综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法技术

本发明专利技术公开了一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，采用锂离子电池在放电阶段的电压平台期的某段电压区间内所释放的电量和环境温度为特征来估算锂离子电池的实际容量，表征电池的老化程度；采用锂离子电池运行时的环境温度、电压、充放电电流和锂离子电池的实际容量作为特征来估算SOC；采用GBRT作为训练模型，使用采集的数据离线训练分别得到估算锂离子电池实际容量的模型和充放电阶段估算SOC的模型；在线估算SOC时，在电池放电阶段采集特征数据估算并更新当前电池的实际容量，在充放电阶段使用当前电池的实际容量并结合采集的温度值、电压值和电流值估算SOC。

An on-line SOC estimation method for lithium-ion batteries considering internal and external factors

【技术实现步骤摘要】
综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法
本专利技术属于锂离子电池
,主要涉及一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法。
技术介绍
随着电力需求的不断增加，电网负荷峰谷差异越来越大，通过使用储能系统完成对电网负荷的削峰填谷，可以有效提高电网的运行质量。锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、低价格、环保无污染等特点成为储能系统的最佳选择。研究锂离子电池荷电状态(StateofCharge，SOC)的在线估算方法有着非常重要的意义。首先，对锂离子电池进行过度充电或者过度放电都会对锂离子电池造成永久的损伤，导致锂离子电池的储能性能和稳定性的下降，准确的锂离子电池SOC在线估算方法有助于避免锂离子电池过度充电或过度放电的情况的发生，对于提高电池的使用寿命以及工作时的稳定性有着非常重要的意义。目前最常见的锂离子电池SOC在线估算方法是基于安时积分法的直接估算方法，该类方法虽然简单易实施，但难以考虑电池的老化程度和外界因素的影响，这导致该方法估算精度不高。另外，由于锂离子电池运行时可测的参数并不多，难以获取锂离子电池老化程度的信息，这导致锂离子电池SOC在线估算精度不高。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，使用实验数据训练梯度提升回归树(GradientBoostingRegressionTrees，GBRT)获得电池实际容量的估算模型和充/放电阶段SOC的估算模型，通过在放电阶段估算电池的实际容量来表征电池的老化程度，综合考虑电池的老化程度这一内部影响因素和诸多外部影响因素，提高锂离子电池SOC的在线估算精度。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，包括以下步骤：(1)初次运行时需要给定一个电池实际容量的初始值；(2)判断电池处于充电状态还是放电状态。如果是充电状态，则将电池当前的实际容量数据和采集到的温度、电压、电流特征数据一起作为SOC在线估算模型的输入，得到SOC的估算值。如果是放电状态则需要完成两个步骤，第一是放电过程中的SOC的估算，第二是电池实际容量的估算和更新。(3)判断充电过程是否结束，若充电过程没有结束，则进入下一次数据的采集和SOC的估算过程，若充电过程结束，则停止SOC的估算，进入等待下一个充电过程或放电过程的状态。进一步的，所述放电过程中的锂离子电池SOC的估算步骤为：将电池当前的实际容量数据和采集到的温度、电压、电流特征数据一起作为SOC在线估算模型的输入，得到SOC的估算值。然后判断放电过程是否结束，若放电过程没有结束，则进入下一次数据的采集数据和估算SOC的过程，若放电过程结束，则停止SOC的估算，进入等待下一个充电过程或放电过程的状态。进一步的，所述放电过程中锂离子电池实际容量的估算步骤为：(1)获取放电过程中采集的锂电池端电压数据，然后判断是否已经开始计量放出电量，如果否，则当锂电池端电压值达到电量计量的起始电压时开始计量放出电量，如果是，则表明当前已经开始计量放出电量了，只需要等到电池电压值达到电量计量的截至电压时停止电量计量并获取这个电压区间放出电量的值。(2)采集当前环境温度数据，并将当前环境温度数据和步骤(1)中获取的放出电量的值作为电池实际容量估算模型的输入，得到实际容量的估算值并用该值更新旧值。进一步的，所述锂离子电池实际容量估算模型和充放电阶段估算SOC的模型为采用GBRT作为训练模型，使用采集的数据离线训练分别得到。考虑到实际系统放电过程的随机性，并不是每一次放电过程都会对锂电池实际容量进行估算，只有先满足达到电量计量的起始电压开始，再满足达到电量计量的截至电压，才能获取电压区间放出电量的特征数据并对实际容量进行估算。有益效果：本专利技术提供的一种锂离子电池SOC在线估算方法，能够实现电池实际容量的在线估算以确定锂电池的老化程度，并综合考虑环境温度因素，实现在特定外界环境下的电池实际容量的在线估算，提高锂电池SOC估算的准确度。附图说明图1：温度、电压区间内放出电量、电池实际容量的关系图；图2：电池实际容量、电压、SOC的关系图；图3：温度、电压、SOC的关系图；图4：电流、电压、SOC的关系图；图5：离线训练模型与在线SOC估算逻辑关系图；图6：在线估算SOC的流程图。具体实施方式本专利技术提出一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚明确，下面结合附图进一步阐述本专利技术。(一)确定估算锂离子电池实际容量的特征锂离子电池的老化程度是影响锂离子电池SOC在线估算的内部因素。锂离子电池在老化过程中最大的特点是电池的实际容量不断变小，所以可以使用电池的实际容量表征老化程度。图1反映了某标定容量为2Ah的锂离子电池在同环境温度下，放电阶段电压区间内释放的电量和电池实际容量的关系。从图中可以看出放电阶段电压区间内释放的电量越少，电池的实际容量就越小，并且环境温度也会影响电压区间内释放的电量，温度较低时，释放出的电量会明显变少。根据上述特性，可以选择锂离子电池放电阶段电压区间内释放的电量和环境温度作为估算电池实际容量的特征。(二)确定估算锂离子电池SOC的特征图2、图3和图4反映了某标定容量为2Ah的锂离子电池的SOC与各内外印象因素之间的关系。图2展示了3块老化程度不同的锂离子电池在相同的环境温度下使用相同的电流放电的情况下，电池端电压和SOC的关系；图3展示了3块老化程度相同的锂离子电池在不同的环境温度下使用相同的电流放电的情况下，电池端电压和SOC的关系；图4展示了两块老化程度相同的锂离子电池在相同的环境温度下使用不同的电流放电时，电池端电压和SOC的关系。根据这些特性，可以选择锂离子电池的实际容量、环境温度、电压和电流作为估算SOC的特征。(三)训练实际容量估算模型和充/放电阶段的SOC估算模型采用集成学习模型中的GBRT作为训练模型。GBRT能够有效防止过拟合，模型的解释性较强，且运行速度快。GBRT的核心在于每一次计算都是为了减少上一次的残差，而为了减少这些残差，可以在残差减少的梯度方向上建立一个新模型，在GBRT中，每个新模型的建立是为了使得先前模型残差往梯度方向减少。GBRT模型的具体产生过程如下：假设数据集为D＝{(x1,y1),(x2,y2),…,(xN,yN)}，损失函数为L(y,f(x))，每棵回归树的叶节点数为J，将其输入空间分割成J个不相交的区域R1m,R2m,…Rjm，并为每一个区域估计一个常量值bjm。回归树gm(x)用公式表示为：步骤1：模型的初始化：步骤2：迭代生成M颗回归树，form＝1toM，m表示第m棵树；①对于所有的样本N，fori＝1toN，i表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n（1）初次运行时设定电池实际容量的初始值；/n（2）判断电池处于充电状态还是放电状态：/n如果是充电状态，则将电池当前的实际容量数据和采集到的温度、电压、电流特征数据一起作为SOC在线估算模型的输入，得到SOC的估算值；/n如果是放电状态则需要完成两个步骤，第一是放电过程中的SOC的估算，第二是电池实际容量的估算和更新；/n（3）判断充电过程是否结束，若充电过程没有结束，则进入下一次数据的采集和SOC的估算过程，若充电过程结束，则停止SOC的估算，进入等待下一个充电过程或放电过程的状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）初次运行时设定电池实际容量的初始值；
（2）判断电池处于充电状态还是放电状态：
如果是充电状态，则将电池当前的实际容量数据和采集到的温度、电压、电流特征数据一起作为SOC在线估算模型的输入，得到SOC的估算值；
如果是放电状态则需要完成两个步骤，第一是放电过程中的SOC的估算，第二是电池实际容量的估算和更新；
（3）判断充电过程是否结束，若充电过程没有结束，则进入下一次数据的采集和SOC的估算过程，若充电过程结束，则停止SOC的估算，进入等待下一个充电过程或放电过程的状态。


2.根据权利要求1所述一种综合考虑内外影响因素的锂离子电池SOC在线估算方法，其特征在于，所述放电过程中的锂离子电池SOC的估算步骤为：将电池当前的实际容量数据和采集到的温度、电压、电流特征数据一起作为SOC在线估算模型的输入，得到SOC的估算值；然后判断放电过程是否结束，若放电过程没有结束，则进入下一次数据的采集数据和估算SOC的过程，若放电过程结束，则停止SOC的估算，进...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳东，卜阳，窦春霞，王强，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32