基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法技术

本申请提出一种基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法，包括：S1：获取初始荷电状态和恒定幅值的电流序列；S2：获取电池初始状态信息，根据锂离子电池电化学模型仿真获得预设时间周期内每一时刻的电池端口电压；S3：根据电池端口电压和电流序列幅值得到初始荷电状态对应的端口功率；S4：调整初始荷电状态和电流序列幅值，重复步骤S1

【技术实现步骤摘要】
基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法


[0001]本申请涉及锂离子电池能量管理运行
，尤其涉及基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法和装置。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为灵活、高效、安全的储能介质，广泛应用于电力、交通等业务领域。在锂离子电池能量管理运行过程中，电池荷电状态是管理者所关注的关键信息之一。为了获得精确的荷电状态描述，以满足锂离子电池高效运行要求，需要利用电化学模型考虑电池时变端口电压特性。而在时变端口特性表征过程中，不仅需要保证其精确度，还应在实际应用中考虑荷电状态更新的计算效率。
[0003]目前，锂离子电池模型在工程应用中主要可分为四类：水箱模型、等效电路模型、基于数据驱动的黑箱模型、基于化学反应机理的电化学模型。其中，水箱模型和等效电路模型在工程中应用最为广泛，其荷电状态更新过程中电池电压由制造商确定或测量，并视为常数，例如来自麻省理工大学和阿贡国家实验室的学者在研究电池在微网中的套利能力时采用等效电路模型，将电池电压视为恒定值，利用端口功率直接进行荷电状态更新。对于电化学模型和黑箱模型，一般在连续时序仿真中利用状态估计的方法获得荷电状态，例如来自北京理工大学和密歇根大学的学者在电化学模型中利用联合状态估计的方法确定电池当前荷电状态。然而，将电池端口电压视为恒定值，本质上是忽略了电池运行过程中端口电压关于电池荷电状态的变化，导致荷电状态更新过程中误差较大。而利用连续时序仿真中的状态估计方法确定荷电状态，则要重复求解计算电化学模型中非线性高阶微分状态方程，需要大量的计算资源，运算效率较低，难以适应较长时段内的电池能量管理运行。

技术实现思路

[0004]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本申请的第一个目的在于提出一种基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法，解决了现有方法的锂离子电池荷电状态更新精度和效率互斥的技术问题，利用锂离子电池电化学模型外特性仿真精度高的特点，在不增加计算复杂度的情况下考虑电池时变端口电压对荷电状态更新的影响，实现了在已知电池功率、荷电状态的情况下，无需进行连续时序仿真，完成对电池荷电状态的更新，提高了电化学模型在功率应用场景下的计算效率，拓展了电化学模型在工程中的应用场景。
[0006]本申请的第二个目的在于提出一种基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新装置。
[0007]本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
[0008]为达上述目的，本申请第一方面实施例提出了一种基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法，包括：S1：获取电池的初始荷电状态和恒定幅值的电流序列；S2：获取电池初始状态信息，根据电池初始状态信息和锂离子电池电化学模型仿真，获得预
设时间周期内每一时刻的电池端口电压；S3：根据电池端口电压和电流序列幅值，计算得到初始荷电状态对应的端口功率；S4：调整初始荷电状态和电流序列幅值，重复步骤S1
‑
S3，分别得到多个不同的初始荷电状态和电流序列幅值所对应的端口功率，根据端口功率，获得电流幅值
‑
荷电状态
‑
端口功率曲面；S5：将电流幅值
‑
荷电状态
‑
端口功率曲面拟合为平面方程；S6：根据端口功率和荷电状态，利用平面方程获取端口功率和荷电状态对应的电流幅值，并根据电流幅值和预设时间周期进行荷电状态更新。
[0009]可选地，在本申请的一个实施例中，电池初始状态信息，包括：电极活性材料表面锂浓度、电极活性材料平均锂浓度、电极电解质锂浓度、电池温度初值。
[0010]可选地，在本申请的一个实施例中，根据电池初始状态信息和锂离子电池电化学模型仿真，获得预设时间周期内每一时刻的电池端口电压，包括：
[0011]获取恒定幅度的电池环境温度序列，电池环境温度序列包括预设时间周期内每一时刻的电池环境温度，
[0012]预设时间周期起始时刻，根据上一时刻电极电解质锂浓度、电极活性材料平均锂浓度和电池温度，更新当前时刻参数向量：
[0013]θ(k+1)＝f
θ
(c
e
(k)，c
s，av
(k)，T
b
(k))
[0014]其中，θ(k+1)为当前时刻参数向量，f
θ
为参数更新函数，c
e
(k)为上一时刻电极电解质锂浓度，c
s,av
(k)为上一时刻电极活性材料平均锂浓度，T
b
(k)为上一时刻电池温度；
[0015]根据上一时刻电极电解质锂浓度、电极活性材料表面锂浓度、电池温度、端口电流和当前时刻参数向量，更新当前时刻反应电流强度：
[0016]j
n
(k+1)＝f
j
(c
e
(k)，c
s，surf
(k)，T
b
(k)，I(k)，θ(k+1))
[0017]其中，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，f
j
为反应电流更新函数，c
e
(k)为上一时刻电极电解质锂浓度，c
s,surf
(k)为上一时刻电极活性材料表面锂浓度，T
b
(k)为上一时刻电池温度，I(k)为上一时刻端口电流，θ(k+1)为当前时刻参数向量；
[0018]根据当前时刻反应电流强度和参数向量，更新当前时刻电极表面电势差：
[0019]φ
se
(k+1)＝f
φ
(j
n
(k+1)，θ(k+1))
[0020]其中，φ
se
(k+1)为当前时刻电极表面电势差，f
φ
为电极表面电势差更新函数，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，θ(k+1)为当前时刻参数向量；
[0021]根据上一时刻电极活性材料平均锂浓度、电极活性材料表面锂浓度、当前时刻反应电流强度、当前时刻参数向量和采样间隔，更新当前时刻电极活性材料锂浓度：
[0022]c
s，av
(k+1)＝f
av
(c
s，av
(k)，c
s，surf
(k)，j
n
(k+1)，θ(k+1)，Δt)
[0023]c
s，surf
(k+1)＝f
surf
(c
s，av
(k)，c
s，surf
(k)，j
n
(k+1)，θ(k+1)，Δt)
[0024]其中，c
s，av
(k+1)为当前时刻电极活性材料平均锂浓度，f
av
为电极活性材料平均锂浓度更新函数，c
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于锂离子电池电化学模型功率特性的荷电状态更新方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：获取电池的初始荷电状态和恒定幅值的电流序列；S2：获取电池初始状态信息，根据所述电池初始状态信息和锂离子电池电化学模型仿真，获得预设时间周期内每一时刻的电池端口电压；S3：根据所述电池端口电压和电流序列幅值，计算得到所述初始荷电状态对应的端口功率；S4：调整所述初始荷电状态和所述电流序列幅值，重复步骤S1
‑
S3，分别得到多个不同的初始荷电状态和电流序列幅值所对应的端口功率，根据所述端口功率，获得电流幅值
‑
荷电状态
‑
端口功率曲面；S5：将所述电流幅值
‑
荷电状态
‑
端口功率曲面拟合为平面方程；S6：根据端口功率和荷电状态，利用所述平面方程获取所述端口功率和荷电状态对应的电流幅值，并根据所述电流幅值和所述预设时间周期进行荷电状态更新。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池初始状态信息，包括：电极活性材料表面锂浓度、电极活性材料平均锂浓度、电极电解质锂浓度、电池温度初值。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述电池初始状态信息和锂离子电池电化学模型仿真，获得预设时间周期内每一时刻的电池端口电压，包括：获取恒定幅度的电池环境温度序列，电池环境温度序列包括预设时间周期内每一时刻的电池环境温度，预设时间周期起始时刻，根据上一时刻电极电解质锂浓度、电极活性材料平均锂浓度和电池温度，更新当前时刻参数向量：θ(k+1)＝f
θ
(c
e
(k)，c
s，av
(k)，T
b
(k))其中，θ(k+1)为当前时刻参数向量，f
θ
为参数更新函数，c
e
(k)为上一时刻电极电解质锂浓度，c
s，av
(k)为上一时刻电极活性材料平均锂浓度，T
b
(k)为上一时刻电池温度；根据上一时刻电极电解质锂浓度、电极活性材料表面锂浓度、电池温度、端口电流和当前时刻参数向量，更新当前时刻反应电流强度：j
n
(k+1)＝f
j
(c
e
(k)，c
s，surf
(k)，T
b
(k)，I(k)，θ(k+1))其中，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，f
j
为反应电流更新函数，c
e
(k)为上一时刻电极电解质锂浓度，c
s，surf
(k)为上一时刻电极活性材料表面锂浓度，T
b
(k)为上一时刻电池温度，I(k)为上一时刻端口电流，θ(k+1)为当前时刻参数向量；根据当前时刻反应电流强度和参数向量，更新当前时刻电极表面电势差：φ
se
(k+1)＝f
φ
(j
n
(k+1)，θ(k+1))其中，φ
se
(k+1)为当前时刻电极表面电势差，f
φ
为电极表面电势差更新函数，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，θ(k+1)为当前时刻参数向量；根据上一时刻电极活性材料平均锂浓度、电极活性材料表面锂浓度、当前时刻反应电流强度、当前时刻参数向量和采样间隔，更新当前时刻电极活性材料锂浓度：c
s，av
(k+1)＝f
av
(c
s，av
(k)，c
s，surf
(k)，j
n
(k+1)，θ(k+1)，Δt)c
s，surf
(k+1)＝f
surf
(c
s，av
(k)，c
s，surf
(k)，j
n
(k+1)，θ(k+1)，Δt)其中，c
s，av
(k+1)为当前时刻电极活性材料平均锂浓度，f
av
为电极活性材料平均锂浓度
更新函数，c
s，av
(k)为上一时刻电极活性材料平均锂浓度，c
s，surf
(k)为上一时刻电极活性材料表面锂浓度，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，θ(k+1)为当前时刻参数向量，Δt为采样间隔，c
s，surf
(k+1)为当前时刻电极活性材料表面锂浓度，f
surf
为电极活性材料表面锂浓度更新函数，c
s，av
(k)为上一时刻电极活性材料平均锂浓度，c
s，surf
(k)为上一时刻电极活性材料表面锂浓度，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，θ(k+1)为当前时刻参数向量，Δt为采样间隔；根据上一时刻电极电解质锂浓度、端口电流和当前时刻参数向量及采样间隔，更新当前时刻电极电解质锂浓度：c
e
(k+1)＝f
e
(c
e
(k)，I(k)，θ(k+1)，Δt)其中，c
e
(k+1)为当前时刻电极电解质锂浓度，f
e
为电极电解质锂浓度更新函数，c
e
(k)为上一时刻电极电解质锂浓度，I(k)为上一时刻端口电流，θ(k+1)为当前时刻参数向量，Δt为采样间隔；根据当前时刻电极电解质锂浓度、电极活性材料表面锂浓度、反应电流强度、参数向量和上一时刻电池温度、端口电流，获得当前时刻电池端口电压V和电池内电势差U：V(k+1)＝f
V
(c
e
(k+1)，c
s，surf
(k+1)，j
n
(k+1)，T
b
(k)，I(k)，θ(k+1))U(k+1)＝f
U
(c
e
(k+1)，c
s，surf
(k+1)，j
n
(k+1)，T
b
(k)，I(k)，θ(k+1))其中，V(k+1)为当前时刻电池端口电压，f
V
为电池端口电压更新函数，c
e
(k+1)为当前时刻电极电解质锂浓度，c
s，surf
(k+1)为当前时刻电极活性材料表面锂浓度，j
n
(k+1)为当前时刻反应电流强度，T
b
(k)为上一时刻电池温度，I(k)为上一时刻端口电流，θ(k+1)为当前时刻参数向量，U(k+1)为当前时刻电池内电势差，f
U
为电池内电势差更新函数，c
e
(k+1)为当前时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈启鑫，陈远博，顾宇轩，郭鸿业，郑可迪，吕睿可，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：