本發(fā)明涉及一種動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法，該方法在現(xiàn)有電池等效模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)并提出S-ECM(Special-Equivalent Circuit Model)模型，通過增加并聯(lián)內(nèi)阻以表征自放電效應(yīng)，通過串有反向二極管的并聯(lián)電阻以表征充放電內(nèi)阻差異，通過并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池工作過程的準(zhǔn)確描述。該方法通過改進(jìn)卡爾曼估算過程提出RP-UKF(Reduced Particle-Unscented Kalman Filter)估算模型，融入改進(jìn)后電池等效模型狀態(tài)空間方程以提高計(jì)算效率，通過精簡粒子濾波優(yōu)化線性化處理過程以消除估算偏移，通過平衡狀態(tài)SOB(State ofBalance)反饋修正提高成組SOC估算精度。該方法是一種基于現(xiàn)代控制理論的動(dòng)力鋰離子電池組SOC值在線估算方法，屬于新能源測控領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、容量大和自放電率小等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用于動(dòng)力能量供應(yīng)領(lǐng)域。然而，鋰離子電池動(dòng)力成組應(yīng)用的安全問題備受關(guān)注，其中不合理的能量管理將直接影響其容量使用效率和壽命，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。在整個(gè)鋰離子電池組生命周期中，配套BMS設(shè)備中的核心參數(shù)SOC控制將影響動(dòng)力供能效果，因此，實(shí)時(shí)估算SOC值并評(píng)估整個(gè)鋰離子電池組的工作性能是非常必要的。狀態(tài)參數(shù)SOC值是以鋰離子電池組為基礎(chǔ)的大功率儲(chǔ)供能系統(tǒng)的重要因素，無論在各種能量供應(yīng)動(dòng)力應(yīng)用中，該參數(shù)的在線估算都是其配套BMS能量管理中不可或缺的一部分。

鋰離子是目前領(lǐng)先的電池技術(shù)，由于其復(fù)雜的反應(yīng)，需要可靠的配套BMS設(shè)備，其中SOC的估算至關(guān)重要。由于可靠的SOC估算的必要性和緊迫性需求，圍繞鋰離子電池組應(yīng)用中的SOC估算問題，近年來相關(guān)科研工作者做了大量研究工作，有效提高了其使用過程中的安全性和能量利用效率。由于SOC是電池的內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)，無法通過直接測量得到，只有通過測量電壓、電流和溫度等參數(shù)進(jìn)行間接估算。目前，國內(nèi)外相關(guān)研究工作者在電池SOC估算方面取得了一定研究進(jìn)展，提出了安時(shí)積分(Ampere hour，Ah)法、開路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)法、卡爾曼濾波(Kalman Filter，KF)及其擴(kuò)展算法、粒子濾波(Particle Filter，PF)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network，NN)等估算方法。由于受充放電電流、溫度、內(nèi)阻、自放電、老化等諸多因素影響，尚無準(zhǔn)確度高的方法實(shí)現(xiàn)SOC在線估算，動(dòng)力鋰離子電池組仍然缺少有效的系統(tǒng)化方法用于SOC估算。

構(gòu)建具有在線SOC估算模型，運(yùn)用基于電池等效模擬的多元參數(shù)估算理論成為鋰離子電池組SOC準(zhǔn)確估算的重要途徑，在提高精度和降低計(jì)算量間尋求最佳平衡點(diǎn)，不斷優(yōu)化和改進(jìn)。通過在國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局庫中查詢與本項(xiàng)目相關(guān)的發(fā)明專利，已有專利只針對(duì)鋰離子電池單體SOC估算做出申請(qǐng)，關(guān)于鋰離子電池動(dòng)力成組SOC估算未見報(bào)道。通過查閱國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)鋰離子電池組SOC估算問題，未有明確系統(tǒng)化估算方法和全面有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有方法的不足，提供一種動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法，解決鋰離子電池動(dòng)力成組應(yīng)用的SOC準(zhǔn)確估算問題。

本發(fā)明主要通過工作特性實(shí)驗(yàn)獲得電池開路電壓、溫度和工作電流等關(guān)鍵因素變化規(guī)律，使用現(xiàn)代控制理論思想，利用電池特性的電子元器件等效模擬，改進(jìn)現(xiàn)有電池等效模型，通過增加電阻和電容增強(qiáng)特征描述的方式提出S-ECM模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池特性的準(zhǔn)確模型表達(dá)；構(gòu)建RP-UKF估算模型，改善卡爾曼估計(jì)流程，結(jié)合S-ECM狀態(tài)空間描述，利用精簡粒子處理優(yōu)化線性化處理機(jī)制，結(jié)合工作電壓反饋和平衡狀態(tài)SOB計(jì)算，解決單體間不平衡對(duì)估算的影響，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池組SOC在線準(zhǔn)確估算。

本發(fā)明是基于等效電路模型和卡爾曼濾波算法相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力鋰離子電池組SOC在線估算方法，具有較強(qiáng)的環(huán)境適用性。針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池工作特征，本發(fā)明進(jìn)行針對(duì)性等效電路模型S-ECM構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)電池工作過程的準(zhǔn)確表達(dá)。本發(fā)明電池等效模型S-ECM中電動(dòng)勢來源于理想電壓源U_OC，兩端增加并聯(lián)大電阻R_S以表征自放電效應(yīng)，通過串聯(lián)內(nèi)阻R_Ω表征歐姆效應(yīng)，利用一階RC并聯(lián)電路表征極化效應(yīng)，增加并聯(lián)電容C_e以描述表面效應(yīng)，改進(jìn)增加串有反向二極管的電阻R_d和R_c并聯(lián)電路以表征充放電內(nèi)阻差異，進(jìn)一步提高了工作狀態(tài)描述的準(zhǔn)確性；本發(fā)明構(gòu)建精簡粒子無跡卡爾曼濾波器RP-UKF，進(jìn)行動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算遞歸運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)單體間平衡狀態(tài)SOB影響下成組SOC值綜合求取。針對(duì)動(dòng)力工況特點(diǎn)，本發(fā)明RP-UKF估算模型在卡爾曼估計(jì)算法基礎(chǔ)上，通過前端融入精簡粒子變換過程，改進(jìn)了線性化處理機(jī)制，解決了泰勒級(jí)數(shù)展開高階項(xiàng)丟失引發(fā)的估算偏移問題；針對(duì)成組工作單體間不一致性問題，本發(fā)明RP-UKF估算模型后端融入單體間平衡狀態(tài)SOB影響，綜合求取鋰離子電池動(dòng)力成組工作綜合SOC值，進(jìn)一步提高估算精度。本發(fā)明可對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組SOC值進(jìn)行在線準(zhǔn)確估算，具有計(jì)算簡潔、工況適應(yīng)性好和精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)合S-ECM模型和RP-UKF算法的SOC估算結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的動(dòng)力鋰離子電池組的SOC估算模型實(shí)施例示意圖；

圖3本發(fā)明的動(dòng)力鋰離子電池OCV-SOC關(guān)系曲線圖；

圖4是本發(fā)明的不同倍率放電電壓特性曲線圖；

圖5是本發(fā)明的不同溫度放電容量變化特性圖。

具體實(shí)施方式

以下將對(duì)本發(fā)明的結(jié)合S-ECM模型和RP-UKF算法的動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法結(jié)合附圖作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。本發(fā)明針對(duì)鋰離子電池動(dòng)力成組應(yīng)用時(shí)SOC估算問題，運(yùn)用S-ECM模擬電池工作過程并構(gòu)建狀態(tài)空間方程，通過RP-UKF實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算，利用平衡狀態(tài)SOB反饋修正估算過程，構(gòu)造SOC估算模型系統(tǒng)方案。為了更好的體現(xiàn)本發(fā)明，在本實(shí)施例中僅以航空鋰離子電池組為例進(jìn)行說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該熟知，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想可以實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)力鋰離子電池組的SOC估算。以下對(duì)動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。

參見圖1，本發(fā)明的動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法中所用的S-ECM模型具有：電壓源等效U_OC，表征電池開路電壓；兆歐級(jí)大電阻R_S，表征電池自放電效應(yīng)；毫歐級(jí)小電阻R_Ω，表征電池歐姆內(nèi)阻；R_P為電池極化電阻，C_P為電池極化電容，R_P和C_P的并聯(lián)電路反應(yīng)電池極化過程的產(chǎn)生和消除；U_L為電池與外電路接通后的端電壓；參數(shù)R_d是放電時(shí)的放電內(nèi)阻，表征在放電時(shí)鋰離子電池單體所表現(xiàn)出的內(nèi)阻差異，參數(shù)R_c是充電時(shí)的充電內(nèi)阻，表征在放電時(shí)鋰離子電池單體所表現(xiàn)出的內(nèi)阻差異；C_e是電池的表面效應(yīng)電容。針對(duì)S-ECM電路結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用電路學(xué)分析方法，設(shè)C_e上的壓降為V_Ce，U_OC是開路電壓，當(dāng)電池開路時(shí)有U_OC＝V_Ce＝U_L，根據(jù)模型和基爾霍夫定律，電池在放電時(shí)的狀態(tài)方程如下式所示。

在鋰離子電池處于充電狀態(tài)時(shí)，各電路元器件端電壓間的表征關(guān)系如下式所示，其他方程結(jié)構(gòu)不變。

U_L＝U_OC(SOC)-i(t)R_Ω-U_p-i(t)R_d (2)

通過使用所獲得的充放電過程狀態(tài)空間模型，可以確立估算過程的基礎(chǔ)方程構(gòu)架，結(jié)合圖1中模塊化SOC估算計(jì)算處理過程，用于后續(xù)的SOC估算研究。

參見圖2，本發(fā)明的動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算方法中所用的RP-UKF算法具有以下各子計(jì)算處理模塊，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下所述。首先，步驟1中，測量工作電流和溫度信號(hào)作為SOC估算系統(tǒng)的輸入，參數(shù)I為工作電流，采用1C₅A電流進(jìn)行放電，在本實(shí)施例中，針對(duì)額定容量為45Ah的航空鋰離子電池組，選用均值為45方差為1并符合高斯分布的放電電流；參數(shù)T代表工作溫度，應(yīng)考慮動(dòng)力鋰離子電池組在充放電過程中的發(fā)熱現(xiàn)象以及良好的散熱條件，在本實(shí)施例中，選取動(dòng)力鋰離子電池組工作溫度均值為35℃方差為1的隨機(jī)溫度信號(hào)。

之后是步驟2，設(shè)定狀態(tài)空間方程系數(shù)，通過設(shè)計(jì)模塊P為參數(shù)輸入矩陣子模塊實(shí)現(xiàn)集成化參數(shù)矩陣輸入，各參數(shù)的求取過程通過圖3中OCV-SOC關(guān)系曲線進(jìn)行多項(xiàng)式曲線擬合方式實(shí)現(xiàn)；橫軸代表SOC值，縱軸代表OCV值，通過間歇放電與擱置的方式，實(shí)現(xiàn)其關(guān)系離散點(diǎn)的獲取，通過曲線擬合的方式，獲得二者準(zhǔn)確關(guān)系。通過獲得電池的開路電壓OCV與電池的荷電狀態(tài)SOC之間的關(guān)系即OCV-SOC曲線，實(shí)現(xiàn)SOC估算準(zhǔn)確的初始參數(shù)設(shè)定與修正，通過以下方式來考察電池的開路電壓和荷電狀態(tài)之間的關(guān)系：①以1C₅A電流進(jìn)行預(yù)放電至放電截止電壓，在本實(shí)施例中，選取放電截至電壓為2.8V；②靜置1小時(shí)；③以0.2C₅A恒流充電至充電截至電壓，在本實(shí)施例中，選取充電截至電壓為4.15V，然后進(jìn)行恒壓補(bǔ)充電至電流降低至補(bǔ)充電截至電流，在本實(shí)施例中，選取補(bǔ)充電截至電流為2.5A；④靜置1小時(shí)；⑤以1C₅A電流放電12min；⑥靜置1小時(shí)，記錄OCV值；⑦跳轉(zhuǎn)⑤，循環(huán)操作5次；⑧以0.2C₅A恒流充電至4.15V，然后進(jìn)行恒壓補(bǔ)充電至電流降低為2.5A。通過上述步驟獲得OCV-SOC曲線如圖3所示。

接著繼續(xù)步驟3，設(shè)定動(dòng)力鋰離子電池組額定容量并實(shí)現(xiàn)工作電流庫倫效率修正，參數(shù)Qn表示航空鋰離子電池組的額定容量，在本實(shí)施例中，選用實(shí)驗(yàn)樣本額定容量為45Ah；模塊C_E為庫倫效率修正子模塊，輸入為實(shí)時(shí)工作電流參數(shù)I和工作溫度參數(shù)T，輸出參數(shù)η為庫倫效率；針對(duì)電流I的處理過程中，進(jìn)行不同工作電流修正處理，在本實(shí)施例中，首先對(duì)工作電流取絕對(duì)值A(chǔ)bs(*)處理，然后按照方程Fcn1＝(3.905*u(1)*u(1)-123.6*u(1)+15033)/14967進(jìn)行處理，該方程的曲線擬合及辨識(shí)通過圖4不同倍率放電電壓特性曲線擬合獲得；針對(duì)溫度T的處理過程，由于高度非線性特征，需要進(jìn)行不同環(huán)境溫度修正處理，在本實(shí)施例中，該關(guān)系的求取通過方程Fcn2＝-0.00000003637*u(1)*u(1)*u(1)*u(1)+0.000003521*u(1)*u(1)*u(1)-0.0001373*u(1)*u(1)+0.006311*u(1)+0.8873實(shí)現(xiàn)，該方程的獲取通過圖5放電容量變化特性曲線分析，進(jìn)行曲線擬合和參數(shù)辨識(shí)方式獲得；輸出η通過兩方程的乘積求?。害牵紽cn1*Fcn2，同時(shí)，通過觀測示波器Scope實(shí)現(xiàn)其變化規(guī)律的在線監(jiān)測。

接著繼續(xù)步驟4，進(jìn)行動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算過程的修正處理，模塊Meas為融合觀測方程的修正過程，通過把參數(shù)η、I、Q_n、E₀、R、K₁、K₂、K₃和K₄作為輸入，實(shí)現(xiàn)SOC估算及其誤差協(xié)方差Error_Cov計(jì)算；輸入信號(hào)I表示工作電流，符號(hào)η表示庫倫效率，參數(shù)Q_n表示額定容量C，參數(shù)ΔT表示采樣時(shí)間間隔，在本實(shí)施例中，設(shè)定參數(shù)ΔT＝0.001；通過方程Fcn1＝u(1)*u(4)/(u(3)*u(2))求取預(yù)測狀態(tài)參數(shù)X(k+1)的一部分因子；通過一階滯后過程Unit Delay求取k時(shí)刻的狀態(tài)變量X(k)，并用于k+1時(shí)刻的狀態(tài)變量預(yù)測值X(k+1)的求取，通過方程X(k+1)＝X(k)-Fcn1實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，該過程通過實(shí)時(shí)監(jiān)測狀態(tài)值，并通過實(shí)時(shí)判斷實(shí)現(xiàn)低電量停止，在本實(shí)施例中，設(shè)定低電量判斷閾值為0.003，針對(duì)放電過程，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

通過把狀態(tài)量參數(shù)X(k)和觀測方程系數(shù)參數(shù)E₀、R、I、K₁、K₂、K₃和K₄作為輸入，通過方程Fcn2＝u(2)-u(3)*u(4)-u(5)/u(1)-u(6)*u(1)+u(7)*log(u(1))+u(8)*log(1-u(1))，結(jié)合觀測噪聲疊加，在本實(shí)施例中，噪聲選取為均值為0且方差為0.00005的高斯白噪聲，實(shí)現(xiàn)輸出電壓信號(hào)Y(k)的計(jì)算，通過實(shí)時(shí)判斷實(shí)現(xiàn)低電壓停止，在本實(shí)施例中，設(shè)定低電壓判斷閾值為2.8V，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

Y(k)＝E₀-Ri-K₁/X(k)-K₂*X(k)+K₃*log(X(k))+K₄*log(1-X(k)) (4)

通過該步驟實(shí)現(xiàn)模型狀態(tài)的預(yù)測環(huán)節(jié)以及輸出電壓的信號(hào)跟蹤。

接著繼續(xù)步驟5，依據(jù)KF估算原理進(jìn)行SOC估算過程遞推運(yùn)算，模塊Est為以KF為基礎(chǔ)的SOC估算過程子模塊，通過把參數(shù)η、I、Y(k)、Q_n、E₀、R、K₁、K₂、K₃和K₄作為輸入，運(yùn)用以KF為基礎(chǔ)的估算流程，實(shí)現(xiàn)SOC估算及其誤差協(xié)方差參數(shù)Error_Cov的計(jì)算；通過對(duì)輸入變量I、η、Q_n、ΔT按方程Fcn1＝u(1)*u(4)/(u(2)*u(3))求取充放電過程SOC變化量ΔSOC，通過疊加上一時(shí)刻的SOC值，預(yù)測當(dāng)期時(shí)刻SOC值I(k|k-1)，計(jì)算過程如下式所示。

通過把變量X(k|k-1)、E₀、R、K₁、K₂、K₃和K₄作為輸入，按照方程Fcn3＝u(2)-u(3)*u(4)-u(5)/u(1)-u(6)*u(1)+u(7)*log(u(1))+u(8)*log(1-u(1))，求取輸出電壓預(yù)測值Yk|k-1，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

Y(k)＝E₀-Ri-K₁/X_k-K₂*X_k+K₃*log(X_k)+K₄*log(1-X_k) (6)

通過把變量X(k|k-1)、K₁、K₂、K₃和K₄作為輸入，按照方程Fcn4＝u(2)/(u(1)*u(1))-u(3)+u(4)/u(1)-u(5)/(1-u(1))，求取觀測矩陣H(k)，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

通過把觀測矩陣H(k)、估算過程噪聲方差R、觀測過程噪聲方差Q與估算誤差協(xié)方差P(k|k)的一階滯后的疊加值P(k|k-1)，代入方程Fun5＝u(3)*u(1)/(u(1)*u(3)*u(1)+u(2))，獲得卡爾曼增益矩陣Kk，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

通過把變量輸出電壓Y(k)、電池SOC狀態(tài)預(yù)測值X(k|k-1)、電壓預(yù)測值Y(k|k-1)和卡爾曼增益K(k)作為輸入，代入方程Fcn2＝u(2)+u(4)*(u(1)-u(3))，求取，完成對(duì)電池SOC的估算修正，同時(shí)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測SOC值，當(dāng)小于0.003時(shí)實(shí)行強(qiáng)制停止，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

X(k|k)＝X(k|k-1)+K(k)*[Y(k)-Y(k|k-1)] (9)

在誤差協(xié)方差P(k|k)，亦即參數(shù)Error_Cov的求取過程中，通過把觀測矩陣H(k)、卡爾曼增益K(k)和誤差協(xié)方差預(yù)測值P(k|k-1)作為輸入，代入方程Fun6＝(1-u(2)*u(1))*u(3)，完成誤差協(xié)方差的更新，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下式所示。

P(k|k)＝[1-K(k)*H(k)]*P(k|k-1) (10)

通過把荷電狀態(tài)估算值SOC、誤差協(xié)方差矩陣Error_Cov作為該子模塊輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)估算過程的有效監(jiān)測。

接著繼續(xù)步驟6，輸出工作電流、SOC估算值及其估算誤差，在本實(shí)施例中，參數(shù)I為添加有高斯白噪聲的模擬工況電流，參數(shù)Est_Error表示估算SOC值的誤差，參數(shù)Y_k表示電壓跟蹤效果值，參數(shù)Est_Compare為SOC估算值與實(shí)際SOC值實(shí)時(shí)觀測對(duì)比曲線，參數(shù)Error_Covariance為SOC估算誤差協(xié)方差變化曲線。

綜上所述，本發(fā)明先根據(jù)動(dòng)力鋰離子電池組工作特點(diǎn)，結(jié)合估算實(shí)時(shí)性與計(jì)算復(fù)雜度考慮，設(shè)計(jì)S-ECM電池等效模型；再進(jìn)行OCV-SOC實(shí)驗(yàn)分析，并根據(jù)先驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成狀態(tài)空間方程系數(shù)初始值設(shè)定；再根據(jù)不同工作電流和工作溫度對(duì)工作過程和電池容量的影響，建立庫倫效率修正方程并設(shè)定其方程系數(shù)，通過把實(shí)時(shí)測量工作電流和溫度信號(hào)作為SOC估算系統(tǒng)輸入，經(jīng)過庫倫效率修正過程，融入其對(duì)SOC估算過程的影響；再通過觀測工作過程中的端電壓，實(shí)現(xiàn)SOC估算的觀測修正；繼而通過使用以KF為基礎(chǔ)的遞歸運(yùn)算實(shí)現(xiàn)SOC狀態(tài)實(shí)時(shí)估算，并通過觀測電壓與平衡狀態(tài)SOC的修正處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子電池組SOC值綜合估算；最后輸出估算系統(tǒng)的工作電流、SOC估算值和估算偏差值，如此可高效、低成本和高準(zhǔn)確度的進(jìn)行動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算，從而有利于快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行動(dòng)力鋰離子電池組配套BMS設(shè)備中工作狀態(tài)監(jiān)測與能量管理。

本發(fā)明的以上實(shí)施例僅以航空鋰離子電池組為例進(jìn)行了動(dòng)力鋰離子電池組SOC估算的說明，但可以理解的是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍下本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)其進(jìn)行任意的改變和變化。