[發明專利]一種基于自適應模型的鋰電池荷電狀態估計裝置及方法

有效

• 申請號: 202010097628.3
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111308363B
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 彭軍;鄭智勇;張曉勇;蔣富;劉偉榮;黃志武;李恒;楊迎澤;程亦君;王成龍
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: G01R31/382
• 分類號: G01R31/382;G01R31/367
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 龔燕妮

1.一種基于自適應電路模型的鋰電池荷電狀態估計方法，其特征在于，包括：

步驟S1，建立鋰電池的老化狀態估計模型：對鋰電池進行循環充放電實驗，每次實驗均提取恒流充電時間和恒壓充電時間作為鋰電池老化的先兆特征，建立先兆特征與鋰電池老化狀態的映射模型；

步驟S2，每當鋰電池循環充放電至預設的老化狀態，均采用靜置法進行放電，記錄鋰電池在放電減小至不同荷電狀態時的端電壓；當每種預設的老化狀態均記錄得到對應的所有端電壓和荷電狀態時，擬合計算鋰電池的端電壓、荷電狀態以及老化狀態這三者間的第一函數關系式；

步驟S3，每當鋰電池循環充放電至預設的老化狀態，均對其進行HPPC試驗，使用第一函數關系式獲取當前老化狀態、不同荷電狀態時的端電壓，以對鋰電池的等效電路進行參數辨識；當所有預設的老化狀態均記錄得到不同的荷電狀態對應的等效電路參數時，擬合計算鋰電池的等效電路參數關于荷電狀態和老化狀態這三者間的第二函數關系式；

步驟S3對鋰電池進行HPPC試驗以對鋰電池的等效電路進行參數辨識的過程為：

(1)對鋰電池進行恒流恒壓充電，直到荷電狀態SOC＝1；

(2)以0.2C的電流對鋰電池放電，直到荷電狀態SOC＝0.9，靜置30分鐘；

(3)對鋰電池加載HPPC充放電脈沖：先將鋰電池以1C的電流放電10秒，然后靜置40秒，再以0.75C的電流對鋰電池充電10秒；

(4)將鋰電池以0.2C的電流放電，直到荷電狀態SOC降低0.1，靜置30分鐘；

(5)將步驟(3)和步驟(4)重復8次，直到荷電狀態SOC＝0.1；

(6)將鋰電池以1C的電流放電，直到鋰電池的放電截止電壓，靜置30分鐘；

在參數辨識時，對鋰電池等效電路中的內阻R₀的計算公式如下：

式中，V₁為鋰電池在加載HPPC充放電脈沖之前1秒瞬間的端電壓，V₂為鋰電池在加載HPPC充放電脈沖開始瞬間的端電壓，V₃為鋰電池在加載HPPC充放電脈沖結束瞬間的端電壓，V₄為HPPC鋰電池在加載HPPC充放電脈沖結束之后1秒瞬間的端電壓；

對鋰電池等效電路中的極化電阻和極化電容的辨識方法為：

a1，將HPPC試驗步驟(3)中放電結束后的40秒時間內，鋰電池的端電壓為兩個RC網絡的零輸入電壓響應，表示為：

式中，U_L(t)為鋰電池的端電壓，U_oc為鋰電池的開路電壓，U₁(0)和U₂(0)分別為電化學極化電阻R₁和濃差極化電阻R₂的端電壓；

由步驟S2采用靜置法放電得到的鋰電池端電壓OCV即為鋰電池在當前荷電狀態的開路電壓U_OC；再根據該開路電壓，結合測量得到的多個采樣點的端電壓U_L(t)，即可采用最小二乘法擬合兩個RC網絡的零輸入電壓響應曲線，即可得到兩個RC網絡在當前荷電狀態的時間常數τ₁和τ₂；

a2，將HPPC試驗步驟(3)中放電過程的10秒時間內，鋰電池的端電壓為兩個RC網絡的零狀態電壓響應，表示為：

式中，I為充電電流，U_RC為電化學極化電阻R₁和濃差極化電阻R₂的端電壓之和；

鋰電池在零狀態響應時的電壓為0，故U_RC通過測量端電壓U_L得到；然后根據時間常數τ₁和τ₂，以及測量得到的多個采樣點的充電電流I和端電壓U_L，采用最小二乘法擬合兩個RC網絡在當前荷電狀態的零狀態電壓響應曲線，即可求解得到兩個RC網絡在當前荷電狀態的電化學極化電阻R₁和濃差極化電阻R₂；

a3，再由時間常數與電阻之間的關系τ₁＝R₁C₁、τ₂＝R₂C₂，即可求解得到電化學極化電容C₁和濃差極化電容C₂；

步驟S4，根據待測鋰電池的恒流充電時間和恒壓充電時間，使用步驟S1建立的映射模型判斷待測鋰電池的老化狀態；使用第二函數關系式，根據待測鋰電池的老化狀態得到其等效電路參數與荷電狀態的映射關系；再基于電池荷電狀態初值，以及等效電路參數與荷電狀態的映射關系，根據等效電路的狀態空間方程以及安時積分法，使用拓展卡爾曼濾波算法對待測鋰電池的荷電狀態進行估計所得到的鋰電池的荷電狀態SOC及輸出端電壓。