一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法技术

本发明专利技术提供一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，该气液动力学模型为一个筒状密闭容器，在容器的顶部安装有管道及一个可开闭的阀门，筒状容器内有Vw体积的液体，剩下的溶积V是压强为P的气体。该SOC精确估算方法从气液共存系统角度建立模型有别于传统的RC等效电路模型及电化学模型，包含如下步骤：依据气液共存系统模型列出理想气体状态方程、气体连续运动方程和气液溶解平衡方程等；依据模型方程推导气液共存系统稳态与瞬态递推公式；对某型号电池作间歇充放电静置试验；拟合SOC与开路电压关系表达式并识别气液共存系统模型的参数值，实现在线估算电池SOC值。本发明专利技术递推公式简单，具有自收敛特性，能够准确刻画电池的非线性特性。 1

An accurate SOC estimation method for lithium-ion battery based on gas-liquid dynamic model

The invention provides an accurate estimation method of SOC for lithium ion batteries based on a gas-liquid dynamic model. The gas-liquid model is a cylindrical closed vessel with a pipe and an open and closed valve at the top of the container, a Vw volume liquid in a cylindrical container, and the remaining V is a gas with a pressure of P. The SOC accurate estimation method is different from the traditional RC equivalent circuit model and electrochemistry model from the gas liquid coexistence system angle, including the following steps: the ideal gas state equation, the gas continuous motion equation and the gas-liquid equilibrium formula are listed on the basis of the gas liquid coexistence system model, and the gas and liquid coexistence are derived according to the model equation. The steady-state and transient recurrence formulas of the system are used. The static test of a certain type of battery is made by intermittent charge discharge. The expression of the relationship between the SOC and the open circuit voltage is fitted and the parameters of the system model of the gas and liquid coexistence system are identified, and the SOC value of the battery is estimated online. The recursive formula is simple, self convergent, and can accurately depict the nonlinear characteristics of the battery. One

【技术实现步骤摘要】
一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法
本专利技术涉及电池管理系统领域，具体为一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，尤其涉及电动汽车动力电池在线估算。
技术介绍
随着传统石油燃料能源越来越少，世界各国都在大力发展电动汽车技术。动力电池是电动汽车三电技术之一，也是最为关键的核心部件之一。因为动力电池综合性能的好坏直接关系电动汽车续航里程、最高车速、加速能力、最大爬坡度、充电时长以及安全性等性能指标的优劣。电池管理系统(BMS)主要功能包括对电池物理参数实时监测、充/放电与预充控制、电池状态估算、在线诊断与预警、均衡管理和热管理等诸多方面进行协调控制。精确的电池管理系统能够延长电池使用寿命、降低电池全生命周期使用成本、提高电池安全性等。(SOC)是衡量电池健康状态监测、充放电控制、能量分配以及电量均衡等的重要依据，与电池剩余电量及做功能力密切相关。而电池的工作电流、温度、循环寿命、恶劣使用等具有严重非线性和明显不确定性的特点，因此在线估算SOC技术被认为是电池管理系统研究与设计的核心和难点。目前，常用的动力电池SOC估算模型基本上只有等效电路模型和电化学模型两种。电化学模型主要用于反映电池内部的反应机理，描述与电池设计参数有关的宏观(如电压、电流、电阻等)及微观(离子浓度分布、传输等)信息，尽管刻画准确，但是巨大的复杂度和耗时等缺点，不适用于电池关系系统的实时估计。等效电路模型使用电压源、电容、电阻元件组成电路，模拟电池动态与静态特性，过程比较直观、容易处理，但是描述精度和复杂度之间存在矛盾，即低阶RC电路具有形式简单、计算量小的优点，但是对真是电池动态特性描述不够准确；高阶RC电路模型在SOC估算精度上有一定的提高，但是，导致模型参数太多，参数识别和计算难度都大大增加，而且当RC电路的阶数大于三阶之后，单纯通过提高RC阶数对SOC估算精度改善将变得非常有限。综上所述，仅依赖现有的某一种电池SOC估算模型是远不能够达到实际应用的要求，所以一种能够更加准确地刻画电池SOC与OCV之间非线性关系、解析式简单、运算量小的模型至关重要，而本专利技术提供的模型正好具备这些特点。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前电池SOC估算模型少、适应性差、估算精度低、复杂度高、运算量大等问题，提出一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法。该气液动力学模型的组成主体为一个筒状密闭容器，在容器的顶部安装有管道及一个可开闭的阀门，筒状容器内有Vw体积的液体，剩下的溶积V是压强为P的气体。该SOC精确估算方法从气液共存系统角度建立模型有别于传统的RC等效电路模型及电化学模型，包含如下步骤：依据气液共存系统模型列出理想气体状态方程、气体连续运动方程和气液溶解平衡方程等；依据模型方程推导气液共存系统稳态与瞬态递推公式；对某型号电池作间歇充放电静置试验；拟合SOC与开路电压关系表达式并识别气液共存系统模型的参数值，实现在线(就是汽车行驶过程中)估算电池SOC值。该模型的突出优点是递推公式简单，具有自收敛特性，能够准确刻画电池的非线性特性，离线(就是汽车停止或电池卸下来之后)参数模型能够准确估算电池SOC，误差在2％之内，当SOC处于15％～100％的时候能够实现最大相对误差不超过1％的精度，该模型的最突出优点为模型是一个解析模型，计算量小，SOC估算与时间t解耦。本专利技术的技术方案是：一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，其特征在于，包括以下步骤：对锂离子电池做恒流间歇性充电一静置实验，根据测得的数据拟合出开路电压OCV与SOC的关系式；对锂离子电池做变电流间歇性充/放电—静置实验，记录开路电压及对应的SOC数据，用于识别气液动力学模型的参数值；建立气液动力学模型：所述气液动力学模型的物理原型为设有气液共存系统的一个筒状密闭容器，在容器的顶部安装有管道及一个可开闭的阀门，所述容器内装有Vw体积的液体，剩下的容积V是压强为P，物质的量为n，密度为ρ的气体，管道及阀门结合综合阻力系数为μ，管道的外部管口气体压强为P0，气液共存系统处于平衡状态时溶解于液体中的气体物质的量为nj，系统从非稳态到稳态过程中气体改变的压强为Ps；推导充/放电SOC估计模型：依据气液动力学模型列出理想气体状态方程、气体连续运动方程和气体间隙填充溶解度方程式；依据气液模型稳态方程推导放电状态下的气液模型瞬态方程验证放电状态下的气液稳态与瞬态关系方程有解，验证放电状态下的气液稳态与瞬态方程有唯一正整数解；依据气液模型稳态方程推导充电状态下的气液模型瞬态方程，验证充电状态下的气液稳态与瞬态关系方程有解，验证充电状态下的气液稳态与瞬态方程有唯一正整数解；根据变电流间歇放电—静置实验数据，对充/放电气液共存系统稳态与瞬态递推公式进行参数识别；用充/放电模型估计电池SOC值；对锂离子电池做变电流脉冲充/放电—静置实验，记录开路电压及对应的SOC数据，用于验证气液动力学模型预测开路电压的准确性；验证充/放电SOC估计模型：根据变电流脉冲充/放电—静置实验数据，验证气液动力学模型预测开路电压的准确性；采用验证后的充/放电SOC估计模型对锂离子电池SOC精确估算。上述方案中，依据气液模型稳态方程推导放电状态下的气液模型瞬态方程的具体包括以下步骤：设时间为t1时刻气液动力学模型处于稳态，此时气体压强为P1、气体物质的量为n1、溶解于液体中的气体物质的量为nj1，打开所述容器的阀门，时间长度为Δt，系统中的气体向外放出，流速为I，管道流动的综合阻力系数为μ，外部管口压强为P0，在t2＝t1+Δt时刻关闭阀门，此时气体压强为P2、气体物质的量为n2，经过一段时间后气液动力学模型再次达到稳态，此时容器内气体压强为P*，气体物质的量为nj2，Ps为容器内气体由非稳态到稳态过程中改变的压强，放电瞬态气体流动连续方程：其中ρ为气体密度。进一步的，在t1时刻，理想气体状态方程为：P1V＝n1RT,其中，T：热力学温度，P1：气体压强，n1：气体物质的量，V：气体体积，R：热力学常数；气体间隙填充溶解度方程：其中，有效间隙度，bm：气体分子的范德华体积，Vw：液体体积；气体流动连续方程：其中，ρ为气体密度，I为气体流速，μ为气体流动的综合阻力系数；在t2时刻，理想气体状态方程为：P2V＝n2RT；t2之后系统再次达到稳态时，理想气体状态方程为：P*V＝n*RT；气体间隙填充溶解度方程：其中，气体物质的量为：稳态过程中气体的改变压强，即放电状态下的气液模型瞬态方程：令由此推导出第一次稳态P1，瞬态P2，第二次稳态P*之间的隐函数关系；因为该模型中的物理量参数没有非正数，故k2+P*>0、k2+P1>0，上式整理为：上式形如二次方程：上式化简为：由于P1>P2，故Δ＝b2-4ac>0，因此二次方程必有实数根；设因为F(0)·F(+∞)<0，故放电稳态与瞬态递推公式必有唯一正实数解，为：上述方案中，依据气液模型稳态方程推导充电状态下的气液模型瞬态方程，具体包括以下步骤：设时间为t1时刻气液动力学模型处于稳态，此时气体压强为P1、气体物质的量为n1、溶解于液体中的气体物质的量为nj1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，其特征在于，包括以下步

【技术特征摘要】
1.一种基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，其特征在于，包括以下步骤：对锂离子电池做恒流间歇性充电一静置实验，根据测得的数据拟合出开路电压OCV与SOC的关系式；对锂离子电池做变电流间歇性充/放电—静置实验，记录开路电压及对应的SOC数据，用于识别气液动力学模型的参数值；建立气液动力学模型：所述气液动力学模型的物理原型为设有气液共存系统的一个密闭容器，在容器的顶部安装有管道(3)及阀门(4)，所述容器内装有Vw体积的液体(1)，剩下的容积V是压强为P，物质的量为n，密度为ρ的气体(2)，管道(3)及阀门(4)综合综合阻力系数为μ，管道(3)的外部管口(5)气体压强为P0，气液共存系统处于平衡状态时溶解于液体中的气体物质的量为nj，系统从非稳态到稳态过程中气体改变的压强为Ps；推导充/放电SOC估计模型：依据气液模型稳态方程推导放电状态下的气液模型瞬态方程，验证放电状态下的气液稳态与瞬态关系方程有解，验证放电状态下的气液稳态与瞬态方程有唯一正整数解；依据气液模型稳态方程推导充电状态下的气液模型瞬态方程，验证充电状态下的气液稳态与瞬态关系方程有解，验证充电状态下的气液稳态与瞬态方程有唯一正整数解；根据变电流间歇放电—静置实验数据，对充/放电气液共存系统稳态与瞬态递推公式进行参数识别；用充/放电模型估计电池SOC值；对锂离子电池做变电流脉冲充/放电—静置实验，记录开路电压及对应的SOC数据；验证充/放电SOC估计模型：根据变电流脉冲充/放电—静置实验数据，验证气液动力学模型预测开路电压的准确性；采用验证后的充/放电SOC估计模型对锂离子电池SOC精确估算。2.根据权利要求1所述基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，其特征在于，依据气液模型稳态方程推导放电状态下的气液模型瞬态方程的具体包括以下步骤：设时间为t1时刻气液动力学模型处于稳态，此时气体压强为P1、气体物质的量为n1、溶解于液体中的气体物质的量为nj1，打开所述容器的阀门(4)，时间长度为Δt，系统中的气体向外放出，流速为I，综合阻力系数为μ，外部管口(5)压强为P0，在t2＝t1+Δt时刻关闭阀门(4)，此时气体压强为P2、气体物质的量为n2，经过一段时间后气液动力学模型再次达到稳态，此时容器内气体压强为P*，气体物质的量为nj2，Ps为容器内气体由非稳态到稳态过程中改变的压强，放电瞬态气体流动连续方程：其中ρ为气体密度。3.根据权利要求2所述基于气液动力学模型的锂离子电池SOC精确估算方法，其特征在于，在t1时刻，理想气体状态方程为：P1V＝n1RT，其中，T：热力学温度，P1：气体压强，n1：气体物质的量，V：气体体积，R：热力学常数；气体间隙填充溶解度方程：其中，有效间隙度，bm：气体分子的范德华体积，Vw：液体体积；气体流动连续方程：其中，ρ为气体密度，I为气体流速，μ为综合阻力系数；在t...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈彪，江浩斌，栗欢欢，王亚平，赵钱，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32