[发明专利]一种基于分数阶模型的锂电池SOC估算新方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池管理系统，特别涉及一种锂电池荷电状态(SOC)估算方法。

背景技术

锂离子电池是电动汽车上的重要动力来源，其性能和状态在整车上有着决定性作用。电池荷电状态(SOC)表示电池的剩余电量，对于电动汽车而言意义重大。一方面，电池管理系统依据SOC值来控制电池充放电，可以保护电池免于过充放电，延长寿命，减少成本。另一方面，电动车根据动力电池SOC值来鉴定整车的控制策略，与其能量的分配有很大关系。如果能获得较为精确的电池荷电状态，那么SOC的范围能够扩展，从而提升电池使用效率，可以使用较小的电池组替代现在的电动车装备的较大的电池组，电池组的价格也能随之下降。

电池内部是一个非线性很强的电化学系统，对这样的系统建模较为困难，而电池SOC值不能直接测量获得。安时法经常用于估算电池SOC，其方法简单易于实现，但是计算过程中累积误差会随着电池的使用不断变大，其补偿系数难以估测；开路电压法能较准确的估算SOC但是需要较长的静置时间使得电池内部电化学反应稳定；模糊推理和神经网络的并行结构和学习能力能实现SOC的精确估计，但是需要大量的样本数据进行训练，估计精度受训练数据和训练方法影响比较大；电化学阻抗谱(EIS)经常被用于测试电池的频域响应，但研究显示EIS方法太复杂并且难以实时更新电池SOC；卡尔曼滤波算法是一种最优化自回归数据处理算法，能实现对系统的状态最小方差估计，在电池负载波动频繁、工作电流变化剧烈的应用场合具有很大优势。算法在使用时一般假定噪声为零均值白噪声，且噪声的方差已知，但是在实际大多情况下噪声的特性是未知的，此时算法的估计性能下降，甚至会引起发散。

近年来，分数阶建模方法因其特有的性质逐渐被引用到电池SOC估算中。分数阶微积分是整数阶微积分的延伸，研究表明，许多现象都存在分数阶性质，如：粘弹性、阻尼、流体、摩擦、混沌、机械振动和声音扩散等。分数阶建模方法能够提高SOC估算精度而它的复杂度也在可以接受的范围，并且适用于各种工况。

锂电池在较为稳定的充放电环境中，随着电池剩余容量的变化，电池模型中的性能参数会相应发生具有某些规律的变化。例如，开路电压与欧姆电阻，它们与SOC存在相应的变化关系，可以用于对电池SOC进行估算。分数阶电池模型中的参数是否会随SOC呈现规律变化还未被验证过，分数阶模型的参数能否被用于估算电池SOC未被研究过。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于分数阶等效电路模型的锂电池SOC估算新方法。在稳定的充放电环境中，利用分数阶模型参数与SOC之间呈现出的单调性关系对电池SOC进行估算。对静置中的电池进行一次脉冲放电，将采集到的数据代入分数阶模型进行辨识得到参数值，通过参数值寻找对应的SOC值。

模型参数分开进行辨识，避免了各参数同时进行辨识产生的冲突。由于脉冲放电的时长较短，并且简化了分数阶模型，所以模型计算量较小，SOC估算速度较快。另外结合不动点多次迭代的方法对参数进行多次试算，使得模型参数及电池SOC逐渐收敛，进而提高SOC估算精度。这种方法适用于电池静置时的SOC估算，是一种通过建立模型参数与SOC数学函数关系对电池SOC估算的新探索。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

1)建立简化的分数阶等效电路模型

基于电池电化学理论建立的简化分数阶等效电路模型如图1所示。

其中，欧姆电阻R₀代表集电体、活性材料、电解液以及隔膜上的电阻，恒相位元件(CPE)代表双层电容以及电荷转移电阻。研究表明，电子运动速度往往大于电极反应速度，因而通常极化作用占据主导地位。当充放电时间较短时，电流较小的情况下，去极化现象和扩散现象可以忽略，所以电池的极化过程采用CPE阻抗元件统一表示。

CPE阻抗相当于α阶次的分数阶积分器，其阻抗可以表示为：

式(1)中Q是一个类似于电容的可变增量；α为无量纲的指数，也称分数阶微积分方程的阶次。电池模型开路电压用U_ocv表示，CPE阻抗的电压用U_C表示，端电压U_T表示，I为电流，分数阶电池模型的状态方程与输出方程可以表示为：

采用GRünwald-Letnikov定义用离散形式求解公式(2)中分数阶微积分方程的数值解，α阶次的分数阶模型在时间a到t时刻的采样步长为h的状态量可以表示为：