一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法技术

一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，步骤包括：步骤1、构建锂电池的动力学方程，建立一种考虑液相动力学的锂电池扩展单粒子模型；步骤2、提出一种可同时实现对电池正、负电极浓度分布估计的锂电池双向互联观测器；步骤3、结合步骤1中的锂电池扩展单粒子模型和步骤2中所构建的互联观测器，提出并验证方法；本发明专利技术所提出的基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法能够同时对电池正、负电极的荷电状态进行估计，具有工程应用价值；解决了现有基于电化学模型的车用锂电池荷电状态估计仅能对一个电极荷电状态进行估计，同时锂电池出现老化时无法保证正、负电极锂离子摩尔数仍守恒，从而出现锂电池荷电状态估计误差较大的问题。

A state of charge estimation method for lithium battery based on interconnection observer

【技术实现步骤摘要】
一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法
本专利技术涉及新能源汽车电池管理
，具体涉及一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法。
技术介绍
近年来，锂电池由于高能量密度、高输出功率及长寿命等优点在新能源汽车中具有广泛应用。作为构成锂离子动力电池组的重要单元，锂电池的精确建模和荷电状态估计对于开发高效的电池管理系统(batterymanagementsystem,BMS)具有十分重要的意义。现有技术中，基于等效电路模型(equivalent-circuitmodel,ECM)的锂电池建模和内部参数识别方法以及不同的荷电状态估计方法比较常用。然而，ECM模型利用电阻、电容等元器件模拟锂电池输出电压,对于前期电池的实验具有很强的依赖性,且模型参数也不能完全对应锂电池内部实际的物理电化学状态变量。因此，为了更准确的表征锂电池内部的电化学行为与物理特性，需要构建一种基于电化学模型来对锂电池的荷电状态进行估计。尽管已有基于电化学模型的锂电池荷电状态估计方法，但均假定锂电池正、负电极的锂离子摩尔数是恒定的,这使得两个电极的锂浓度状态存在一定的代数关系,从而使得该类电化学模型仅能对单个电极荷电状态是可观测的。然而当锂电池出现老化时,锂电池正、负极锂离子浓度的守恒就难以保证，这将导致锂电池的荷电状态估计出现较大误差。综上所述，提出一种能够同时了解锂电池正、负电极的荷电状态估计方法是目前新能源汽车电池管理
中研究的关键性问题。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，基于多孔电极理论和浓度理论提出一种考虑液相动力学行为的锂电池扩展单粒子模型(ESPM是enhancedsingleparticlemodel的英文简称)，在该模型基础上进一步简化，提出该方法可实现同时对锂电池的正、负电极荷电状态进行估计，有效提高了锂电池管理系统荷电状态估计的准确性；本专利技术解决了现有基于电化学模型的车用锂电池荷电状态估计仅能对一个电极荷电状态进行估计，同时锂电池出现老化时无法保证正、负电极锂离子摩尔数仍守恒，出现锂电池荷电状态估计误差较大的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建锂电池的动力学方程，建立一种考虑液相动力学的锂电池扩展单粒子模型ESPM；步骤2，提出一种可同时实现对正负电极浓度分布的锂电池双向互联观测器；步骤3，结合步骤1中的锂电池扩展单粒子模型ESPM和步骤2中所构建的互联观测器，提出并验证一种基于互联观测器的车用锂电池的荷电状态估计方法。步骤1具体做法是：锂电池是一种恒流等温电化学模型，构建一种考虑液相动力学行为的锂电池ESPM模型，其中主要包括的锂电池电化学动力学方程有：固相扩散方程、液相扩散方程、液相电荷守恒方程、固相电荷守恒方程、Bulter-Volmer动力学方程；应用有限差分法数值求解动力学方程，构建锂电池输出电压及荷电状态表达式分别为：上式中，V(t)为电池端电压，为锂电池正电极固相电势，为锂电池负极固相电势，I(t)为电流输出电流密度，Rc为锂电池集电极接触电阻。SOC(t)为锂电池的电荷状态，Rs为固相粒子半径，为固相最大锂离子浓度。步骤2具体做法是：构建一种基于H∞理论框架的锂电池正、负极互联观测器，其结构不同于只能对单电极状态进行估计的观测器，它能够同时估计正、负极的浓度分布状态并使其相互提供反馈；为了降低锂电池H∞互联观测器的设计复杂度并满足其可观测性条件，给出相对应的假设条件。步骤3具体做法是：结合步骤1的扩展单粒子模型ESPM和步骤2中基于H∞互联观测器Obsv-2，用本专利技术提出的基于互联观测器的车用锂电池荷电状态方法对锂电池进行荷电状态估计，其结果在不同工况下与单电极观测器Obsv-1所计算的荷电状态估计进行对比分析，验证有效性。所述的锂电池输出电压及荷电状态表达式的计算过程如下：根据Fick第二定理，锂电池正、负电极的锂离子浓度为：其边界控制条件包括：其中，正、负极的反应电流密度表达式为：在笛卡尔坐标系x轴上，ce(x,t)随着锂离子的流量密度梯度而变化，其动力学方程为：液相浓度扩散方程的边界控制条件和浓度扩散连续条件如式(6)和式(7)：式中，液相有效扩散系数在x轴上只需要考虑电解液内锂离子传输引起的电势变化，则根据修正的欧姆定律，电解液的液相电势表示为：式中，沿x轴在锂电池厚度范围内对上式(8)积分两次可得液相电势差ΔΦe为根据Bulter-Volmer方程以及式(4)的假设，可知η±(x,t)的计算式为：取正负极电荷传输系数αa＝αc＝α＝0.5，则交换电流密度定义为又因为：综合式(1)，(9)，(10)和(12)，锂电池ESPM模型的终端电压V(t)计算式为为了便于标记和后续观测器设计，定义非线性函数(h(·))，则可得如下函数式：因此，式(13)可简化为：与温度变化相关的锂电池电化学参数包括和k±(T)，这4个参数可以采用Arrhenius定律来标定温度对其的影响，表示为式中，Tref＝23℃(298K)是参考温度，和为活化能参数，此外与锂电池温度T和初始液相浓度有关的液相扩散系数De(T)，以及依赖于温度的电解液离子电导率ke(T)的经验计算式为：为了能够应用有限差分法数值求解上述模型，将偏微分方程(2)中的固相浓度扩散方程在球形离子内部离散化为N+1个节点，同样地,沿x轴将方程(5)离散化为M+1个节点，定义状态向量x＝[x1x2x3]T，其中，x1和x2分别是正、负电极的第N个节点的浓度状态变量，表示为x3是电解液第M个节点的浓度状态变量，x3＝[ce,1,ce,1,…,ce,M]T，y＝V(t)，需要指出的是，和分别是正、负电极表面固相浓度，即和经过离散化之后，可得2N+M个常微分方程(ordinarydifferentialequation,ODE),其状态空间方程的形式如下：其中：u＝I(t)，状态变量系数矩阵列向量矩阵分别是包含电化学模型参数的状态变量和输入变量矩阵，注意，x1和x2分别包含正、负电极所有离散化节点的浓度值，若能求解方程(18)获得其数值解，则锂电池的荷电状态(SOC)计算式为：本专利技术所用的相关变量及参数所代表的含义如表1所示：表1锂电池参数及相关符号与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：1)、与现有技术中基于正、负极锂离子守恒原理的单电极观测器荷电状态估计方法不同，基于H∞鲁棒控制理论提出的一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，能够实现同时对锂电池正、负电极的荷电状态进行估计。2)、即使本专利技术中提出的互联观测器结构中出现不准确的初始值，但本专利技术中提出的锂电池荷电状态估计方法仍能够使锂电池双电极的荷电状态估计值保持收敛。3)、相比于HPPC和UDDS工况下的试验数据，对比分析了Obsv-1以及Obsv-2模型计算出的锂电池在两种工况下的荷电状态响应曲线，结果发现：在HPPC工况下应用两种模型计算出的锂电池荷电状态估计值的最大相对误差分别为4.7％和3.4％；在UDDS工况下，应用两种模型计算出的锂电池荷电状态估计值最大相对误差分别为4.4％和3.2％。因此本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建锂电池的动力学方程，建立一种考虑液相动力学的锂电池扩展单粒子模型ESPM；步骤2，提出一种可同时实现对正负电极浓度分布的锂电池双向互联观测器；步骤3，结合步骤1中的锂电池扩展单粒子模型ESPM和步骤2中所构建的互联观测器，提出并验证一种基于互联观测器的车用锂电池的荷电状态估计方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，构建锂电池的动力学方程，建立一种考虑液相动力学的锂电池扩展单粒子模型ESPM；步骤2，提出一种可同时实现对正负电极浓度分布的锂电池双向互联观测器；步骤3，结合步骤1中的锂电池扩展单粒子模型ESPM和步骤2中所构建的互联观测器，提出并验证一种基于互联观测器的车用锂电池的荷电状态估计方法。2.根据权利要求1所述的一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤1具体做法是：锂电池是一种恒流等温电化学模型，构建一种考虑液相动力学行为的锂电池ESPM模型，其中主要包括的锂电池电化学动力学方程有：固相扩散方程、液相扩散方程、液相电荷守恒方程、固相电荷守恒方程、Bulter-Volmer动力学方程；应用有限差分法数值求解动力学方程，构建出锂电池输出电压及荷电状态表达式分别为：上式中，V(t)为电池端电压，为锂电池正电极固相电势，为锂电池负极固相电势，I(t)为电流输出电流密度，Rc为锂电池集电极接触电阻。SOC(t)为锂电池的电荷状态，Rs为固相粒子半径，为固相最大锂离子浓度。3.根据权利要求1所述的一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤2具体做法是：构建一种基于H∞理论框架的锂电池正、负极互联观测器，其结构不同于只能对单电极状态进行估计的观测器，它能同时估计正、负极的浓度分布状态并使其相互提供反馈；为了降低锂电池H∞互联观测器的设计复杂度并满足其可观测性条件，给出相对应的假设条件。4.根据权利要求1所述的一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤3具体做法是：结合步骤1的扩展单粒子模型ESPM和步骤2中基于H∞互联观测器Obsv-2，用本发明提出的基于互联观测器的车用锂电池荷电状态方法对锂电池进行荷电状态估计，其结果在不同工况下与单电极观测器Obsv-1所计算的荷电状态估计进行对比分析，验证有效性。5.根据权利要求2所述的一种基于互联观测器的车用锂电池荷电状态估计方法，其特征在于，所述的锂电池输出电压及荷电状态表达式的计算过程如下：根据Fick第二定理，锂电池正、负电极的锂离子浓度为：其边界控制条件包括：其中，正...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞辉，武龙星，刘楠，牟联晶，郭龙，姚睿，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61