[發(fā)明專利]一種結(jié)合電路等效和遞推迭代的荷電狀態(tài)估計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910957342.5
• 申請(qǐng)日: 2019-10-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112649746A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 史衛(wèi)豪;王順利;于春梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西南科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R31/388
• 分類號(hào): G01R31/388;G01R31/367
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

本發(fā)明涉及一種結(jié)合電路等效和遞推迭代的荷電狀態(tài)估計(jì)方法，其特點(diǎn)是，通過(guò)擴(kuò)展卡爾曼算法將系統(tǒng)中的非線性函數(shù)通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，得到一個(gè)近似的線性化模型；在濾波誤差及一步預(yù)測(cè)誤差較小時(shí)不需計(jì)算標(biāo)稱軌跡，提高估算荷電狀態(tài)的速度；在系統(tǒng)狀態(tài)的變化頻率和幅度較大時(shí)，可以通過(guò)增大采樣頻率和提高運(yùn)算速度來(lái)達(dá)到較好的跟蹤效果；建立Thevenin等效電路模型彌補(bǔ)了內(nèi)阻模型無(wú)法表征鋰電池動(dòng)態(tài)特性的缺點(diǎn)，并加入RC回路表征電池內(nèi)部的極化效應(yīng)，對(duì)電池具有更好的表征效果；該方法在考慮鋰離子電池工作基礎(chǔ)上，基于等效模型電路，改進(jìn)以卡爾曼為基礎(chǔ)的迭代計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組荷電狀態(tài)估算模型的建立和荷電狀態(tài)的數(shù)學(xué)迭代運(yùn)算算法的可靠運(yùn)行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種結(jié)合電路等效和遞推迭代的荷電狀態(tài)估計(jì)方法，該方法針對(duì)鋰離子電池組荷電狀態(tài)的快速估算目標(biāo)，提出了一種擴(kuò)展卡爾曼濾波方法，其基本原理為結(jié)合信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，采用上一次的估計(jì)量遞推預(yù)測(cè)，采用當(dāng)前的觀測(cè)量修正更新，由此估計(jì)所關(guān)注的狀態(tài)；通過(guò)在卡爾曼濾波算法基礎(chǔ)上求取狀態(tài)方程和觀測(cè)方程的偏導(dǎo)，得到狀態(tài)方程和量程方程的泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式，將非線性映射函數(shù)進(jìn)行線性化，以得到對(duì)應(yīng)于卡爾曼濾波迭代計(jì)算中所對(duì)應(yīng)的系矩陣；從而將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)近似的線性化模型，在對(duì)于濾波誤差及預(yù)測(cè)誤差較小時(shí)，對(duì)荷電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效、實(shí)時(shí)和精確的估算；建立Thevenin等效電路模型在一定程度上彌補(bǔ)了內(nèi)阻模型無(wú)法表征鋰離子電池動(dòng)態(tài)特性的缺點(diǎn)，并加入RC回來(lái)表征電池內(nèi)部的極化效應(yīng)，對(duì)電池具有更好的表征效果；在電池等效電路模型基礎(chǔ)上運(yùn)用擴(kuò)展卡爾曼算法實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組荷電狀態(tài)估算模型的建立和荷電狀態(tài)值的數(shù)學(xué)迭代運(yùn)算；該方法是一種基于現(xiàn)代控制理論的鋰離子電池組狀態(tài)估算方法，屬于新能源測(cè)控領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其狀態(tài)檢測(cè)也越來(lái)越受到重視；其中能否準(zhǔn)確估計(jì)鋰離子電池荷電狀態(tài)，關(guān)系到能否充分發(fā)揮電池的性能，對(duì)鋰離子電池實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)與安全控制具有重要的意義；然而鋰離子電池通常在復(fù)雜動(dòng)力工況下工作，其狀態(tài)檢測(cè)容易受到環(huán)境噪聲的影響；且鋰離子電池在使用過(guò)程中其內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，常伴隨有極化效應(yīng)，歐姆效應(yīng)等，加之復(fù)雜工況下放電電流多變，電池內(nèi)部溫度，電池自放電以及材料多次循環(huán)使用老化等因素的干擾，使得傳統(tǒng)的估計(jì)鋰離子電池荷電狀態(tài)的算法很難得出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的鋰離子電池荷電狀態(tài)；并且荷電狀態(tài)的獲取很大程度上依賴于針對(duì)電池特性而建立的等效模型；但由于鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在復(fù)雜工況下使用時(shí)常表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性，使得傳統(tǒng)的等效模型很難完整正確表征鋰離子電池的特性，等效建模與狀態(tài)估計(jì)仍存在許多問(wèn)題與不足之處；因此，針對(duì)如何根據(jù)鋰離子電池的工作特性建立等效模型，并采用正確合適的算法對(duì)電池荷電狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全控制，對(duì)提高電池使用效率具有重要的意義。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外各大高校研究機(jī)構(gòu)針對(duì)如何建立能夠表征鋰離子電池工作特性的等效模型，以及準(zhǔn)確估計(jì)荷電狀態(tài)的方法問(wèn)題，開(kāi)展了大量的研究工作：麻省理工學(xué)院、賓州州立大學(xué)、英國(guó)利茲大學(xué)、美國(guó)南卡大學(xué)和國(guó)家可再生能源室等單位，均針對(duì)鋰離子電池參數(shù)檢測(cè)、等效建模和狀態(tài)估計(jì)等內(nèi)容展開(kāi)了深入研究；我國(guó)清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、浙江大學(xué)、北京交通大學(xué)、重慶大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研單位也同步展開(kāi)研究，并取得了豐碩的成果；這些研究為鋰離子電池成組等效建模、荷電狀態(tài)狀態(tài)估計(jì)提供了重要參考依據(jù)；在鋰離子電池荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)估計(jì)過(guò)程中，電池等效模型的構(gòu)建占有重要的地位；荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確估計(jì)在很大程度上依賴于等效模型，尤其是其對(duì)于電池動(dòng)態(tài)特性的表征程度；在目前的應(yīng)用中，常見(jiàn)的電池模型有電化學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及等效電路模型等；等效電路模型將電池在使用過(guò)程中表現(xiàn)出的復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性，具體為電路回路中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，運(yùn)用電路知識(shí)以及微積分原理建立電路方程來(lái)對(duì)電池特性進(jìn)行研究；因?yàn)槠渚哂袠O大方便性，該方法在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。