一种锂离子电池荷电状态估计方法技术

一种锂离子电池荷电状态估计方法，属于电动汽车电池技术领域。本发明专利技术的目的是采用基于参数时变观测器的估计方法解决当锂离子电池在不同倍率充放电的复杂工况下的锂离子电池荷电状态估计方法。本发明专利技术具体步骤是：将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型，根据充放电开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流绝对值大小相关的一阶动态过程，采用RC环构建参数随电流变化的电池极化电压模型和内阻模型，构建电池模型端电压，获得非线性参数时变的电池模型。本发明专利技术基于参数时变的锂离子电池等效电路模型，将模型参数标定为电流倍率的函数，能较为准确地表现电池特性，同时易于现有估计方法的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池荷电状态估计方法
本专利技术属于电动汽车电池

技术介绍
电池荷电状态(StateofCharge，SOC)用来表征电池的剩余电量，即剩余电量与额定容量的百分比，理论上其值在0%～100%的范围内。电池荷电状态不能直接从电池本身获得，只能通过测量电池组的外特性参数(如电压、电流、内阻、温度等)间接估计得到。电动汽车锂离子电池在使用过程中，由于内部复杂的电化学反应现象，导致电池特性体现出高度的非线性(充放电时变参数、迟滞现象等)，使准确估计电池荷电状态具有很大难度。传统的电池荷电状态估计方法，如放电实验法、内阻法、开路电压法等，虽然估计结果较为精确，但是不可用于在线估计；而常用的安时法，即电流计量法，虽然实施简单，但其受电流采集精度的影响，会产生累积误差，并且电池荷电状态初始值选择不当，也会导致估计结果不准确。而近几年研究的估计算法，如卡尔曼滤波，虽然可以在线估计电池荷电状态，也解决了初始值带来的误差影响，同时降低噪声对估计结果的影响，但其不考虑充放电时变参数、迟滞现象等非线性特征，长时间运行将产生电池荷电状态估计误差；为了处理上述非线性问题，人们采用神经网络的方法，但该方法由于需要大量样本数据，因此计算量较大，不利于实时估计电池荷电状态。
技术实现思路
本专利技术的目的是采用基于参数时变观测器的估计方法解决当锂离子电池在不同倍率充放电的复杂工况下的锂离子电池荷电状态估计方法。本专利技术具体步骤是：标定电池充电静置开路电压、放电静置开路电压与电池荷电状态的关系，将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型得到:其中,、、、、和分别表示电池荷电状态、电池工作电流、电池额定容量、充电静置开路电压、放电静置开路电压和标定的静置开路电压；根据充放电开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流绝对值大小相关的一阶动态过程：（2）其中,、和分别表示迟滞电压上界、迟滞衰减系数和迟滞电压；符号表示充电或放电；针对不同倍率电流充放电静置曲线做指数曲线拟合，采用RC环构建参数随电流变化的电池极化电压模型和内阻模型：（3）其中，表示极化时间常数，和分别表示电池的极化电阻和极化电容，表示电池内阻；对上述电压求和，构建电池模型端电压方程：（4）其中，表示基于模型的端电压估计值；获得非线性参数时变的电池模型：。本专利技术在确定上述锂离子电池模型的基础上，设计如下观测器：（5）其中，用于估计电池荷电状态，表示传感器测量电压信号，为观测器增益，其大小需根据实际情况--------噪声、模型不确定性、跟踪速率与精度进行标定。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术所述的锂离子电池荷电状态估计方法适用于电动汽车锂离子电池的电流剧烈变化的实际工作状态，因为其考虑了传统的电池荷电状态估计方法所忽略的(迟滞、极化和内阻)非线性问题，使得估计的结果更符合锂离子电池的实际使用情况，能够缩小估计误差，提高对电池荷电状态估计的合理性和准确性。2.本专利技术所述的锂离子电池荷电状态估计方法仅利用一阶观测器对锂离子电池系统进行求解计算，与其他基于模型方法相比，仅需要设计观测器增益一个参数，因此极大地降低设计工作量，并且易于工程应用。3.本专利技术所述的锂离子电池荷电状态估计方法基于参数时变的锂离子电池等效电路模型，将模型参数标定为电流倍率的函数，能较为准确地表现电池特性，同时易于现有估计方法的应用。附图说明图1是本专利技术所述的电池荷电状态估计方法的流程框图；图2是本专利技术所述的电池荷电状态估计方法中所采用的电池等效电路的模型图；图3是对1650mAh锂离子电池单体进行的400mA恒流充、放电静置标定试验的曲线图；图4是对1650mAh锂离子电池单体进行试验所得开路电压和电池荷电状态（SOC）等的关系图；图5是对1650mAh锂离子电池单体的试验所得数据的处理与拟合过程图；图6是对1650mAh锂离子电池单体进行充电试验所得电池极化时间常数和充电电流的关系图；图7是对1650mAh锂离子电池单体进行充电试验所得电池极化电容和充电电流的关系图；图8是对1650mAh锂离子电池单体进行充电试验所得电池内阻和充电电流的关系图；图9是对1650mAh锂离子电池单体进行放电试验所得电池极化时间常数和放电电流的关系图；图10是对1650mAh锂离子电池单体进行放电试验所得电池极化电容和放电电流的关系图；图11是对1650mAh锂离子电池单体进行放电试验所得电池内阻和放电电流的关系图；图12是对1650mAh锂离子电池单体进行的模型验证时的电流曲线图；图13是对1650mAh锂离子电池单体进行的模型验证时的测量电压曲线和模型估计的电压曲线比较图；图14是采用本专利技术所述的估计方法和安时法对1650mAh锂离子电池单体进行荷电状态（SOC）估计的仿真结果比较图；图15是对1650mAh锂离子电池单体进行的模型验证时的电流曲线图；图16是是对1650mAh锂离子电池单体进行的模型验证时的测量电压曲线和模型估计的电压曲线比较图；图17是是对1650mAh锂离子电池单体进行的模型验证时的测量和模型电压误差曲线比较图。具体实施方式本专利技术具体步骤是：标定电池充电静置开路电压、放电静置开路电压与电池荷电状态的关系，将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型得到:其中,、、、、和分别表示电池荷电状态(SOC)、电池工作电流、电池额定容量、充电静置开路电压、放电静置开路电压和标定的静置开路电压(OCV)；根据充放电开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流绝对值大小相关的一阶动态过程：（2）其中,、和分别表示迟滞电压上界、迟滞衰减系数和迟滞电压；符号表示充电或放电；针对不同倍率电流充放电静置曲线做指数曲线拟合，采用RC环构建参数随电流变化的电池极化电压模型和内阻模型：（3）其中，表示极化时间常数，和分别表示电池的极化电阻和极化电容，表示电池内阻；对上述电压求和，构建电池模型端电压方程：（4）其中，表示基于模型的端电压估计值；获得非线性参数时变的电池模型：。本专利技术在确定上述锂离子电池模型的基础上，设计如下观测器：（5）其中，用于估计电池荷电状态，表示传感器测量电压信号，为观测器增益，其大小需根据实际情况(噪声、模型不确定性、跟踪速率与精度等)进行标定。下面结合附图对本专利技术作详细的描述：本专利技术的目的在于提供一种基于优化的锂离子电池模型的电池荷电状态估计方法，此方法考虑锂离子电池建模中存在的参数时变和迟滞非线性问题，提出采用基于参数时变观测器的估计方法解决实际复杂工况下的电池荷电状态估计问题，其流程框图如图1所示。本专利技术可以应用在电池管理系统中，实时计算电池组在工作过程中电池荷电状态(SOC)的变化。本专利技术所述的锂离子电池荷电状态估计方法的步骤如下：1.参阅图2，本专利技术选用的非线性电池模型如图中所示，电阻表示电池内阻，电阻和电容分别表示锂离子电池极化电阻和电池极化电容，表示迟滞电压，表示标定静置开路电压。具体建模步骤如下：1）标定锂离子电池充电静置开路电压、放电静置开路电压与电池荷电状态的关系，将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型得到如公式(1)所述的动态方程。2)根据充放电开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流的关系，建立如公式(2)所述的动态方程。3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于：其具体步骤是：标定电池充电静置开路电压、放电静置开路电压与电池荷电状态的关系，将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型得到:（1）其中,、、、、和分别表示电池荷电状态、电池工作电流、电池额定容量、充电静置开路电压、放电静置开路电压和标定的静置开路电压；根据充放电开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流绝对值大小相关的一阶动态过程：（2）其中,、和分别表示迟滞电压上界、迟滞衰减系数和迟滞电压；符号表示充电或放电；针对不同倍率电流充放电静置曲线做指数曲线拟合，采用RC环构建参数随电流变化的电池极化电压模型和内阻模型：（3）其中，表示极化时间常数，和分别表示电池的极化电阻和极化电容，表示电池内阻；对上述电压求和，构建电池模型端电压方程：（4）其中，表示基于模型的端电压估计值；获得非线性参数时变的电池模型：。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于：其具体步骤是：标定电池充电静置开路电压、放电静置开路电压与电池荷电状态的关系，将电池荷电状态作为状态变量引入锂离子电池连续模型得到:（1）其中,、、、、和分别表示电池荷电状态、电池工作电流、电池额定容量、充电静置开路电压、放电静置开路电压和标定的静置开路电压；根据充电静置开路电压和放电静置开路电压确定迟滞电压上界，考虑电池迟滞现象为与电流绝对值大小相关的一阶动态过程：（2）其中,、和分别表示迟滞电压上界、迟滞衰减系数和迟滞电压；符号表示充电或放电；针对不同倍率电流充放电静置曲线做指数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇雷，张吉星，马彦，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22