[发明专利]一种低温环境下动力电池内部加热预测控制方法及装置

权利要求书

1.一种低温环境下动力电池内部加热预测控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1，测量低温环境温度和动力电池初始温度，获取电池初始荷电状态；

步骤S2，设定预测时域的长度、控制时域的长度和控制时域内每个控制时间窗口的大小；

步骤S3，采集动力电池当前的表面温度、端电压和加热电流；

步骤S4，以动力电池当前采集的表面温度作为观测数据，以动力电池当前采集的加热电流和环境温度作为参考因素数据，采用卡尔曼滤波算法估计动力电池当前的核心温度；所述步骤S4具体包括：

步骤S4.1，将动力电池当前采集的表面温度与卡尔曼滤波器估计的表面温度之间的误差、当前采集的加热电流和环境温度输入至卡尔曼滤波器；

步骤S4.2，卡尔曼滤波器预测下一时刻的状态信息和误差协方差，计算卡尔曼增益，并更新卡尔曼估计值和误差协方差；所述状态信息具体指动力电池的表面温度和核心温度；

步骤S4.3，不断重复步骤S4.2，直至获得最优的电池核心温度估计值；

步骤S5，根据动力电池当前的荷电状态、步骤S3得到的加热电流和步骤S4得到的动力电池核心温度，确定动力电池当前的电热耦合模型参数；

动力电池的电热耦合模型参数的确定方法为：预先在不同温度、不同电池荷电状态以及不同电流幅值的混合动力脉冲能力特性测试实验中，获得电池电热耦合模型参数与电池核心温度、荷电状态、电流幅值的关系数据库；然后在该关系数据库中，根据动力电池当前的核心温度、荷电状态和加热电流，确定动力电池当前的电热耦合模型参数；

步骤S6，根据动力电池当前时间点k的荷电状态S(k)、核心温度T(k)、电热耦合模型参数Γ(k)以及在预测时域内给定的加热电流序列u(j),j＝k+1,k+2,…,k+N，对动力电池在预测时域内的荷电状态和核心温度进行滚动预测以及滚动更新动力电池的电热耦合模型参数，得到动力电池在预测时域内的核心温度序列T(j),j＝k+1,k+2,…,k+N；

其中，所述给定的加热电流序列，通过求解以下多目标优化问题得到：

式中，α为能量损耗的惩罚因子，I_ppc为加热电流的最大限制值；

步骤S7，在当前开始的第一个控制时间窗口内，对动力电池均执行脉冲加热电流u(k+1)；

步骤S8，重复步骤S3至步骤S7，直到动力电池的核心温度达到目标值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1获取电池初始荷电状态的方法为：预先在动力电池的不同表面温度下，采用小电流充放电的方法建立电压曲线和荷电状态曲线，其中的电压曲线作为动力电池的开路电压曲线，进而建立电池荷电状态、开路电压、表面温度的关系数据库；然后，根据动力电池测量的初始表面温度和开路电压，在建立的关系数据库中查找动力电池的初始荷电状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，动力电池的荷电状态预测表达式为：

式中，η为库仑效率，Δt为采样间隔，C_b为动力电池的额定容量，S(k)和S(k+1)分别为动力电池在采样时间点k和k+1的荷电状态，u(k)为动力电池在采样时间点k的加热电流。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，动力电池的核心温度预测表达式为：

式中，T(k)和T(k+1)分别为动力电池在采样时间点k和k+1的核心温度，m,c,A,h分别为动力电池的质量、比热容、表面积和对流系数；q(k)为动力电池在采样时间点k的产热功率，与加热电流u(k)有关。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中，对动力电池均执行脉冲加热电流的方法为：将加热电流u(k+1)作为PID控制的参考信号，通过负反馈控制原理输出控制量，实现对超级电容和动力电池之间的电流控制。

6.一种低温环境下动力电池内部加热预测控制装置，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的低温环境下动力电池内部加热预测控制方法，在低温环境下对混合储能系统中的动力电池进行内部加热控制。

7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述混合储能系统包括：动力电池模块、超级电容模块和双向DC/DC变换器；

所述动力电池模块由多节锂电池串并联构成，用于为混合储能电动汽车提供主要能源；

所述超级电容模块由多节超级电容串并联构成，用于为混合储能电动汽车提供次要能源，以及作为动力电池进行脉冲电流加热的辅助能源；

所述双向DC/DC变换器由两个可控的MOSFET和电感构成，通过控制两个MOSFET的占空比，能够使电池与超级电容之间产生给定的双向脉冲。