一种基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法

技术特征：
1.一种基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，包括以下步骤：步骤s1，对锂电池进行循环充放电实验，提取容量、恒流充电时间、恒压充电时间、放电压差与放电时间的比值作为锂电池老化的有效特征，建立电池剩余使用寿命预测模型，将提取的老化特征组成特征向量作为预测模型的输入；步骤s2，建立锂离子电池的等效电路模型，采取小电流充放电的方式，对电池的开路电压-荷电状态曲线进行测定，再对电池等效电路模型进行参数辨识；步骤s3，在25℃室温下，对锂电池进行循环充放电实验，并对充放电电流进行积分，获得每个充放电循环下的电池实际容量，并绘制实际可用容量与循环次数的关系曲线；将步骤s1中预测得到电池的剩余使用寿命替换掉循环次数，通过拟合得到电池实际容量与剩余使用寿命的函数关系式；步骤s4，在不同的温度下对电池进行彻底的恒流放电；建立了电池工作温度对电池容量的补偿方程；步骤s5，不同倍率下对电池充放电实验，建立电池不同充放电倍率下对电池容量的补偿方程；步骤s6，根据步骤s3、s4和s5获得电池最终的实际可用容量，然后根据步骤s2中等效电路模型建立的状态空间方程，采用粒子滤波的方法实现电池荷电状态的估计。2.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s2中采取小电流充放电的方式，对电池的开路电压-荷电状态曲线进行测定具体步骤为：以恒流恒压的方式对锂离子电池充电，直至充电电流下降至电池的下限截止电流，将电池置于开路状态5个小时，对电池的终端电压进行测量，获得电池充电的开路电压；将锂离子电池静置5小时，然后以0.25c的放电倍率进行放电，放电次数为20次，直至电池的电压下降至其下限截止电压3v；在每次脉冲放电结束时，将电池置于开路状态5个小时，对电池的终端电压进行测量获得电池放电的开路电压；将放电的开路电压和充电的开路电压取平均值得到实际的开路电压；获得的开路电压-荷电状态的曲线是非线性的，将荷电状态-开路电压曲线分解为一组线性段共9段并进行简化，每个线段的形式如下所示：ocv＝c0 c1soc其中ocv为开路电压，soc为荷电状态，c0和c1为常数系数，以查表的方式从该曲线中得到电池开路电压信息。3.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s1中采用相关向量机进行电池剩余使用寿命的预测。4.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s4的具体步骤为：首先在25℃的环境下，采用1c的放电倍率放电，采用电流传感器获得放电电流，并对电流进行积分，得到此时25℃工作环境下的电池实际可用容量；然后，再不同的温度环境下，获得不同的实际可用容量，并与25℃环境下的实际可用容量作比值，建立了电池工作温度对电池容量的补偿方程。5.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s5的具体步骤为：采用1c的放电倍率放电，采用电流传感器获得放电电流，并对电流进
行积分，得到1c放电倍率下的电池实际可用容量，然后获得不得放电倍率下的实际可用容量，并与1c放电倍率下的电池实际可用容量作比值，再建立电池不同充放电倍率下对电池容量的补偿方程。6.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤步骤s6中等效电路的状态空间方程以及安时积分法的计算公式为：式中，v
t
为电池的端电压，v
oc
为电池的开路电压，i为充电电流，r
s
为电池的内阻，u1和u2分别为电池的极化电阻r
p1
和浓差极化电阻r
p2
上的电压，c
n
为电池的总可用容量，soc(t0)为t0时刻的荷电状态，soc(t)为t时刻的荷电状态；将电池的状态空间进行离散化并根据粒子滤波估计获得锂电池的荷电状态和输出端电压为：v
k
＝v
oc(soc,k)-u
p1,k-u
p2,k-r
e
i
k
v
k
式中η为充电效率，c
n
为电池的总可用容量，w
k
为锂电池充电系统的过程噪声，v
k
为电流和电压传感器采集电流和电压的测量噪声。7.根据权利要求1所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s6中基于粒子滤波的锂离子电池的荷电状态估计的步骤为：(1)初始化，k＝0，设置噪声方差值、有效阈值；初始的极化电压值和荷电状态值；粒子的数量；初始化粒子，从初始密度分布函数中随机抽取n个粒子：x
0i
(i＝1,2,...n)；初始化各个粒子的权重：w
0i
＝1/n(i＝1,2,...n)；(2)更新状态的时间：k＝k-1；并利用状态方程公式预测k时刻的值(3)利用观测方程计算每个粒子的权值，计算公式为：对k时刻的状态进行估计：(4)判断是否需要进行重采样，若需要重采样，需将粒子的权值重新赋值为1/n；
(5)判断循环是否结束，结束则得到荷电状态的估计值，否则返回步骤(2)。8.根据权利要求2所述的基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计方法，其特征在于，步骤s2中对电池等效电路模型进行参数辨识的步骤为：根据等效电路模型，可得其等效电路表达式为：上式中，r
s
为等效内阻，c
p1
为极化电容，r
p1
为极化电阻，c
p2
为浓差极化电容，r
p2
为浓差极化电阻，v
oc
为开路电压，v
t
为端电，i为充电电流；通过前面获得的开路电压-荷电状态函数关系以及建立的等效电路模型，采用带遗忘因子的递推最小二乘实现等效电路模型的参数辨识，带遗忘因子的递推最小二乘法公式如下所示：其中，θ表示待辨识参数，k表示增益矩阵，p表示协方差矩阵，为测量值，λ表示遗忘因子；将电池等效电路模型公式进行一系列的频域以及差分形式的转换为带遗忘因子的递推最小二乘法公式形式：具体步骤如下：设置初始化的参数，设定荷电状态soc(0),开路电压v
oc
(0)和时间间隔δt的初始值；实时的计算荷电状态soc(k)和开路电压v
oc
(k)；设置协方差矩阵p0、待辨识参数和遗忘因子λ的初始值；通过电池等效电路模型转换的带遗忘因子的递推最小二乘法公式求出k1、k2、k3、k4和k5。求出等效电路模型参数r
s
、r
p1
、r
p2
、c
p1
和c
p2
。9.一种基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计装置，其特征在于，包括电源供电模块，ac-dc转换模块、dc-dc转换模块、控制模块，模拟量采集模块和大功率电阻；所述电源供电模块，用于提供各模块所需的电源；所述ac-dc模块，用于将常用220v交流电转换为直流电；所述dc-dc模块：实现锂电池的放电操作，将电池中的电量向功率电阻输出所述控制模块，用于控制锂离子电池的充放电电流；所述数据采集模块，用于采集锂离子电池端电压、充电电流以及工作温度；所述大功率电阻，用作负载。

技术总结
本发明公开了一种基于健康状态的锂离子电池荷电状态估计的方法和装置。其中方法主要包括：使用锂离子电池的二阶等效电路模型，计算开路电压和荷电状态之间的函数关系，并采用带遗忘因子的递推最小二乘进行电路模型参数的辨识；根据实验平台采集的数据，采用相关向量机进行电池剩余使用寿命的预测，并将电池的剩余使用寿命量化为关于电池实际容量的基准函数关系式；然后建立工作温度和充放电倍率关于电池实际容量的补偿函数关系式，通过补偿函数关系式对基准函数关系式的校正，得到最终的电池实际可用容量。最后通过电路模型建立的状态空间方程，采用粒子滤波的方法实现电池荷电状态的估计。本发明基于电池的健康状态，能够在不同老化程度下实现荷电状态的准确估计。在不同老化程度下实现荷电状态的准确估计。在不同老化程度下实现荷电状态的准确估计。


技术研发人员：张晓勇 郭明会 李恒 黄志武 蒋富 刘伟荣 彭军 杨迎泽 彭辉 闫立森 武悦 刘勇杰
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.03.08
技术公布日：2022/7/12