一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法，具体步骤为：建立电池的二阶RC等效电路模型，提出一种拟合

【技术实现步骤摘要】
一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法


[0001]本专利技术设计电池
，更具体地说，具体为一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法。

技术介绍

[0002]新能源汽车运行安静舒适，节能减排，成本低廉，符合绿色可持续发展的趋势，因此，近年来在市场上得到快速普及。而新能源汽车的发展又依托于储能电池技术，锂离子电池是其中的佼佼者。它是一种二次电池，具有循环寿命长、能量密度高、自放电率低等优点，例如：三元里电池LiNiCoMnO2、钴酸锂电池LiCoO2等。
[0003]电池电荷状态SOC(state of charge)能够描述电池剩余容量，是电池管理系统中重要的指标。通过测量电池的外部特性状态，高精度、鲁棒性地估算电池SOC带来的好处：减少过充放电带来的伤害；延长电池寿命；提升汽车电池系统的可靠性和安全性，提升里程数。现有的电池SOC估计方法大致分为以下四大类：(1)传统电池估计方法，安时积分法、开路电压法等；(2)基于参数模型的方法，电化学模型法、等效电路模型法等；(3)数据驱动的方法，神经网络、机器学习等；(4)滤波估计类方法，卡尔曼滤波法、粒子滤波族类等。
[0004]由于新能源汽车的驾驶环境与驾驶工况复杂多变，给电池SOC的精确估算带来极大挑战，因此电池SOC估算精度存在以下问题：电池在温度多变的场景下，开路电压特性存在较大波动，导致SOC估算稳定性差；锂离子电池的非线性化程度相比其他电池较高，广泛应用的卡尔曼滤波算法在估算SOC时会引入线性简化误差；随着电池循环次数的增加，电池逐渐老化也会影响电池的规律特性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于改善现有电池SOC估计的精度和鲁棒性问题，提供一种基于布谷鸟算法的SOC估计算法。在考虑电池SOC估算方法考虑锂离子电池在复杂工况和多变环境的条件下，包括：环境温度，充放电倍率和电池老化程度动态变化，保证SOC估算的鲁棒性与精度。
[0006]本专利技术提出的一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法，其特征在于，从改善开路电压估算鲁棒性、模型参数精度、避免引入线性化误差三个角度入手，保证电池在温度、充放电倍率多变的复杂工况下，提升电池SOC的实时估算精度，具体步骤如下：
[0007](S1)，采用二阶RC等效电路模型(2RC ECM)作为锂离子电池模型，建立连续系统状态空间表达式：
[0008]设计锂离子电池特性数据采集试验，提出一种拟合
‑
插值的方法建立OCV
‑
SOC
‑
T的映射关系表达式；通过分析锂离子电池特性数据建立包含温度、充放电倍率和电池循环寿命修正系数的SOC表达式；建立锂离子电池模型的连续系统状态空间表达式，并离散化成递推的状态方程和观测方程；
[0009](S2)，二阶RC等效电路模型参数的在线辨识：
[0010]采用布谷鸟算法迭代优化目标函数，获得最优化的模型初始参数；代入优化后的模型初始参数，递推辨识过程采用基于遗忘因子的递推最小二乘法FFRLS，实现高精度的在线参数辨识；
[0011](S3)，基于无迹卡尔曼滤波算法UKF的实时锂离子电池SOC估算：
[0012]代入从步骤(S2)实时获得的模型辨识参数，完善系统非线性的过程函数和观测函数，通过无迹变换避免引入线性近似误差，最终实现SOC的高精度估计。
[0013]本专利技术中，所述步骤(S1)具体操作如下：
[0014](S11)，采用二阶RC等效电路模型(2RC ECM)模拟锂离子电池电化学充放电过程，该二阶RC等效电路模型能在模拟精度和计算量二者中达到较好的平衡，利用该二阶RC等效电路建立连续系统状态空间表达式；
[0015](S12.1)，以温度、充放电倍率和电池循环寿命为变量因素，获取锂离子电池的开路电压特性和SOC表达式；
[0016](S12.2)，根据设计锂离子电池OCV
‑
SOC
‑
T拟合特性数据的采集试验，提出一种拟合
‑
插值的映射方法，建立开路电压
‑
SOC
‑
温度的映射表达式；首先，使用最小二乘法拟合10阶多项式OCV
‑
SOC函数：
[0017][0018]然后，引入3次B样条插值方法，对不同温度T下的开路电压结果进行插值，完成OCV
‑
SOC
‑
T的曲面数值映射，映射公式如下：
[0019][0020]其中：E(T)是4
╳
8的矩阵，E
i,j+i
‑1＝1(i＝1,2,3,4)，其中j等于温度T所在的温度区间序号，其余元素为0；M是3次B样条曲线插值矩阵，G表示控制点到型值点的转化矩阵，最后以U
oc
(SOC,T)的函数关系代入；
[0021](S12.3)，引入η
i
库伦效率系数、η
T
温度衰减系数、η
c
电池循环寿命系数来修正SOC表达式，增加鲁棒性，修正后的锂离子电池SOC表达式如下：
[0022][0023](S13)，将上述步骤得到的电池特性函数U
oc
(SOC,T)和SOC(t)代入连续系统状态空间表达式中，离散化后得到递推的状态方程和观测方程。
[0024]本专利技术中，步骤(S12.2)提出的一种拟合
‑
插值方法用于开路电压映射，该方法的插值部分采用3次B样条插值方法，其中，映射公式中的系数矩阵为：
[0025][0026]插值算法的阶数不局限，只需保证插值曲线的型值点来自足够数量、不同温度下的OCV
‑
SOC拟合曲线；为提高插值的精度和平滑度可以引入5次B样条插值方法，甚至其他插值算法。
[0027]本专利技术中，步骤(S12.3)中设计SOC电学特性数据采集试验，并提出加入的三项修正系数的SOC安时积分表达式，修正系数包括：温度修正系数、充放电倍率系数和电池循环寿命系数，具体拟合公式如下：
[0028]η表示电池的综合充放电效率；根据影响因素的实际采样数据集，温度修正系数拟合采用五次多项式：充放电倍率系数拟合采用三次多项式：电池循环寿命系数拟合采用线性多项式：ηc＝kN；
[0029]其中：T表示充放电温度；C表示充放电倍率；N表示电池循环次数；各式的k
i
表示第i阶多项式系数。
[0030]本专利技术中，步骤(S2)具体操作如下：
[0031]步骤(S21)设定待优化的目标函数F
obj
(θ0)，其中自变量(即优化对象)为锂离子电池等效模型参数矢量，采用布谷鸟算法迭代优化目标函数，得到端电压U
t
估计误差平方和最小时的模型初始参数；迭代更新公式如下：
[0032][0033]式中：表示第i个鸟巢的第t代位置(待优化矢量值)，α
A
表示步长系数，L
é本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法，其特征在于，从改善开路电压估算鲁棒性、提升模型参数精度、避免引入线性化误差三个角度入手，保证电池在温度、充放电倍率多变的复杂工况下，提升电池SOC的实时估算精度，具体步骤如下：(S1)，采用二阶RC等效电路模型(2RC ECM)作为锂离子电池模型，建立连续系统状态空间表达式：设计锂离子电池特性数据采集试验，提出一种拟合
‑
插值的方法建立OCV
‑
SOC
‑
T的映射关系表达式；通过分析锂离子电池特性数据建立包含温度、充放电倍率和电池循环寿命修正系数的SOC表达式；建立锂离子电池模型的连续系统状态空间表达式，并离散化成递推的状态方程和观测方程；(S2)，二阶RC等效电路模型参数的在线辨识：采用布谷鸟算法迭代优化目标函数，获得最优化的模型初始参数；代入优化后的模型初始参数，递推辨识过程采用基于遗忘因子的递推最小二乘法FFRLS，实现高精度的在线参数辨识；(S3)，基于无迹卡尔曼滤波算法UKF的实时锂离子电池SOC估算：代入从步骤(S2)实时获得的模型辨识参数，完善系统非线性的过程函数和观测函数，通过无迹变换避免引入线性近似误差，最终实现SOC的高精度估计。2.根据权利要求1所述的一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法，其特征在于，所述步骤(S1)具体操作如下：(S11)，采用二阶RC等效电路模型(2RC ECM)模拟锂离子电池电化学充放电过程，该二阶RC等效电路模型能在模拟精度和计算量二者中达到较好的平衡，利用该二阶RC等效电路建立连续系统状态空间表达式；(S12.1)，以温度、充放电倍率和电池循环寿命为变量因素，获取锂离子电池的开路电压特性和SOC表达式；(S12.2)，根据设计锂离子电池OCV
‑
SOC
‑
T拟合特性数据的采集试验，提出一种拟合
‑
插值的映射方法，建立开路电压
‑
SOC
‑
温度的映射表达式；首先，使用最小二乘法拟合10阶多项式OCV
‑
SOC函数：然后，引入3次B样条插值方法，利用双因素实验数据，对不同温度T下的OCV
‑
SOC结果进行插值，完成OCV
‑
SOC
‑
T光滑曲面的数值映射，完整映射公式如下：其中：E(T)是4
╳
8的矩阵，E
i,j+i
‑1＝1(i＝1,2,3,4)，其中j等于温度T所在的温度区间序号，其余元素为0；M是3次B样条曲线插值矩阵，G表示控制点到型值点的转化矩阵，最后以U
oc
(SOC,T)的函数关系代入；(S12.3)，引入η
i
库伦效率系数、η
T
温度衰减系数、η
c
电池循环寿命系数来修正SOC表达
式，增加鲁棒性，修正后的锂离子电池SOC表达式如下：(S13)，将上述步骤得到的电池特性函数U
oc
(SOC,T)和SOC(t)代入2RC ECM连续系统状态空间表达式中，离散化后得到递推的状态方程和观测方程。3.根据权利要求2所述的一种基于布谷鸟算法的电池SOC估算方法，其特征在于，步骤(S12.2)提出的一种拟合
‑
插值方法用于开路电压映射，该方法的插值部分采用3次B样条插值方法，其中，映射公式中的系数矩阵为：插值算法的阶数不局限，只需保证插值曲线的型值点来自足够数量、不同温度下的OCV
‑
SOC拟合曲线；为提高插值...

【专利技术属性】
技术研发人员：张怀，
申请(专利权)人：芜湖楚睿智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：