一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：S1.在锂离子电池内部石墨负极表面贴附带有FBG传感器系统的光纤；S2.在实验室条件下对S1中的FBG传感器系统进行标定；S3.拟合标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC‑电极应变函数；计算SOC‑电极应变函数的一阶导数并依此划分SOC‑电极应变的敏感/非敏感区；S4.在真实工况下，计算实际电极应变；S5.在真实工况下，测量锂离子电池电流，实时估计SOC。本发明专利技术通过将FBG传感器系统嵌入锂离子电池采集内部电极应变数据，实现基于锂离子电池内部状态信息的SOC估计，将SOC‑电极应变函数关系和安时积分算法融合，从而保证算法的准确性，具有电池管理系统应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法
本专利技术涉及锂离子电池荷电状态估计，特别是涉及一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法。
技术介绍
锂离子电池SOC估计是电池管理系统（BMS）的核心功能之一，对于准确控制电池系统、提高能源利用效率、加快清洁能源应用具有关键作用。然而，锂离子电池可测参数有限且特性耦合，并且具有强时变、非线性等特征，对准确估计SOC形成严峻挑战。目前的BMS通常监控端电压、电流和电池表面温度等参数来估计SOC。安时积分方法简单易行，但作为一种开环算法，估计误差受电流传感器误差影响不断累积。OCV可以通过让电池静置足够长的时间来估计SOC，但在实际应用中不能满足实时估计需求。基于模型的方法可以实现较高的估计精度，并且对噪声具有鲁棒性。但这些信号不能提供关于电池内部的物理和化学状态的直接信息。综上所述，现阶段锂离子电池检测手段单一，SOC估计所依赖的可测量极为有限，亟需扩展检测维度，提出新的锂离子电池在线检测方法及与之相匹配的高精度、高鲁棒性SOC估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于内嵌FBG传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，通过将FBG传感器系统嵌入锂离子电池内部电极并标定温度补偿因子，采集内部电极应变数据，实现基于锂离子电池内部状态信息的SOC估计，该方法将SOC-电极应变函数关系和安时积分算法融合，从而保证算法的准确性。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：S1.在锂离子电池内部石墨负极表面贴附带有FBG传感器系统的光纤，FBG传感器系统包括一个主FBG传感器和一个副FBG传感器；其中FBG传感器系统是指光纤布拉格光栅传感器系统；S2.在实验室条件下对S1中的FBG传感器系统进行标定：通过计算法确定温度补偿因子，依据温度补偿因子、主FBG传感器和副FBG传感器的波长偏移量，计算补偿温度效应后的标定用电极应变；S3.获取多组相互对应的标定用电极应变和SOC数据，拟合标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC-电极应变函数，其中SOC是指荷电状态；计算SOC-电极应变函数的一阶导数并依此划分SOC-电极应变的敏感/非敏感区；S4.在真实工况下，采集主FBG传感器和副FBG传感器的波长偏移量，结合S2中确定的温度补偿因子，计算实际电极应变；S5.在真实工况下，测量锂离子电池电流，在SOC-电极应变敏感区采用基于模型的闭环状态观测器实时估计SOC，在SOC-电极应变非敏感区采用安时积分法实时估计SOC。本专利技术的有益效果是：能够将FBG传感器系统安全可靠地集成到锂离子电池内部电极，能够通过对FBG传感器系统的标定，实现电极应变的准确测量，能够将SOC-电极应变函数关系和安时积分算法融合，显著提高SOC估计精度。附图说明图1一种锂离子电池状态估计方法示意图；图2内嵌FBG传感器集成方法示意图；图3SOC-电极应变曲线示意图；图4为SOC-电极应变一阶导数曲线示意图；图5融合估计算法示意图；图中，1-光纤，11-主FBG传感器，12-副FBG传感器，121-导管，14-丁苯橡胶，21-石墨负极层，22-电池外表层。具体实施方式下面结合附图进一步详细描述本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不局限于以下所述。如图1所示，一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：S1.在锂离子电池内部石墨负极21表面贴附带有FBG传感器系统的光纤1，FBG传感器系统包括一个主FBG传感器11和一个副FBG传感器12，如图2所示，其中FBG传感器系统是指光纤布拉格光栅传感器系统。S101.在同一根光纤1芯中以串联的形式光刻2个布拉格光栅微结构。将光纤1芯内刻有一个布拉格光栅微结构的段落作为主FBG传感器11。主FBG传感器11的波长变化由被测物体的应变变化及温度变化引起。将光纤1芯内刻有另一个布拉格光栅微结构的段落置于导管121中，使其能够在导管121内自由滑动，作为副FBG传感器12。副FBG传感器12的波长变化仅由温度变化引起。主FBG传感器11和副FBG传感器12构成FBG传感器系统。S102.将主FBG传感器11和副FBG传感器12的导管121，用丁苯橡胶14贴附于电池石墨负极层21。卷制电池单体，用外表层22密封电池，将光纤1从电池外表层22延伸至外部。所述电池可以是软包电池、圆柱电池或方形电池。将延伸出电池单体外部的光纤1末端连接到光谱仪。通过串行复用，光纤1可以承载主FBG传感器11和副FBG传感器12的输出光，使用光谱仪分别读取其波长。S2.在实验室条件下对S1中的FBG传感器系统进行标定：通过计算法确定温度补偿因子CT，依据温度补偿因子CT、主FBG传感器和副FBG传感器的波长偏移量，计算补偿温度效应后的标定用电极应变；S201.对锂离子电池开展静态充放电测试，在20℃环境下进行M次充电/放电循环。以恒定电流充电，使电池电压达到4.15V，然后以恒定电压充电达到截止电流。静置1小时，以与放电速率相应的恒定电流放电到2.5V截止电压。在静态充放电测试过程中，采集锂离子电池在第i次循环中t时刻的电流，通过安时积分方法确定SOC值；记录每个时刻的荷电状态。从SOC=1%直到SOC=100%，以1%为SOC增加步长，记录在第i次循环中SOC值为x%的时刻。通过光谱仪采集第i次循环中t时刻主FBG传感器波长偏移和副FBG传感器波长偏移。S202.使用计算法确定温度补偿因子CT：为计算温度补偿因子，把补偿温度效应后的标定用电极应变当作SOC的函数；设不随充/放电速率而变化；设置温度补偿变量C的取值区间和增加步长，在本申请的实施例中，C的取值区间设置为[2,5]，增加步长设置为0.1；对于每一个C值分别根据如下公式确定温度补偿因子：计算平均电极应变：计算方差：计算方差加和值：计算温度补偿因子CT：表示使G(C)这个函数取得最小值时，变量C的取值；将该值作为计算得出的，最终在实际测量应用的温度补偿因子；S203.根据S201中采集的和，结合S202中得出的温度补偿因子CT，计算补偿温度效应后的标定用电极应变：。S3.获取多组相互对应的标定用电极应变和SOC数据，拟合标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC-电极应变函数，其中SOC是指荷电状态；计算SOC-电极应变函数的一阶导数并依此划分SOC-电极应变的敏感/非敏感区。S301：根据S2中得到的标定用电极应变数据和SOC数据，采用数值拟合方法，确定标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC-电极应变函数l。优选的，所述数值拟合方法包括：傅里叶级数拟合、拉格朗日插值、牛顿插值、分段低次插值、埃尔米特插值、三次样条插值、最佳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于包括以下步骤：/nS1. 在锂离子电池内部石墨负极表面贴附带有FBG传感器系统的光纤，FBG传感器系统包括一个主FBG传感器和一个副FBG传感器；其中FBG传感器系统是指光纤布拉格光栅传感器系统；/nS2. 在实验室条件下对S1中的FBG传感器系统进行标定：通过计算法确定温度补偿因子，依据温度补偿因子、主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）的波长偏移量，计算补偿温度效应后的标定用电极应变；/nS3. 获取多组相互对应的标定用电极应变和SOC数据，拟合标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC-电极应变函数，其中SOC是指荷电状态；计算SOC-电极应变函数的一阶导数并依此划分SOC-电极应变的敏感/非敏感区；/nS4. 在真实工况下，采集主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）的波长偏移量，结合S2中确定的温度补偿因子，计算实际电极应变；/nS5. 在真实工况下，测量锂离子电池电流，在SOC-电极应变敏感区采用基于模型的闭环状态观测器实时估计SOC，在SOC-电极应变非敏感区采用安时积分法实时估计SOC。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.在锂离子电池内部石墨负极表面贴附带有FBG传感器系统的光纤，FBG传感器系统包括一个主FBG传感器和一个副FBG传感器；其中FBG传感器系统是指光纤布拉格光栅传感器系统；
S2.在实验室条件下对S1中的FBG传感器系统进行标定：通过计算法确定温度补偿因子，依据温度补偿因子、主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）的波长偏移量，计算补偿温度效应后的标定用电极应变；
S3.获取多组相互对应的标定用电极应变和SOC数据，拟合标定用电极应变和SOC间的函数关系，得到SOC-电极应变函数，其中SOC是指荷电状态；计算SOC-电极应变函数的一阶导数并依此划分SOC-电极应变的敏感/非敏感区；
S4.在真实工况下，采集主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）的波长偏移量，结合S2中确定的温度补偿因子，计算实际电极应变；
S5.在真实工况下，测量锂离子电池电流，在SOC-电极应变敏感区采用基于模型的闭环状态观测器实时估计SOC，在SOC-电极应变非敏感区采用安时积分法实时估计SOC。


2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：
S101.在同一根光纤（1）芯中以串联的形式光刻2个布拉格光栅微结构；将光纤（1）芯内刻有一个布拉格光栅微结构的段落作为主FBG传感器（11）；将光纤（1）芯内刻有另一个布拉格光栅微结构的段落置于导管（121）中，使其能够在导管（121）内自由滑动，作为副FBG传感器（12）；主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）构成FBG传感器系统；
S102.将副FBG传感器（12）的导管（121）和主FBG传感器（11）用丁苯橡胶（14）贴附于电池石墨负极层（21）；卷制电池单体，用外表层（22）密封电池，将光纤（1）从电池外表层（22）延伸至电池单体外部；将延伸出电池单体外部的光纤（1）末端连接到光谱仪；通过串行复用，光纤（1）承载主FBG传感器（11）和副FBG传感器（12）的输出光，使用光谱仪分别读取波长。


3.根据权利要求1所述的一种基于内嵌光纤传感器的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于：所述步骤S2包括以下子步骤：
S201.对锂离子电池开展静态充放电测试，在20℃环境下进行M次充电/放电循环；以恒定电流充电，使电池电压达到4.15V，然后以恒定电压充电达到截止电流；静置1小时，以与放电速率相应的恒定电流放电到2.5V截止电压；
在静态充放电测试过程中，采集锂离子电池在第i次循环中t时刻的电流，通过安时积分方法确定SOC值；记录每个时刻的荷电状态；从SOC=1%直到SOC=100%，以1%为SOC增加步长，记录在第i次循环中SOC值为x%的时刻；通过光谱仪采集第i次循环中t时刻主FBG传感器波长偏移和副FBG传感器波长偏移；
S202.使用计算法确定温度补偿因子CT：
为计算温度补偿因子，把补偿温度效应后的标定用电极应变当作SOC的函数；设不随充/放电速率而变化；
设置温度补偿变量C的取值区间和增加步长，对于每一个C值分别根...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏中宝，何洪文，丁光林，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11