一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法及系統(tǒng)，屬于鋰離子電 池管理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為解決能源安全和環(huán)境污染問題，近年來，電動(dòng)汽車在各國政府和汽車制造商的 推動(dòng)下取得了快速的發(fā)展。作為電動(dòng)汽車的主要能量載體和動(dòng)力來源，電池及其管理系統(tǒng) 是電動(dòng)汽車最核心的技術(shù)之一。其中，鋰離子電池以其高能量比、低自放電率、無記憶效應(yīng)、 高工作電壓平臺(tái)、長(zhǎng)使用壽命和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。而與之配套的，鋰離子動(dòng) 力電池管理系統(tǒng)（BMS)也得到廣泛重視和研究應(yīng)用。
[0003] BMS的核心功能是通過精確地跟蹤電池的動(dòng)態(tài)行為，對(duì)電池工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有 效地管理和控制，這就要求必須建立精確描述電池動(dòng)態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。出于對(duì)電動(dòng)汽 車經(jīng)濟(jì)、安全和合理使用動(dòng)力電池的角度出發(fā)，利用電池模型參數(shù)對(duì)動(dòng)力電池的荷電狀態(tài) (SOC)進(jìn)行估計(jì)顯得更為關(guān)鍵。近年來，伴隨著電池發(fā)展的電池模型辨識(shí)方法層出不窮。
[0004] 在電動(dòng)汽車的商業(yè)應(yīng)用過程中，電池價(jià)格過高是阻礙其快速推廣的主要原因，人 們通過尋找更好的電池成組方式，充分利用電池電量，降低電池成本。電池的成組方式主要 與電池的一致性有關(guān)，這主要依賴于電池參數(shù)的辨識(shí)效率和SOC估計(jì)精度的提高，這樣有 助于電池的合理利用并延長(zhǎng)電池的實(shí)用壽命。因此，有必要尋找一種精確、快速、在線得到 電池參數(shù)及SOC的方法。本發(fā)明提供了一種鋰離子動(dòng)力電池建模及SOC聯(lián)合估計(jì)方法，正 是滿足上述要求的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電池在線建模與 荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法及系統(tǒng)，用于同時(shí)獲取電池參數(shù)和S0C，并實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)的精確、 快速、在線辨識(shí)以及SOC的準(zhǔn)確估計(jì)。
[0006] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合 估計(jì)方法，具體包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :采集當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)的電池端電壓值數(shù)據(jù)和電池端電流值數(shù)據(jù)；
[0008] 步驟2 :根據(jù)不同的電壓值數(shù)據(jù)進(jìn)行值域劃分，得到多個(gè)分段區(qū)間，對(duì)每一個(gè)分段 區(qū)間建立自回歸移動(dòng)平均模型，將自回歸移動(dòng)平均模型轉(zhuǎn)換為電池模型，并辨識(shí)電池模型 參數(shù)；
[0009] 步驟3 :構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)作為狀態(tài)變量的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估計(jì)，得到荷電狀 態(tài)SOC的估計(jì)值；
[0010] 步驟4:判斷是否存在未采集數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口，如果是，滑動(dòng)獲取下一個(gè)時(shí)間窗 口，將得到的時(shí)間窗口作為當(dāng)前時(shí)間窗口，執(zhí)行步驟1 ;否則，執(zhí)行步驟5 ;
[0011] 步驟5 :完成鋰離子電池的電池模型的在線建模和荷電狀態(tài)估計(jì)。
[0012] 本發(fā)明中所使用的時(shí)間窗口是固定時(shí)間窗口，以1秒鐘采集1次數(shù)據(jù)為例，500個(gè) 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)作為該時(shí)間窗口的寬度，但在保證所建模型有效性的情況下不局限于此。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明用于同時(shí)獲取電池參數(shù)和S0C，并實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)的 精確、快速、在線辨識(shí)以及SOC的準(zhǔn)確估計(jì)；可在線對(duì)任意時(shí)刻鋰離子電池的模型參數(shù)和荷 電狀態(tài)都具有較高的精度，且易于實(shí)現(xiàn)。
[0014] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0015] 進(jìn)一步，所述步驟2具體包括以下步驟：
[0016] 步驟2. 1 :根據(jù)不同的電壓值數(shù)據(jù)進(jìn)行值域劃分，得到多個(gè)分段區(qū)間，對(duì)每一個(gè)分 段區(qū)間利用在線測(cè)量得到的電池端電壓值數(shù)據(jù)和電池端電流值數(shù)據(jù)建立自回歸移動(dòng)平均 豐旲型；
[0017] 步驟2. 2 :將自回歸移動(dòng)平均模型轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間描述的電池模型，并辨 識(shí)電池模型參數(shù)。
[0018] 進(jìn)一步，所述步驟3具體包括以下步驟：
[0019] 步驟3. 1 :利用閾值模型將電池模型中所包含的開路電壓OCV與荷電狀態(tài)SOC的 非線性關(guān)系進(jìn)行分段線性化，并可映射為電池端電壓與荷電狀態(tài)SOC的分段線性化關(guān)系；
[0020] 步驟3. 2 :根據(jù)電池模型中的線性關(guān)系構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)作為狀態(tài)變量的荷電 狀態(tài)SOC進(jìn)行估計(jì)，得到荷電狀態(tài)SOC的估計(jì)值。
[0021] 進(jìn)一步，所述利用閾值模型將電池模型中所包含的開路電壓OCV與荷電狀態(tài)SOC 的非線性關(guān)系進(jìn)行分段線性化的關(guān)鍵是，根據(jù)開路電壓OCV和鋰離子電池荷電狀態(tài)SOC的 線性化模型參數(shù)，確定電池模型參數(shù)。
[0022] 進(jìn)一步，所述下一個(gè)時(shí)間窗口的確定可以根據(jù)非線性強(qiáng)弱程度，對(duì)時(shí)間窗口的長(zhǎng) 短進(jìn)行縮放。
[0023] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合 估計(jì)系統(tǒng)，包括采集模塊、電池模型模塊、狀態(tài)變量估計(jì)模塊和判斷模塊；
[0024] 所述采集模塊用于采集當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)的電池端電壓值數(shù)據(jù)和電池端電流值數(shù) 據(jù)；
[0025] 所述電池模型模塊用于根據(jù)不同的電壓值數(shù)據(jù)進(jìn)行值域劃分，得到多個(gè)分段區(qū) 間，對(duì)每一個(gè)分段區(qū)間建立自回歸移動(dòng)平均模型，將自回歸移動(dòng)平均模型轉(zhuǎn)換為電池模型， 并辨識(shí)電池模型參數(shù)；
[0026] 所述估計(jì)模塊用于構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)作為狀態(tài)變量的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估計(jì)， 得到荷電狀態(tài)SOC的估計(jì)值；
[0027] 所述判斷模塊用于判斷是否存在未采集數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口，如果是，滑動(dòng)獲取下一 個(gè)時(shí)間窗口，將得到的時(shí)間窗口作為當(dāng)前時(shí)間窗口，采集下一組電池端電壓和電流數(shù)據(jù)參 與計(jì)算；否則，完成鋰離子電池的電池模型的在線建模和荷電狀態(tài)估計(jì)。
[0028] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明用于同時(shí)獲取電池參數(shù)和S0C，并實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)的 精確、快速、在線辨識(shí)以及SOC的準(zhǔn)確估計(jì)；可在線對(duì)任意時(shí)刻鋰離子電池的模型參數(shù)和荷 電狀態(tài)都具有較高的精度，且易于實(shí)現(xiàn)。
[0029] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0030] 進(jìn)一步，所述電池模型模塊包括建模模塊和模型轉(zhuǎn)換模塊；
[0031] 所述建模模塊用于根據(jù)不同的電壓值數(shù)據(jù)進(jìn)行值域劃分，得到多個(gè)分段區(qū)間，對(duì) 每一個(gè)分段區(qū)間利用在線測(cè)量得到的電池端電壓值數(shù)據(jù)和電池端電流值數(shù)據(jù)建立自回歸 移動(dòng)平均模型；
[0032] 所述模型轉(zhuǎn)換模塊將自回歸移動(dòng)平均模型轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間描述的電池模 型，并辨識(shí)電池模型參數(shù)。
[0033] 進(jìn)一步，所述狀態(tài)變量估計(jì)模塊包括線性化模塊和估計(jì)值模塊；
[0034] 所述線性化模塊用于利用閾值模型將電池模型中所包含的開路電壓OCV與荷電 狀態(tài)SOC的非線性關(guān)系進(jìn)行分段線性化，并可映射為電池端電壓與荷電狀態(tài)SOC的分段線 性化關(guān)系；
[0035] 所述估計(jì)值模塊用于根據(jù)電池模型中的線性關(guān)系構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)作為狀態(tài)變 量的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估計(jì)，得到荷電狀態(tài)SOC的估計(jì)值。
[0036] 進(jìn)一步，所述利用閾值模型將電池模型中所包含的開路電壓OCV與荷電狀態(tài)SOC 的非線性關(guān)系進(jìn)行分段線性化的關(guān)鍵是，根據(jù)開路電壓OCV和鋰離子電池荷電狀態(tài)SOC的 線性化模型參數(shù)，確定電池模型參數(shù)。
[0037] 進(jìn)一步，所述下一個(gè)時(shí)間窗口的確定可以根據(jù)非線性強(qiáng)弱程度，對(duì)時(shí)間窗口的長(zhǎng) 短進(jìn)行縮放。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本發(fā)明所述的一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法流程圖；
[0039] 圖2為本發(fā)明鋰離子動(dòng)力電池建模及SOC聯(lián)合估計(jì)方法的原理圖；
[0040] 圖3為本發(fā)明所述的電池模型等效電路圖；
[0041 ] 圖4為本發(fā)明所述FUDS工況下SOC估計(jì)結(jié)果；
[0042] 圖5為本發(fā)明所述FUDS工況下SOC估計(jì)誤差；
[0043] 圖6為本發(fā)明所述的一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0044] 附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：
[0045] 1、采集模塊，2、電池模型模塊，3、狀態(tài)變量估計(jì)模塊，4、判斷模塊，21、建模模塊， 22、模型轉(zhuǎn)換模塊，31、線性化模塊，32、估計(jì)值模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0047] 如圖1所示，為本發(fā)明所述的一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法，具 體包括以下步驟：
[0048] 步驟1 :采集當(dāng)前時(shí)間窗口內(nèi)的電池端電壓值數(shù)據(jù)和電池端電流值數(shù)據(jù)；
[0049] 步驟2 :根據(jù)不同的電壓值數(shù)據(jù)進(jìn)行值域劃分，得到多個(gè)分段區(qū)間，對(duì)每一個(gè)分段 區(qū)間建立自回歸移動(dòng)平均模型，將自回歸移動(dòng)平均模型轉(zhuǎn)換為電池模型，并辨識(shí)電池模型 參數(shù)；
[0050] 步驟3 :構(gòu)造狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)作為狀態(tài)變量的荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估計(jì)，得到荷電狀 態(tài)SOC的估計(jì)值；
[0051] 步驟4:判斷是否存在未采集數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口，如果是，滑動(dòng)獲取下一個(gè)時(shí)間窗 口，將得到的時(shí)間窗口作為當(dāng)前時(shí)間窗口，執(zhí)行步驟1 ;否則，執(zhí)行步驟5 ;
[0052] 步驟5 :完成鋰離子電池的電池模型的在線建模和荷電狀態(tài)估計(jì)。
[0053] 圖2是鋰離子動(dòng)力電池建模及SOC聯(lián)合估計(jì)方法的原理圖。如圖2所示，本發(fā)明 所述的一種電池在線建模與荷電狀態(tài)的聯(lián)合估計(jì)方法，具體包括以下步驟：
[0054] 步驟1 :利用閾值模型將電池模型中所包含的開路電壓OCV與荷電狀態(tài)SOC的非 線性關(guān)系進(jìn)行分段線性化，并可映射為電池端電壓與荷電狀態(tài)SOC的分段線性化關(guān)系。鋰 離子動(dòng)力電池的開路電壓（OCV)和鋰離子電池荷電狀態(tài)SOC關(guān)系函數(shù)為：V%=f(S0C)， f( ·)為開路電壓OCV與電池荷電狀態(tài)SOC之間的非線性關(guān)系。它可以由一閾值模型進(jìn)行 分段線性逼近，即，
[0055]
[0056] λ …，λ k為常系數(shù)，r i，…，rk i為常數(shù)表不閾值，k為分段區(qū)域數(shù)。所映射的電 池端電壓與荷電狀態(tài)SOC的分段線性化關(guān)系可表示為，
[0057]
[0058] V和I分別表示測(cè)量得到的電池端電壓和電流數(shù)據(jù)，Vpl為鋰離子電池內(nèi)第一組極 化電壓，Vp2為鋰離子電池內(nèi)第二組極化電壓，R。為鋰離子電池內(nèi)響應(yīng)電流變化的負(fù)載電阻。
[0059] 步驟2 :在選定的時(shí)間窗口內(nèi)，對(duì)在線測(cè)量得到的電池端電壓進(jìn)行值域上的劃分， 僅利用在線測(cè)量得到的電池端