一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法及系统，包括以下步骤：确定被估算对象锂离子电池的OCV‑SOC关系；建立气液动力学锂离子电池模型；建立气液动力学模型，使用气液动力学模型模拟气液动力学锂离子电池解析模型，通过气液动力学锂离子电池解析模型计算得到电池端电压值的估算值；建立基于安时积分法的电池SOC估算方程，得到当前实时电池SOC先验估计值；利用滚动时域估计算法对SOC先验估计值进行优化，得到SOC最优估算值。本发明专利技术用于提高SOC估算精度并消除原始模型在局部估算精度丢失的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法及系统
本专利技术属于电动汽车电力电池
，尤其涉及一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法及系统。
技术介绍
近年来，世界正在向可再生和可持续能源快速转型。许多可再生能源，如太阳能和风能，都依靠储能装置来持续输送能量。此外，在电能应用的末端，储能装置在便携式应用中显得更加重要。因此，可充电电池已成为电能储存的重要形式，并被广泛应用于电动汽车、消费电子、航空航天、机器人和电网等领域。与其他类型的可充电电池相比，锂离子可充电电池具有较高的能量密度和较低的记忆效应。此外，锂离子可充电电池具有较好的循环寿命周期、较低的自放电率、良好的充放电效率，并且可以在在较宽的温度范围内可靠地工作。因此，整个社会对锂离子电池的需求很高。然而，为了确保所有锂离子电池的安全、高效和可靠使用，则需要电池管理系统的支持。电池管理系统(BMS)可以确保电池供电系统的安全性、效率和可靠性。BMS的一个主要功能是电池状态估算，它用于估计电池的一些重要状态，如充电状态(SOC)、健康状态(SOH)和电源状态(SOP)。电池状态估算由几个模块组成，主要可分为两组。第一组负责估算电池参数，如开路电压(OCV)参数、等效电路模型(ECM)参数和电池容量。这些参数可以在线或离线估计，具体取决于软件设计和需求。虽在电池寿命的初始阶离线估算技术比在线估算技术更准确，但随着电池寿命的延长，其参数开始偏离初始值，在线技术则变得更为合适。第二组模块用于估计重要的电池状态，如SOH和SOP。估计SOH和SO的许多技术都依赖于精确的SOC，这突出了在电池状态估计过程中SOC\OCV估算的重要性。然而在电池运行时，可测量的端电压是OCV和电压降的总和。由于在电池运行过程中无法直接测量极化电压降，因此需要长时间，直到消除极化电压降，端电压变为等效于OCV才可以直接测量。目前，有两种现有的方法试图解决这个问题。第一种方法利用等效电路模型，来估计极化效应引起的电压降。然后，通过从端电压中减去该压降，即可计算OCV。过去，人们提出了不同的在线估计方法；由于不需要等到消除极化效应，这些方法可以比离线估计更快。然而，等效电路模型在OCV建模方面存在不足。首先，模型的精度取决于所采用的OCV模型。由于BMS所用微控制器的能力有限，因此只能采用简单的模型来描述OCV，进而导致精度的下降。第二种方式利用电化学模型来估计电池运行中的真实状态。事实上，电化学模型考虑了锂离子的传输、电化学动力学和材料性质，这是从理论上来说是一种理想的选择，因为它们除了能够准确预测开路电压外，还提供了有关内部物理变量的信息。电化学模型的控制方程是一组耦合的非线性偏微分方程，求解这些方程需要相当大的计算能力。为了在实时应用中使用电化学模型，在实际应用中只能降低模型阶数，从而得到降阶模型。这会造成与等效电路模型类似的问题。
技术实现思路
针对上述问题的不足，本专利技术提出一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法及系统，提高SOC估算精度并消除原始模型在局部估算精度丢失的问题。本专利技术的具体实施步骤如下：一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，包括以下步骤：确定被估算对象锂离子电池的OCV-SOC关系；建立气液动力学锂离子电池模型；建立气液动力学模型，使用气液动力学模型模拟气液动力学锂离子电池解析模型，通过气液动力学锂离子电池解析模型计算得到电池端电压值的估算值；建立基于安时积分法的电池SOC估算方程，得到当前实时电池SOC先验估计值；利用滚动时域估计算法对SOC先验估计值进行优化，得到SOC最优估算值。上述方案中，所述确定被估算对象的OCV-SOC关系的步骤包括：对锂离子电池进行多温度下的HPPC充放电实验，实验过程中记录电池每个HPPC脉冲循环搁置末段的电压与SOC的对应数据，再将该数据导入OriginLab中进行数据拟合以获得电池SOC-OCV函数。上述方案中，所述建立气液动力学锂离子电池解析模型的步骤中，所述气液动力学模型包括一个体积为V的储气罐，储气罐内存有体积为Vl的液体，Vl＜V，储气罐内未溶解于液体的理想气体的物质的量为ng，溶解于液体的理想气体的物质的量为nlg，气液系统内部平衡时理想气体的压强为P，储气罐设有管道，管道上设有阀门，储气罐阀门处的压强为Pv，假设气液系统从初始时刻t0到t1时刻保持平衡，在t1时刻打开阀门，此时储气罐内理想气体向外排出，经过时间Δt后到达t2时刻，此时关闭阀门，静置至无穷大的t∞时刻，此时气液系统再次恢复平衡；根据上述假设，在打开阀门前时刻，根据理想气体状态方程和气体间隙填充度方程：P1V＝n1RT1式7式中，P1为气液系统在时刻内部理想气体压强，n1为理想气体在时刻的物质的量，T1为此时系统的热力学温度，R为热力学常数，nlg1为时刻溶解于液体中的理想气体的物质的量，为理想气体分子的有效间隙，bm为理想气体分子的范德华体积；在t2时刻，根据理想气体状态方程和伯努利方程：P2V＝n2RT2式9式中，P2为气液系统在t2时刻内部理想气体压强，n2为理想气体在t2时刻的物质的量，T2为此时系统的热力学温度，Pv2为t2时刻阀门处气体压强，v2为此时气体流速，ρ为理想气体密度，μ为管道阻力系数；在t∞时刻，根据理想气体状态方程和气体间隙填充度方程：P3V＝n3RT3式11式中，P3为气液系统在t∞时刻内部理想气体压强，n3为理想气体在t∞时刻的物质的量，T3为此时系统的热力学温度，nlg3为t∞时刻溶解于液体中的理想气体的物质的量；由于从t1时刻到t2时刻经过的时间极短，假设在此阶段溶解于液体的理想气体的物质的量不变，即nlg1＝nlg2，而从t2时刻到t∞时刻系统处于静置状态，因此存在T2＝T3；根据上述公式(7)～(12)，在气液系统中得到如下状态方程，即气液动力学模型：其中，k1、k2、k3、k4为系统参数，通过参数识别获得，P3为待求的平衡时气体压力。进一步的，所述建立气液动力学锂离子电池解析模型步骤中，将气液动力学模型的气液系统模拟电池系统的充放电以及极化过程，将气液动力学模型应用于电池状态估算，根据式(13)，P2对应U2，Pv2对应Uv2，v对应I，P1对应U1，P3对应U3，得气液动力学锂离子电池解析模型为：其中，I为当前待估算时刻的输入电流，充电为正，放电为负，T1为上一时刻采集的系统的热力学温度，T2为当前时刻系统的热力学温度，k1、k2、k3、k4为系统参数，通过参数识别获得，Uv2为当前时刻电池端电压，U1为上一时刻估算出的电池系统开路电压，U2为中间态电压，U3为当前时刻对应的电池开路电压。上述方案中，所述建立基于安时积分法的电池SOC估算方程步骤中，使用安时积分法建立正向SOC估算方程，即：式中，SOC(t)为t时刻电池的荷电状态，SOC0为安时积分开始时的初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：/n确定被估算对象锂离子电池的OCV-SOC关系；/n建立气液动力学锂离子电池模型：建立气液动力学模型，使用气液动力学模型模拟气液动力学锂离子电池解析模型，通过气液动力学锂离子电池解析模型计算得到电池端电压值的估算值；/n建立基于安时积分法的电池SOC估算方程，得到当前实时电池SOC先验估计值；/n利用滚动时域估计算法对SOC先验估计值进行优化，得到SOC最优估算值。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定被估算对象锂离子电池的OCV-SOC关系；
建立气液动力学锂离子电池模型：建立气液动力学模型，使用气液动力学模型模拟气液动力学锂离子电池解析模型，通过气液动力学锂离子电池解析模型计算得到电池端电压值的估算值；
建立基于安时积分法的电池SOC估算方程，得到当前实时电池SOC先验估计值；
利用滚动时域估计算法对SOC先验估计值进行优化，得到SOC最优估算值。


2.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，其特征在于，所述确定被估算对象的OCV-SOC关系的步骤包括：
对锂离子电池进行多温度下的HPPC充放电实验，实验过程中记录电池每个HPPC脉冲循环搁置末段的电压与SOC的对应数据，再将该数据导入OriginLab中进行数据拟合以获得电池SOC-OCV函数。


3.根据权利要求1所述的基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，其特征在于，所述建立气液动力学锂离子电池解析模型的步骤中，所述气液动力学模型包括一个体积为V的储气罐，储气罐内存有体积为Vl的液体，Vl＜V，储气罐内未溶解于液体的理想气体的物质的量为ng，溶解于液体的理想气体的物质的量为nlg，气液系统内部平衡时理想气体的压强为P，储气罐设有管道，管道上设有阀门，储气罐阀门处的压强为Pv，
假设气液系统从初始时刻t0到t1时刻保持平衡，在t1时刻打开阀门，此时储气罐内理想气体向外排出，经过时间Δt后到达t2时刻，此时关闭阀门，静置至无穷大的t∞时刻，此时气液系统再次恢复平衡；
根据上述假设，在打开阀门前时刻，根据理想气体状态方程和气体间隙填充度方程：
P1V＝n1RT1式7



式中，P1为气液系统在时刻内部理想气体压强，n1为理想气体在时刻的物质的量，T1为此时系统的热力学温度，R为热力学常数，n1g1为时刻溶解于液体中的理想气体的物质的量，为理想气体分子的有效间隙，bm为理想气体分子的范德华体积；
在t2时刻，根据理想气体状态方程和伯努利方程：
P2V＝n2RT2式9



式中，P2为气液系统在t2时刻内部理想气体压强，n2为理想气体在t2时刻的物质的量，T2为此时系统的热力学温度，Pv2为t2时刻阀门处气体压强，v2为此时气体流速，ρ为理想气体密度，μ为管道阻力系数；
在t∞时刻，根据理想气体状态方程和气体间隙填充度方程：
P3y＝n3RT3式11



式中，P3为气液系统在t∞时刻内部理想气体压强，n3为理想气体在t∞时刻的物质的量，T3为此时系统的热力学温度，nlg3为t∞时刻溶解于液体中的理想气体的物质的量；
由于从t1时刻到t2时刻经过的时间极短，假设在此阶段溶解于液体的理想气体的物质的量不变，即nlg1＝nlg2，而从t2时刻到t∞时刻系统处于静置状态，因此存在T2＝T3；
根据上述公式(7)～(12)，在气液系统中得到如下状态方程，即气液动力学模型：



其中，k1、k2、k3、k4为系统参数，通过参数识别获得，P3为待求的平衡时气体压力。


4.根据权利要求3所述的基于滚动时域估计的SOC在线估算方法，其特征在于，所述建立气液动力学锂离子电池解析模型步骤中，将气液动力学模型的气液系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙化阳，栗欢欢，王亚平，江浩斌，陈龙，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32