一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法。该计算方法基于离线测试数据驱动，离线数据提取的特征点作为在线辨识的知识库，实现了在线的电池SOC和容量联合估算；利用充、放电结束后存储的电压变化数据计算等效OCV值再根据所获得的离线数据SOC＝s(OCV,T)，获得电池的SOC。利用恒流充电时电池电压数据进行特征辨识获取特征点处SOC。本算法计算量小，估算精度高，适用于大数量串联电池的中对每个单体电池进行状态估算。

A battery state estimation method based on off-line data driving

The invention discloses a battery state estimation method based on off-line data driving. The calculation method is based on off-line test data drive, the feature point of off-line data extraction is used as the knowledge base of on-line identification, and the on-line SOC and capacity joint estimation is realized. The equivalent OCV value is calculated by using the voltage change data stored after the charge and discharge end, and then the battery is obtained according to the off-line data SOC = s (OCV, T) obtained. SOC. The battery voltage data are identified by constant current charging, and SOC at the feature points is obtained. The algorithm is of small computation and high accuracy, and is suitable for the estimation of the state of each single cell in a large number of series batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法
本专利技术设计一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法，适用于但不限于磷酸铁锂电池，状态估算具体涉及电池容量估算和电池荷电状态(SOC)估算，本专利技术通过离线测试蓄电池，计算和提取特征数据，结合在线特征辨识的方法进行状态估算。
技术介绍
国内电动车动力锂离子蓄电池的应用领域中，磷酸铁锂的占有率约50％，在实际使用中，电池管理系统对磷酸铁锂电池的容量和SOC估算误差较大，造成了电动车续航预估错误、驾乘感受差，SOC的估算误差将导致电池管理误操作从而影响电池寿命。磷酸铁锂电池具有宽电压平台，在SOC在20％～85％区间的电压平台十分平缓，SOC变化1％时端电压变化甚至小于1mV，因此基于端电压进行SOC估算十分困难。磷酸铁锂电池容量随着循环使用次数增加逐渐衰减，但在使用中无法进行容量的标准测量，因此需要在使用过程中通过，对电池容量进行在线辨识，目前业内在线的容量估算算法精度低。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法，该算法适用于但不限于磷酸铁锂电池，本算法通过对电池进了了特定的工况测试，提取不同温度、不同老化程度、不同批次生产电池的共有特性，使用特征数据在线进行容量和SOC的辨识，在简化计算量的同时保证了状态估算的精度，此外，本算法计算量小，特别适用于多串联电池组内进行每个单体电池的状态联合估算，针对本专利技术所述联合状态估算算法制定了专用的离线数据测试方法，该测试方法简化和规范了测试流程，阐明了数据获取的方法，是联合状态估算的基础；本专利技术所述的电池测试提取的共有特性是经过了大量样本测试后得出的结论，测试方法及结果的正确性已得到验证；同一批次的锂离子蓄电池的离线数据只能应用在该批次电池，不可用于不同批次、不同厂家的锂离子蓄电池或者其他材料体系的锂离子蓄电池，本方法可适用于磷酸铁锂电池和具有和磷酸铁电池类似的宽平台的蓄电池；具体而言，所述的电池状态估算方法需要获取样本电池的离线数据，样本电池的离线数据获取测试方法为：(a)循环充放电测试，在恒温箱环境下以某恒定温度T，以Ia电流进行恒流恒压充电，截止电压为Ua，记录充电容量，静置2h，以Ib电流进行恒流放电，截止电压为Ub，记录放电容量，静置2h，循环充放电至相邻两次放电容量相差小于0.5％，则记录最后一次充电容量Sa和放电容量Sb，计算库仑系数k＝Sb/Sa，记录最后一次充电电压U与充电电量s之间的对应曲线数据U＝f(s)，将Sa作为电池容量，将充电时电压U的电量s的关系f转换为电压U与SOC的关系g，得到U＝g(SOC)，经过计算得到h＝g’，即电压U关于SOC的斜率，ΔU＝h(SOC)；(b)以1/50C倍率恒流充电至截止电压Ua，静置5h后，以1/50C倍率恒流放电至截止电压Ub，分别记录电压与电量的对应数据，分别作出充、放电的电压U与SOC对应曲线U＝vc(SOC)、U＝vd(SOC)，对充放电曲线取均值，获得OCV曲线，OCV＝v(SOC)；(c)改变恒温箱温度，重复步骤a和b，分别记录容量、库仑系数、恒流充电电压U与电量s曲线U＝g(SOC)和OCV曲线OCV＝v(SOC)；上述测试过程中，充放电的截止电压Ua和Ub由电池厂商根据实际使用值确定，充放电电流Ia和Ib由电池的实际使用工况确定，其中，充电电流Ia应与实际的恒流充电电流相等；进一步，根据电池的实际使用温度区间设定测试温度，例如某电动汽车电池的充放电区间为T1～Tn，在此区间均匀选取n个温度点进行测试，n的选取决定了离线数据的精度，测试所得数据如下：为保证数据的通用性，离线数据为多个样本数据均值，提取的特征数据如下：(a)数据拟合得到容量S关于温度T的关系S＝p(T),库仑系数k关于温度T的关系k＝q(T)，其中S＝p(T)曲线上最大容量值S0和对应温度T0，获取容量随温度的变化比例r＝p(T)/S0＝w(T)；(b)恒流充电电压斜率与SOC对应的特征点：不同温度下，SOC为A1点处ΔU的第一转折点D1，SOC为A2处第二转折点D2，ΔU小于U0的区间对应的进点和出点D3和D4，其中D3和D4随着U0的大小而变化，D3和D4对应的SOC为A3和A4；(c)在SOC为0～15％、95％～100％区间内OCV与SOC和温度的对应关系，OCV＝v(SOC,T)，换算得到SOC＝s(OCV,T)；以上为测试结果的特征数据，存储在电池管理系统的只读存储器中，在线运行时将使用特征数据进行联合状态估算；本专利技术所述基于离线数据驱动的状态联合估算方法为，以安时积分为主，在特征点处进行SOC矫正，根据获得的容量随温度的变化比例r＝w(T)和实测温度对电池容量实时更新，并在多次循环后根据特征值和安时积分对最大容量S0进行矫正；具体而言，特征点可以分为三部分：恒流充电特征点、充电结束后端电压变化值和放电结束后端电压变化值；所述恒流充电特征点为，在充电时，以测试相同的固定电流Ia先进行恒流充电，电池初始SOC不一定为0，在电压到达或未到达后充电截止点采用其他电流充电或者恒压充电，仅关注恒流充电阶段电压数据，并从充电开始时记录电流的安时积分值A，当检测到特征点D1～D4时，分别记录对应的安时积分值s1～s4，以及对应的SOC值A1～A4；进一步的，特征点检测方法为：每一个固定时长Δt内，对电池电压取均值，计算相邻两个Δt的平均电压差，根据充电电流等效计算出每1％SOC变化的电压值ΔU，跟踪ΔU的两个峰值转折点D1和D2，记录对应的安时积分值s1和s2；记录ΔU入和出小于U0的区间的两个特征点D3和D4对应的安时积分值s3和s4；所述充电结束后端电压变化值为，在本次充电结束后，记录电压回落曲线，如果充电结束后的静置时间不够长，即静置时间小于te，te的大小根据电池特性设定，则通过电压回落趋势计算得到预期稳定值，即等效OCV，如果静置时间足够长，即静置时间大于te，则记静置后的电压为OCV，再根据温度T进行查表SOC＝s(OCV,T)，如果电压在此区间内，可以获得充电结束的SOC值A5，记录此时的安时积分值s5；所述放电结束后端电压变化值为，在上一次放电结束后，记录电压回升曲线，如果放电结束后的静置时间不够长，则通过电压回升趋势计算得到预期稳定值，即等效OCV，如果静置时间足够长，则记静置后的电压为OCV，再根据温度T进行查表SOC＝s(OCV,T)，如果电压在此区间内，可以获得放电结束的SOC值A0，此时安时积分值为s0＝0；进一步的，电压回落和回升预期稳定值的计算方法为：根据一阶等效电路模型，即电池端电压等于OCV、内阻压降和极化电压之和，静置状态下，内阻压降为0，因此电池端电压等于OCV与极化电压之和，则充电和放电的数学模型：其中UC为充电结束后的电池端电压，UD为放电结束后的电池端电压，UOCV为开路电压值，Up为极化电压，电池处于静置状态，极化时间常数固定，设为τ，极化电压其中Up0为初始的极化电压；在进行充电结束电压回落曲线计算OCV时，记录初始时刻电池电压UC0，t时刻的电池电压UC1，2t时刻的电池电压UC2，得到：其中，Up0为初始极化电压，计算得到：因此得到：同理，在进行充电结束电压回落曲线计算OCV时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法，该方法包括，对电池进行离线测量，获得以下离线数据：数据①：电池容量S关于温度T的关系S＝p(T),库仑系数k关于温度T的关系k＝q(T)，并根据S＝p(T)曲线上最大容量值S0和对应温度T0，获取容量S随温度T的变化比例r＝p(T)/S0＝w(T)；数据②：恒流充电时电池电压斜率曲线与SOC对应的特征点D1‑D4，，D1为电压斜率曲线的第一转折点，该处对应的SCO值为A1；D2为电压斜率曲线的第二转折点，此处对应的SCO值为A2；斜率小于U0的区间对应的进点D3和出点D4，其中D3和D4随着U0的大小而变化，U0为设定值，D3和D4点处对应的SOC值为A3和A4；数据③：根据SOC为0～AC、AD～100％区间内OCV与SOC和温度的对应关系OCV＝v(SOC,T)，换算得到SOC＝s(OCV,T)，其中，AC、AD为OCV电压平台的起始和结束处SOC；所述基于离线数据驱动的联合状态估算方法，进一步包括，按照以下步骤估算电池的SOC和容量：其中步骤1到4在电池使用时循环执行，当电池处于充电状态，则从步骤1开始，如果处于放电状态，则丛步骤3开始)在所有步骤1到4执行时，同时对电池电流进行安时积分，对当前的SOC进行更新，根据获得的容量随温度的变化比例r＝w(T)和实测电池温度对电池容量实时更新，并在多次循环后根据所述特征值和安时积分对最大容量S0进行矫正；步骤1：在充电前，首先记录上一次放电结束后静置的时间，如果静置时间较长，即静置时间大于te，te的大小根据电池特性设定，则利用充电前测量的电池端电压作为OCV值，再进行查表根据SOC＝s(OCV,T)，获得充电前SOC；如果静置时间较短，即静置时间小于te，则利用上一次放电结束后存储的电压变化数据计算充电前等效OCV值，再进行查表根据SOC＝s(OCV,T)，获得充电前SOC；步骤2：在恒流充电过程中，对充电电流进行安时积分计算获得充电电量，并在恒流充电阶段进行特征点辨识，记录辨识的特征点对应的SOC值An和安时积分值sn，在辨识到任意一个特征点Dn时记An为当前SOC,,充电结束时，记录结束后一段时间内的电压变化值，记录时长根据工程应用中实际情况而定；步骤3：在放电前，首先记录上一次充电结束后静置的时间，如果静置时间较长，即静置时间大于te，则利用放电前测量的电池端电压作为OCV值，再进行查表根据SOC＝s(OCV,T)，获得放电前SOC；如果静置时间较短，即静置时间小于te，则利用充电结束后存储的电压变化数据计算放电前等效OCV值，再进行查表SOC＝s(OCV,T)，获得放电前SOC，在放电过程中，进行安时积分计算获得SOC，并根据电池温度校正SOC，放电结束后，存储放电结束后电压数据；步骤4：在从放电结束到放电开始的一个循环周期中,由于充电起始和结束时的SOC的不确定性，最多可以获取6个特征点，当获取2个或以上特征点时，根据容量的计算公式...

【技术特征摘要】
1.一种基于离线数据驱动的蓄电池联合状态估算方法，该方法包括，对电池进行离线测量，获得以下离线数据：数据①：电池容量S关于温度T的关系S＝p(T),库仑系数k关于温度T的关系k＝q(T)，并根据S＝p(T)曲线上最大容量值S0和对应温度T0，获取容量S随温度T的变化比例r＝p(T)/S0＝w(T)；数据②：恒流充电时电池电压斜率曲线与SOC对应的特征点D1-D4，，D1为电压斜率曲线的第一转折点，该处对应的SCO值为A1；D2为电压斜率曲线的第二转折点，此处对应的SCO值为A2；斜率小于U0的区间对应的进点D3和出点D4，其中D3和D4随着U0的大小而变化，U0为设定值，D3和D4点处对应的SOC值为A3和A4；数据③：根据SOC为0～AC、AD～100％区间内OCV与SOC和温度的对应关系OCV＝v(SOC,T)，换算得到SOC＝s(OCV,T)，其中，AC、AD为OCV电压平台的起始和结束处SOC；所述基于离线数据驱动的联合状态估算方法，进一步包括，按照以下步骤估算电池的SOC和容量：其中步骤1到4在电池使用时循环执行，当电池处于充电状态，则从步骤1开始，如果处于放电状态，则丛步骤3开始)在所有步骤1到4执行时，同时对电池电流进行安时积分，对当前的SOC进行更新，根据获得的容量随温度的变化比例r＝w(T)和实测电池温度对电池容量实时更新，并在多次循环后根据所述特征值和安时积分对最大容量S0进行矫正；步骤1：在充电前，首先记录上一次放电结束后静置的时间，如果静置时间较长，即静置时间大于te，te的大小根据电池特性设定，则利用充电前测量的电池端电压作为OCV值，再进行查表根据SOC＝s(OCV,T)，获得充电前SOC；如果静置时间较短，即静置时间小于te，则利用上一次放电结束后存储的电压变化数据计算充电前等效OCV值，再进行查表根据SOC＝s(OCV,T)，获得充电前SOC；步骤2：在恒流充电过程中，对充电电流进行安时积分计算获得充电电量，并在恒流充电阶段进行特征点辨识，记录辨识的特征点对应的SOC值An和安时积分值sn，在辨识到任意一个特征点Dn时记An为当前SOC,,充电结束时，记录结束后一段时间内的电压变化值，记录时长根据工程应用中实际情况而定；步骤3：在放电前，首先记录上一次充电结束后静置的时间，如果静置时间较长，即静置时间大于te，则利用放电前测量的电池端电压作为O...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓磊，吴浩伟，李小谦，李鹏，汪文涛，蔡久青，金翔，孔祥伟，姜波，蔡凯，欧阳晖，李锐，李可维，金惠峰，周樑，邢贺鹏，陈涛，徐正喜，魏华，罗伟，耿攀，汪永茂，雷秉霖，张辉睿，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42