[發明專利]一種空間用鋰離子電池組未來工況預測方法

有效

• 申請號: 202110004840.5
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112763916B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 穆浩;熊瑞;劉治鋼;汪靜;盧家歡;譚博能
• 申請（專利權）人: 北京空間飛行器總體設計部;北京理工大學
• 主分類號: G01R31/378
• 分類號: G01R31/378;G01R31/367
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

一種空間用鋰離子電池組未來工況預測方法，其根據鋰離子電池組外特性構建等效電路模型，并利用真實遙測數據結合智能優化方法對模型參數進行辨識，將未來工況下的電流數據注入模型預測該工況下的蓄電池組電壓變化情況。考慮到在軌遙測數據回傳出現的異常跳變、采樣頻率不均一等問題，引入相應數據處理方法，在保障在軌數據不失真的同時，便于模型計算。利用該方法可實現對航天器鋰離子蓄電池組的準確建模及其電壓特性的追蹤和預測。

技術領域

本發明屬于空間用電源技術領域，具體涉及適用于航天器、人造衛星等空間載具的鋰離子蓄電池組建模和電壓預測方法。

背景技術

鋰離子蓄電池因其比能量高、循環壽命長、自放電率低等優點，廣泛應用于航天領域作為電源系統的重要組成部分。鋰電池成組隨整器發射升空后，變成了一個完完全全的“黑箱”，相對于在地面上的普通運行環境而言，很多反映電池狀態的參數無法正常采集，多數情況下電池的特性僅能通過電流和電壓遙測表征，難以定量判斷當前電池的實際狀態。而在空間中進行數據傳輸過程中，信號中斷的現象也時有發生，進一步導致了空間用電池工況遙測的難度增大、效率降低。因此，如何在僅能獲取有限的電池性能表征參數的情況下，通過建立高精確度的電池模型以及優化的處理算法，以實現對空間中的鋰離子電池外特性(電壓特性)的準確追蹤，同時通過模型參數較為精確地判斷當前電池的狀態，是本領域中亟待解決的技術問題。

發明內容

有鑒于此，本發明提供了一種空間用鋰離子電池組未來工況電壓預測方法，具體包括以下步驟：

步驟一、基于鋰離子電池單體模型建立電池的等效模型，反映電池組開路電壓與荷電狀態、歐姆內阻、極化內阻以及時間常數之間的關系；

步驟二、對遙測數據進行稀疏采樣，獲取電池組對應于不同時刻的電流數據和端電壓數據；對獲取的電流數據和端電壓數據分別進行數據填充處理，使每個采樣周期內電流數據與電壓數據都按照一致的時間間隔均勻分布；

步驟三、利用步驟二處理得到的電流數據和端電壓數據，對所述等效模型中的荷電狀態、歐姆內阻、極化內阻以及時間常數，基于人工免疫算法進行參數辨識，并得到辨識后的等效模型；

步驟四、利用步驟三辨識得到的等效模型，對已知的與未來一段時間對應的負載功率譜進行解耦，預測得到電池組端電壓和電流的變化情況。

進一步地，所述步驟一具體包括：

所述電池單體模型中，用開路電壓源描述電池組的靜態特性，歐姆內阻表示電池對直流激勵的瞬態響應，并聯的RC網絡表示電池組的極化效應；

由于電池單體一致性較好，電池組開路電壓U_oc,pack和歐姆內阻R_oc,pack可以表征為單體之和，如下式所示：

其中，U_oc,cell和R_o,cell表示單體開路電壓和歐姆內阻，N_s表示電池組串聯單體數。

鋰電池開路電壓與電池的荷電狀態密切相關，兩者具有一定的單調關系，可通過多項式函數關系表達，如以下公式所示：

U_oc,cell＝K₀+K₁z+K₂z²+……K_izⁱ

其中，z表示電池的荷電狀態，K_i表示擬合系數，可根據地面測試數據擬合得到，i為多項式擬合階次；

蓄電池組的極化電壓U_p,pack，是并聯RC網絡的電壓響應，表示鋰離子在電池內擴散遷移的極化效應，每一時刻蓄電池組的極化電壓可以用如下遞推式表達：