一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法技术

本发明专利技术属于锂电池健康管理技术领域，具体为一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法。本发明专利技术利用锂电池等效电路描述电池特性，为开路电压和荷电状态关系存在的滞回现象提供描述手段；通过引入电池内阻作为状态变量，并将其与从电池容量和内阻角度定义的电池健康状态进行关联，从而通过更新内阻实时更新电池的当前容量，这样就能自适应电池的老化而一直保持高的描述精度。与现有方法相比，本发明专利技术可以实现传统方法难以实现的实时在线容量估计，保证电路等效模型的实时准确程度，并为电池健康状态及荷电状态提供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法
本专利技术属于锂电池健康管理
，具体涉及一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法。
技术介绍
锂离子电池由于具有高能量密度、低的自放电率和长寿命等优点，使得它在移动电子设备和动力汽车等领域得到越来越广泛的应用。但是这些优点只有在安全的操作环境中才能得到保证。因此为了保证锂电池能工作在这样的操作环境中，就需要对电池进行管理。而锂电池内部状态的在线估计则是电池管理的前提条件。锂电池的内部状态主要是指其荷电状态(StateofCharge，SOC)和健康状态(StateofHealth，SOH)。前者用来表明当前电池剩余电量是多少，后者则用来描述电池最大可放出电量的衰减程度。SOC的定义是电池剩余电量与电池满电量的比值。在电池管理模块中，为防止电池过充和过放电，其充放电电流都需要利用SOC信息来进行控制，所以精确的SOC估计是具有很重要的实际意义的。但是SOC是无法通过测量直接而获得的，它只能通过某种方法来进行估计[1]。目前，SOC主要的估计方法有以下四种：1)安时积分法，它通过流入/流出电池电流的积分来估计SOC，由于任何开环预测方法都不可避免地存在误差，因此它的估计结果会随着积分时间的增加而不断累计误差。此外，其估计需要事先有一个准确的SOC初始值才能进行，这就给它的实际应用带来困难[2]；2)开路电压法，它利用开路电压(OpenCircuitVoltage,OCV)与SOC的对应关系来获取SOC估计值，但是这样的对应关系，需要对电池进行长时间静置后，才能测得，因此无法用于实时估计[3]；3)内阻法，该方法需要高精度的测量仪器才可进行，因此不适合实时工作的场景[4]；4)等效电路模型法，它根据电池两端电流电压关系，构造出一个等效电路模型来描述电池，即将电池充放电特性用电路方程表达出来[5～6]。目前，最常用的电池估计方法，都是基于电池等效电路模型的估计方法[1]。文献[7]介绍了常用的等效电路模型，由于该模型用对应的电路元件来模拟电池充放电特性，因此元件参数就可以根据电池充放电的电压电流来进行确定。这样基于这些构造出的等效电路模型，就可以构建起相应的状态方程，基于这些状态方程，人们就可利用卡尔曼滤波器[5]或滑模观测器[6]等方法来对需要的电池参数进行实时估计。这类模型虽然能较好地模拟电池充放电特性，但是也存在一些问题。一方面，在这类模型中，通常都假定OCV与SOC对应关系在充放电时是固定不变的，而文献[8][9]的研究表明：电池充放电过程中OCV与SOC对应关系存在滞回现象，具体表现为：在相同的SOC状态下，OCV会因为电池前一时刻不同的充放电状态而产生偏差。这说明这类等效电路模型存在模型误差。另一方面，随着电池放电到一个很小的SOC状态时，锂电池内阻会呈指数上升。此外，随着电池的衰减老化，其内阻会随之增大，其容量则随之减小。这种变化无法在等效电路模型中用一个常电阻和一个常电容来表示，这意味着在极小的SOC状态下或者电池衰减老化之后，其估计用的模型误差会变得很大，从而导致估计精度降低。电池容量是指当前状态下电池最大可放出的电量，它的衰减情况可以用电池SOH来表示。相对于SOC的研究，与SOH相关的研究报道较少。文献[10]提出了一个锂离子电池的循环寿命经验模型，但是该模型考虑了电池的很多物理因素，因此并不能很好地适应于不同电池；类似地，文献[11]也给出了一个锂离子电池容量衰减的数学模型，但是该模型是一种经验模型，对于不同的电池，模型具有不确定性，不适合实际应用场景。针对上述电池荷电状态估计和健康状态估计存在的这些问题，本专利技术通过将文献[7]提出的电池等效模型引入时变的内阻，并且，针对开路电压与荷电状态关系曲线中开路电压存在的滞回现象，为描述其曲线存在的不确定性，通过引入高斯白噪声来加以表征。将作为状态变量的内阻与电池健康状态相关联，进而提供一种估计电池容量的新途径。这样我们就为电池荷电状态估计和健康状态估计建立了一个新模型。分析表明：我们的模型可以描述电池SOC-OCV对应关系可能存在的变化，特别是它能针对不同状态下电池内阻的变化，能由模型估计到的内阻来实时调整，这样就提高了模型的实时描述精度，且也能描述电池的老化状态并对其参数进行估计。实验的结果验证了提出模型的可行性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，不仅能够正确提供电池健康状态，而且能自适应电池老化状态，保持较高的模拟评估精度。本专利技术提出的锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，采用电池等效电路模型，在荷电状态与开路电压的关系中引入高斯白噪声，并将内阻作为变量实时估计，同时将内阻与容量通过电池健康状态联系起来以更新电池实时容量，从而保证模型能自适应电池老化状态，提高荷电状态估计精度，具体步骤为：(1)构造等效电路模型：采用锂电池等效电路模型(为文献[7]中给出的模型)，对电池进行预放电测试，根据测量结果计算出模型中的电阻、电容值，利用实验数据验证模型的准确度。具体流程详述如下：文献[7]中给出的锂电池等效电路模型，如图1所示。在(a)部分，电池的容量用电容Cn来表征，电池流入/流出的电流则用受控电流源来表示，这样Cn两端电压的升降就反映了电池电量的增减，我们用1V·SOC来表示Cn两端的电压；在(b)部分，受控电压源OCV(SOC)用来表示电池SOC到开路电压的非线性映射，R0表示电池的等效欧姆内阻，R1和C1以及R2和C2构成的两个RC网络，分别用来反映电池所同时具有的短时间和长时间常数的动态特性。首先，要确立SOC-OCV关系，采取恒流-恒压的充电方式将电池充满电，静置至电池达到稳定状态后，使用合适的固定放电倍率电流(如：0.5C～1C)对电池进行放电，放电一段时间后静置以获取当前状态下的开路电压，每个周期内电池放电与静置的时间要采取合适比例(建议静置时间在放电时间的5倍以上)，电池电流和电压的采样间隔为1s，不断循环至电池放电截止电压；然后使用相同的电流对电池充电，循环方式与放电方式相同，直至电池充电至充电截止电压。根据测得的充放电数据求平均，可以得到荷电状态与电池开路电压的对应关系，如图2所示。另外，考虑到电池存在的滞回特性，可以在该关系曲线中加入高斯白噪声加以表征。其次，对电池进行混合动力脉冲特性测试，根据放电曲线可以计算出代表电池长和短时间常数的RC网络中的电阻和电容值。(2)根据等效电路模型构建状态方程：选取模型中合适的变量作为系统状态变量，根据模型回路建立方程。具体流程详述如下：由图1的等效电路，可写出电池模型输出电压V为：V(t+1)＝OCV(t)+I(t)R0(t)+VRC1(t)+VRC2(t)(1)其中，t表示时间，I(t)为t时刻流过电池的电流，其在充电时为正，放电时为负，而VRC1和VRC2的动态特性则可由下式表示：文献[12]的研究结果表明：电池的等效内阻R0会随着电池的SOC及其健康状态变化而改变，因此不同于文献中报道的那样，如文献[7]视其为常数，本文将把它看作电池的一个状态变量，并用如下随机漫步模型来表征它：R0(t+1)＝R0(t)+r(t)(4)式中，r(t)表示随机白噪声。图1中的受控电压源OCV(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，其特征在于，采用电池等效电路模型，在荷电状态与开路电压的关系中引入高斯白噪声，并将内阻作为变量实时估计，同时将内阻与容量通过电池健康状态联系起来以更新电池实时容量，从而保证模型能自适应电池老化状态，提高荷电状态估计精度；具体步骤为：(1)构造等效电路模型：采用锂电池等效电路模型，对电池进行预放电测试，根据测量结果计算出模型中的电阻、电容值，利用实验数据验证模型的准确度；(2)根据等效电路模型构建状态方程：选取模型中变量作为系统状态变量，根据模型回路建立方程；(3)利用无迹卡尔曼滤波算法对状态方程进行估计，并根据估计的内阻与容量联系起来，实时更新等效模型，以保证模型的实时精度。

【技术特征摘要】
1.一种锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，其特征在于，采用电池等效电路模型，在荷电状态与开路电压的关系中引入高斯白噪声，并将内阻作为变量实时估计，同时将内阻与容量通过电池健康状态联系起来以更新电池实时容量，从而保证模型能自适应电池老化状态，提高荷电状态估计精度；具体步骤为：(1)构造等效电路模型：采用锂电池等效电路模型，对电池进行预放电测试，根据测量结果计算出模型中的电阻、电容值，利用实验数据验证模型的准确度；(2)根据等效电路模型构建状态方程：选取模型中变量作为系统状态变量，根据模型回路建立方程；(3)利用无迹卡尔曼滤波算法对状态方程进行估计，并根据估计的内阻与容量联系起来，实时更新等效模型，以保证模型的实时精度。2.根据权利要求1所述的锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，其特征在于，步骤(1)的流程为：在图1所示的锂电池等效电路模型中，电池的容量用电容Cn来表征，电池流入/流出的电流则用受控电流源来表示，这样Cn两端电压的升降就反映了电池电量的增减，用1V·SOC来表示Cn两端的电压，SOC的表示电池荷电状态，定义为电池剩余电量与电池满电量的比值；受控电压源OCV(SOC)用来表示电池SOC到开路电压OCV的非线性映射，R0表示电池的等效欧姆内阻，R1和C1以及R2和C2构成的两个RC网络，分别用来反映电池所同时具有的短时间和长时间常数的动态特性；首先，要确立SOC-OCV关系，采取恒流-恒压的充电方式将电池充满电，静置至电池达到稳定状态后，使用合适的固定放电倍率电流对电池进行放电，放电一段时间后静置以获取当前状态下的开路电压，每个周期内电池放电与静置的时间要采取合适比例，电池电流和电压的采样间隔为1s，不断循环至电池放电截止电压；根据测得的充放电数据求平均，得到荷电状态与电池开路电压的对应关系；在该关系曲线中加入高斯白噪声加以表征；然后，对电池进行混合动力脉冲特性测试，根据放电曲线计算出代表电池长和短时间常数的RC网络中的电阻和电容值。3.根据权利要求2所述的锂电池健康和荷电状态的联合模拟评估方法，其特征在于，步骤(2)的具体流程为：根据锂电池等效电路模型，其输出电压V为：V(t+1)＝OCV(t)+I(t)R0(t)+VRC1(t)+VRC2(t)(1)其中，t表示时间，I(t)为t时刻流过电池的电流，其在充电时为正，放电时为负，而VRC1和VRC2的动态特性由下式表示：R0为电池的等效内阻，会随着...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱丽群，李旦，张建秋，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海,31