[发明专利]计及容量损耗的磷酸铁锂电池建模及SOC估计方法

说明书

本发明的一种计及容量损耗的磷酸铁锂电池建模及SOC估计的方法是基于现有磷酸铁锂电池工作状态受温度，电流，循环次数、放电深度等诸多因素的影响，使建模过程非常复杂而提出来的，本发明基于戴维南等效电路，对磷酸铁锂电池进行建模工作，给出模型开路电压、电阻电容值辨识方法，并考虑到磷酸铁锂电池生命周期内的容量的损耗，建立容量估计数学模型，提高磷酸铁锂电池模型的输出精度；同时用扩展卡尔曼滤波算(EKF)法来解决不确定性噪声带来的磷酸铁锂电池SOC估计问题。具有方法简便、科学合理，适用价值高，效果佳等优点。

技术领域

本发明涉及电源应用技术领域，是一种计及容量损耗的磷酸铁锂电池建模及SOC估计的方法。

背景技术

以锂电池为代表的电化学储能由于其具有高可控性、高模块程度的优势，整体上能量密度大、转换效率高，在新能源发电领域得到较为普遍的研究与应用。目前我国已经建立了多个锂电池储能示范工程，如河北张家口张北县(配备14MW/63WMh的磷酸锂电池装置，2MW/8MWh的液流储能装置)，深圳宝清储能电站(安装4MW/16MW磷酸铁锂电池储能系统)等。根据国内相关政策和文件，“十三五”期间，国内储能市场将呈现快速发展趋势，锂电池储能领域将重点攻关高安全性、低成本、长寿命锂离子电池储能技术，并在之后实现该技术的试验示范，这将极大的推动锂电池技术的发展与应用。

围绕着锂电池储能系统建模、控制策略设计、容量配置等关键问题，国内外学者取得了一些研究成果。其中储能建模研究方面，由于电池由正极、负极和电解质构成，其充放电过程为电化学过程，其电压、电流与电池内部活性物质的电阻，极化和温度等因素相关，非常复杂。锂电池在其工作运行的整个生命周期内，其容量会随着充放电的不断进行会产生相应的损失，发生电池老化现象。所以对锂电池的容量评估也是十分有必要的，有助于工作人员适时的调整电池的工作状态。而且目前电池储能价格普遍比较昂贵，如何建立有效的电池模型，用于分析其在新能源应用时的储能系统技术-经济特性是一个非常关键的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种计及电池容量损失的磷酸铁锂电池建模及SOC状态估计方法，其特征在于,它包括以下内容：

1)磷酸铁锂电池等效电路的数学模型

采用戴维南等效电路模型，根据二阶RC等效电路模型，由基尔霍夫定理，建立模型状态方程为式(1)：

式中：U_b为磷酸铁锂电池负载端电压，C_use为磷酸铁电池的有效容量，亦即磷酸铁锂电池的可用容量，I_b为磷酸铁锂电池的运行电流，SOC为磷酸铁锂电池的荷电状态，U_oc磷酸铁锂电池开路电压，是SOC的非线性函数，由可控电压源表示，R_s为磷酸铁锂电池的欧姆电阻，两个RC环节，R₁、C₁和R₂、C₂分别表示磷酸铁锂电池运行中的电化学极化和浓差极化过程，U₁，U₂表示其对应的电压值，η为磷酸铁锂电池充放电效率；

由磷酸铁锂电池的等效电路模型看出，左右两侧电路网络通过SOC耦合，SOC是联系两部分的重要因子，而从模型的状态方程式(1)看出，磷酸铁锂电池的输出电压由磷酸铁锂电池的开路电压和极化电压共同决定，其中磷酸铁锂电池的极化电压与其相对应的电阻、电容值和电流值大小直接相关，精确地对磷酸铁锂电池实时的可用容量(C_use)，SOC，开路电压值和电阻值、电容值进行估计是磷酸铁锂电池建模的基础性工作；

2)磷酸铁锂电池模型相关参数辨识

因磷酸铁锂电池工作状态受到放电深度、循环次数和容量衰减等因素的影响，其等效电路模型参数随负载和外部环境的变化而变化，因此，为得到更可靠的模型，离线建模时需在多因素条件下对磷酸铁锂电池进行实验，并建立参数数据关系表达式；