[發明專利]鋰離子電池荷電狀態估計方法

在審

• 申請號: 201410190201.2
• 申請日: 2014-05-07
• 公開（公告）號: CN103941196A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 馬彥;周秀文;張吉星;李炳思;應振華;趙海艷;陳虹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 白冬冬

技術領域

本發明屬于電池荷電狀態測試領域。

背景技術

電池荷電狀態（State?of?Charge，SOC）用來表征電池的剩余電量，只能通過測量電池組的外特性參數（如電壓、電流、溫度）間接估計得到。電動汽車鋰離子動力電池在使用過程中，內部電化學反應復雜，其動力學系統具有高度的非線性，使準確估計電池荷電狀態（SOC）具有很大難度。

國內外學者們針對電池荷電狀態（SOC）估計算法進行了大量研究，目前比較常用的基于模型的估計算法有狀態觀測器法、Kalman濾波法、擴展Kalman濾波法等，但以上各種方法只能表示電池電流和端電壓之間的整數階函數關系，不能表示電池內部復雜的電化學反應所體現的分數階函數關系。

分數階微積分可以表示整數階函數所不能描述的細微、復雜的關系。分數階微積分理論已經被成功應用于電磁學、生物學、信息科學、材料科學、控制科學等領域。20世紀70年來，電化學領域成為分數階微積分理論的熱點應用領域。基于分數階微積分方法建立的分數階動態模型可以描述非線性動力學系統的復雜特性。建立鋰離子電池的分數階模型可以有效地提高鋰離子電池模型的精度，進而提高SOC估計精度。

發明內容

本發明提供了一種基于分數階Kalman濾波方法估計鋰離子電池荷電狀態（SOC）的方法。

本發明的具體步驟是：

a、根據鋰離子電池的阻抗譜特性，建立鋰離子電池的分數階狀態空間模型，其狀態方程和輸出方程如式(6)所示

??????????????????????????????????????(6)

其中

，，，

其中，是系統狀態，?是Warburg器件(系數為)和電阻(阻值為)并聯的回路的端電壓，為Warburg器件的端電壓，為鋰電池荷電狀態，為電池內阻阻值；為電池額定容量；為系統輸入，即電池充放電電流；為系統輸出，為電池端電壓；為待定參數；為待定參數；為系統各狀態的階數矩陣，其中β、和1分別為各狀態階數；

對公式(6)離散化，根據Grünwalde?Letnikov公式，得到系統的離散化的分數階狀態空間方程；

考慮過程噪聲和測量噪聲，可以得到如公式(11)所示的離散化分數階狀態空間方程：

??????????????????????????(11)

其中，是時刻的系統狀態；是時刻的系統輸出；是時刻的系統輸入；是系統的過程噪聲；是測量噪聲；和是互不相關的、零均值高斯白噪聲，且，，是Kronecker沖擊函數；，，和為離散化后的系數矩陣；為采樣間隔；變量，；

b、對動力電池進行充放電靜置實驗，通過擬合得到開路電壓和荷電狀態之間關系曲線，通過擬合曲線得到a步驟中參數和；

c、在時域和頻域中辨識得到公式(6)中未知參數；

在頻域中，通過阻抗譜擬合的方法，得到公式(6)中的系統狀態的階數矩陣；在時域中，通過輸出誤差辨識方法，得到公式(6)中矩陣和的參數；

d、對公式(11)所表示的分數階離散狀態空間方程，使用分數階Kalman的方法，估計鋰電池荷電狀態值：

①初始化

時，確定過程噪聲的方差、測量噪聲的方差、?初始狀態估計值、初始狀態的協方差；

②滾動更新

在時刻，

狀態預測：?

協方差預測：?

濾波增益更新：?

狀態更新：?

協方差更新：?

③每個循環時刻保存估計狀態和協方差，用于以后時刻迭代；

④分離系統狀態，即可得到滾動更新的鋰電池荷電狀態（SOC）值。

本發明提出了使用分數階微分函數模擬端電壓和電流之間關系的方法，即建立鋰離子電池的分數階模型可以有效提高鋰離子電池模型的精度；基于此分數階電池模型，提出了基于分數階Kalman濾波器的估計鋰離子動力電池荷電狀態（SOC）的估計方法。本發明更好地模擬電池內部復雜的電化學反應、提高鋰離子電池的建模精度，進而提高鋰離子電池荷電狀態（SOC）的估計精度。

附圖說明

圖1是鋰離子電池荷電狀態估計流程圖；

圖2是鋰離子電池阻抗譜圖；

圖3是分數階等效電路模型圖；

圖4是開路電壓和荷電狀態關系擬合曲線；其中（a）是充電靜置極小值和放電靜置極大值擬合曲線；（b）是開路電壓和荷電狀態擬合曲線；

圖5是系統狀態階數擬合曲線圖；

圖6是RC參數辨識流程圖；