估算问题，运用S-ECM模拟电池工作过程并构建状态空间方程，通过RP-UKF实现动力锂离子电池组SOC估算，利用平衡状态SOB反馈修正估算过程，构造SOC估算模型系统方案。为了更好的体现本专利技术，在本实施例中仅以航空锂离子电池组为例进行说明，但本领域技术人员应该熟知，根据本专利技术的技术思想可以实现多种动力锂离子电池组的SOC估算。以下对动力锂离子电池组SOC估算方法的实现步骤进行详细说明。参见图1，本专利技术的动力锂离子电池组SOC估算方法中所用的S-ECM模型具有：电压源等效UOC，表征电池开路电压；兆欧级大电阻RS，表征电池自放电效应；毫欧级小电阻RΩ，表征电池欧姆内阻；RP为电池极化电阻，CP为电池极化电容，RP和CP的并联电路反应电池极化过程的产生和消除；UL为电池与外电路接通后的端电压；参数Rd是放电时的放电内阻，表征在放电时锂离子电池单体所表现出的内阻差异，参数Rc是充电时的充电内阻，表征在放电时锂离子电池单体所表现出的内阻差异；Ce是电池的表面效应电容。针对S-ECM电路结构分析，应用电路学分析方法，设Ce上的压降为VCe，UOC是开路电压，当电池开路时有UOC＝VCe＝UL，根据模型和基尔霍夫定律，电池在放电时的状态方程如下式所示。在锂离子电池处于充电状态时，各电路元器件端电压间的表征关系如下式所示，其他方程结构不变。UL＝UOC(SOC)-i(t)RΩ-Up-i(t)Rd(2)通过使用所获得的充放电过程状态空间模型，可以确立估算过程的基础方程构架，结合图1中模块化SOC估算计算处理过程，用于后续的SOC估算研究。参见图2，本专利技术的动力本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动力锂离子电池组SOC估算方法，其特征在于，提出针对性电池等效模型S‑ECM(Special‑Equivalent Circuit Model)，使用电路等效，增加并联电阻以表征自放电效应，引入串有反向二极管的电阻并联回路以表征充放电内阻差异，增添并联电容以表征表面效应，全面准确地表征动力锂离子电池的工作过程；提出精简粒子无迹卡尔曼滤波RP‑UKF(Reduced Particle‑Unscented Kalman Filter)估计算法，以实现成组SOC状态估算模型的递归运算；针对动力锂离子电池组工况分析，融入改进后电池等效模型状态空间方程以提高计算效率，通过精简粒子滤波优化线性化处理过程以消除估算偏移，通过平衡状态SOB(State of Balance)反馈修正提高成组SOC估算精度并实现整组SOC值在线估算。

【技术特征摘要】
1.一种动力锂离子电池组SOC估算方法，其特征在于，提出针对性电池等效模型S-ECM(Special-EquivalentCircuitModel)，使用电路等效，增加并联电阻以表征自放电效应，引入串有反向二极管的电阻并联回路以表征充放电内阻差异，增添并联电容以表征表面效应，全面准确地表征动力锂离子电池的工作过程；提出精简粒子无迹卡尔曼滤波RP-UKF(ReducedParticle-UnscentedKalmanFilter)估计算法，以实现成组SOC状态估算模型的递归运算；针对动力锂离子电池组工况分析，融入改进后电池等效模型状态空间方程以提高计算效率，通过精简粒子滤波优化线性化处理过程以消除估算偏移，通过平衡状态SOB(StateofBalance)反馈修正提高成组SOC估算精度并实现整组SOC值在线估算。2.根据权利要求1所述的一种动力锂离子电池组SOC估算方法，其特征在于，电池等效模型S-ECM在表征开路电压的理想电压源UOC基础上，两端并联有大电阻RS，用于表征动力锂离子电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚丽平，王顺利，李占锋，邓琥，李小霞，屈薇薇，熊亮，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51