一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法及系统

摘要

本发明提供一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法及系统，包括以下步骤：修正气液动力学电池模型，推导电池开路电压估算方程，推导辨识模型参数的端电压方程，GA算法辨识开路电压估算方程的参数，进行电池SOC估算和验证电池SOC估算精度；本发明实现了修正的气液动力学电池模型与容量增量法的耦合，充分发挥修正的气液动力学电池模型快速消除初始误差和累积误差的能力，利用容量增量法计算量小和估算精度高的特点。本发明在SOC估算过程在对电流采样精度和电压采样精度要求都不高，能够大大降低传感器等硬件成本，在同时含有电压和电流采样误差的DST、FUDS和UDDS工况下实现SOC估算精度达到1％以内，与同类型技术相比基于明显的精度优势。

说明书

技术领域

本发明涉及电池管理系统领域，具体为一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法，尤其涉及电动汽车锂离子动力电池的SOC估算。

背景技术

随着能源危机和环境污染的加剧，电动汽车的研究已成为世界各国推动可持续发展的战略项目。电池管理系统(BMS)是电动汽车的重要组成部分，也是当前新能源汽车研究领域的核心问题。BMS的功能包括电池参数检测、电池状态估计、在线故障诊断、电池热控制等，其中，荷电状态(SOC)的实时估计是BMS的基本问题之一。

对于电动汽车，SOC反映了电池的剩余容量，这是剩余里程计算的基础。正确估计SOC不仅可以提高电动汽车的效率，而且可以保护电池，延长电池的使用寿命，从而产生经济效益。电池的充放电过程是一个相当复杂的非线性电化学反应过程。因此，与实验室放电实验法获得的离线SOC不同，在线SOC很难从电池内部的化学特性得到，只能通过一些可测量的参数，如终端电压、电流、温度等来间接估计。目前，学者们已经提出了多种精确估计SOC的方法。其中，基于模型的方法是实际应用中最常用的方法之一。基于模型的SOC估计方法通常分为基于电化学模型的方法和基于等效电路模型的方法。电化学模型参数具有实际物理意义，能够反映电池内部电化学反应中物理量之间的关系。但是，由于需要求解大量的偏微分方程，这种方法在船上的应用很难实现。与电化学模型相比，等效电路模型因其参数少、数学表达式简单而被广泛应用于电池SOC估计。常用的基于等效电路模型的SOC估计方法通常基于观测器技术，包括粒子滤波、滑模观测器、Kalman滤波。然而，等效电路模型的估计精度和计算复杂度之间的权衡是一个棘手的问题。此外，随着RC阶数的增加，参数辨识的难度和模型的不确定性明显增加，因为一个RC只能增加一个状态方程，却多出两个不确定参数。除了上述两个模型，还有一种通用可行的气液动力学电池模型，该模型在不显著增加计算复杂度和计算量的情况下，对不同类型的电池具有较强的鲁棒性。现有气液动力学电池模型，没有反映充电和放电过程中气体物质的量的增加或减少，建模精度有待提高；现有电流积分法存在无法消除初始误差和累积误差的缺点。

发明内容

针对上述技术难题，本发明提供一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法及系统。本发明修正了气液动力学电池模型，实现了气液动力学电池模型与容量增量法的耦合，充分发挥气液动力学电池模型快速消除初始误差和累积误差的能力，利用容量增量法计算量小和估算精度高的特点，实现对电池整个放电过程中SOC高精度估算。

本发明的技术方案是：一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法，包括如下步骤：

修正气液动力学电池模型：在原有气液动力学电池模型状态方程基础上，补充了在充电过程和放电过程中密闭容器内气体物质的量的变化、电子流的计算和气体流量计算的状态方程，得到修正气液动力学电池模型；

推导电池开路电压估算方程：根据修正气液动力学电池模型推导电池开路电压估算方程和容量增量法SOC估算方程，通过电池开路电压估算方程获得OCV

推导辨识模型参数的端电压方程：根据修正气液动力学电池模型推导出辨识模型参数的端电压方程，得到端电压U

GA算法辨识开路电压估算方程的参数：通过GA算法自适应调节端电压方程中的参数k

进行电池SOC估算:读取电池采样数据和辨识的开路电压估算方程参数k

验证电池SOC估算精度。

上述方案中，所述修正气液动力学电池模型具体为：

所述气液动力学电池模型的物理原型为设有气液共存系统的密封容器，在容器的顶部设有排气管和阀门，排气管设有排气管口，容器内装有液体和气体，气体包括未溶解的气体分子和溶解在液体中的气体分子；所述气液动力学电池模型的排气过程对应于电池放电过程，容器内未溶解的气体分子占有体积为V，液体占有体积为V

气液动力学电池模型的状态方程为：

P

P

n

P

补充修正方程为：

Q＝sv公式八

I＝fqsv公式九

m＝nM＝ρV公式十

其中，R：热力学常数；T：热力学温度；

上述方案中，所述推导电池开路电压估算方程具体为：

通过公式一到公式五加减消元法得到公式十一：

公式十一是关于P

设a＝1，

ρ是气体密度，

将公式十四代入公式六得：

设

P

将公式八、公式九和

其中，qN

公式十八为SOC定义式，改写为公式十九：

在充电状态下推导开路电压估算方程与放电状态相同，其中由于电流的方向不同，公式十六与公式十九在充电状态下为：

P

再经过查SOC-OCV表获得OCV

其中，SOC

P

公式二十一为最终推导的容量增量法SOC估算方程，公式二十二和公式二十三为最终推导的开路电压估算方程，其中充电电流为正，放电电流为负。

上述方案中，所述推导辨识模型参数的端电压方程具体为：

公式十一恒等变换为公式二十四：

设

上述方案中，所述GA算法辨识开路电压估算方程的参数的步骤具体为：

基于公式二十五设计模型参数辨识流程，初始化步骤：读取通过实验获得的电池端电压U、温度T、电流I和对应的OCV，定义：将第一个开路电压值赋给P

上述方案中，所述电池SOC估算的步骤具体为：

读取通过实验获得的电池端电压U、温度T、电流I，电池额定容量Q

上述方案中，所述验证电池SOC估算精度步骤具体为：

选择带有±5％电流增益误差和±15mV电压采样误差的DST、FUDS和UDDS工况验证SOC估算精度；

一种实现所述基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法的系统，其特征在于，包括信号采集模块、SOC估算模块和显示模块；

所述信号采集模块包括电流传感器、温度传感器和电压传感器，用于采集电池的电流、温度和端电压，信号采集模块与SOC估算模块连接，并将采集的电流、温度和端电压信号传送到SOC估算模块；

所述SOC估算模块用于在原有气液动力学电池模型状态方程基础上，补充了在充电过程和放电过程中密闭容器内气体物质的量的变化、电子流的计算和气体流量计算的状态方程，得到修正气液动力学电池模型；SOC估算模块还用于根据修正气液动力学电池模型推导电池开路电压估算方程和容量增量法SOC估算方程，通过开路电压估算方程获得OCV

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明修正了气液动力学电池模型，使得电池建模更加精确。本发明在SOC估算过程在对电流采样精度和电压采样精度要求都不高，能够大大降低传感器等硬件成本；本发明通过h权重系数将修正的气液动力学电池模型估算的开路电压与容量增量法估算的开路电压耦合，利用修正的气液动力学电池模型快速消除初始误差和累积误差的能力，和容量增量法计算量低且单个采样时间内估算精度高的优点；本发明最终实现，对于同时含有电压和电流采样误差的DST、FUDS和UDDS工况下实现SOC估算精度达到1％以内，与同类型技术相比基于明显的精度优势。本发明没有耦合复杂的智能算法，能够直接在车载MCU上运行，展现出非常高的工业应用价值。

附图说明

图1：是本发明一实施方式的实施流程图；

图2：是本发明一实施方式的气液动力学电池模型和工作原理图，其中(a)为气液动力学电池模型原理图，(b)为气液动力学电池模型工作原理图；

图3：是本发明一实施方式的辨识模型参数流程图；

图4：是本发明一实施方式的SOC估算流程图；

图5：是本发明一实施方式的电流采样数据；

图6：是本发明一实施方式的电压采样数据；

图7：是本发明一实施方式的DST、FUDS和UDDS工况估算结果。

图中，1、容器；2、排气管；3、阀门；4、液体；5、未溶解的气体分子；6、排气管口；7、溶解在液体中的气体分子。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明所述基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法的技术路线，所述一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法，包括如下步骤：

修正气液动力学电池模型：在原有气液动力学电池模型状态方程基础上，补充了在充电过程和放电过程中密闭容器内气体物质的量的变化、电子流的计算和气体流量计算的状态方程，得到修正气液动力学电池模型；

推导电池开路电压估算方程：根据修正气液动力学电池模型推导电池开路电压估算方程和容量增量法SOC估算方程，通过电池开路电压估算方程获得OCV

推导辨识模型参数的端电压方程：根据修正气液动力学电池模型推导出辨识模型参数的端电压方程，得到端电压U

GA算法辨识开路电压估算方程的参数：通过GA算法自适应调节端电压方程中的参数k

进行电池SOC估算:读取电池采样数据和辨识的开路电压估算方程参数k

验证电池SOC估算精度。

所述修正气液动力学电池模型具体为：

所述气液动力学电池模型如图2(a)所示，所述气液动力学电池模型的物理原型为设有气液共存系统的密封容器(1)，在容器(1)的顶部设有排气管(2)和阀门(3)，排气管(2)设有排气管口(6)，容器(1)内装有液体(4)和气体，气体包括未溶解的气体分子(5)和溶解在液体中的气体分子(7)。根据图2(b)显示的气液动力学电池模型的排气过程(对应于电池放电过程)，容器内气体占有体积为V，液体占有体积为V

P

P

n

P

补充修正方程为：

Q＝sv 公式八

I＝fqsv 公式九

m＝nM＝ρV 公式十

其中，P

所述推导电池开路电压估算方程具体为：

通过公式一到公式五加减消元法得到公式十一：

公式十一是关于P

设a＝1，

ρ是气体密度，

将公式十四代入公式六得：

设

P

将公式八、公式九和

其中，qN

公式十八为SOC定义式，改写为公式十九：

在充电状态下推导开路电压估算方程与放电状态相同，其中由于电流的方向不同，公式十六与公式十九在充电状态下为：

P

再经过查SOC-OCV表获得OCV

其中，SOC

P

公式二十一为最终推导的容量增量法SOC估算方程，公式二十二和公式二十三为最终推导的开路电压估算方程，其中充电电流为正，放电电流为负。本步骤推导出两种独立估算开路电压的方法，分别为：通过公式二十一估算得到SOC

所述推导辨识模型参数的端电压方程具体为：

公式十一恒等变换为公式二十四：

设

所述GA算法辨识开路电压估算方程的参数的步骤具体为：

基于公式二十五的模型参数辨识流程如图3所示，初始化步骤：读取通过实验获得的电池端电压U、温度T、电流I和对应的OCV，定义：第一个开路电压值赋给P

所述电池SOC估算的步骤具体为：

基于公式二十一、公式二十二和公式二十三的电池SOC估算算法流程如图4所示，初始化步骤：读取通过实验获得的电池端电压U、温度T、电流I，电池额定容量Q

其中，计算加权系数h包括最小二乘加权法、指数函数加权法、多项式加权法等单一函数或复合函数加权法，优选地，选用指数函数加权法，h＝λ·h+d，λ,d∈(0,1)。

所述步骤六验证电池SOC估算精度：选择带有±5％电流增益误差和±15mV电压采样误差的DST、FUDS和UDDS工况验证SOC估算精度，分别如图5、图6和图7所示。

具体实施例：

一种基于修正气液动力学电池模型的SOC估算方法，基于最终推导的公式二十一、公式二十二和公式二十三设计电池SOC估算算法流程，如图4所示。初始化步骤：读取含有±5％电流增益误差的电流I采样数据(如图5所示)、±15mV电压采样误差的端电压U采样数据(如图6所示)和温度T采样数，电池额定容量Q

表1采样数据及估算结果

图5(a)显示含有±5％电流增益误差与不含电流增益误差的DST工况电流I采样数据对比图，图5(b)显示含有±5％电流增益误差与不含电流增益误差的FUDS工况电流I采样数据对比图，图5(c)显示含有±5％电流增益误差与不含电流增益误差的UDDS工况电流I采样数据对比图。通常带有电流累积法的电池SOC估算算法对电流采样误差非常敏感，因此本发明采用含有±5％电流增益误差的采样数据验证估算效果。

图6(a)显示含有±15mV采样误差与不含采样误差的DST工况电压U采样数据对比图，图6(b)显示含有±15mV采样误差与不含采样误差的FUDS工况电压U采样数据对比图，图6(a)显示含有±15mV采样误差与不含采样误差的UDDS工况电压U采样数据对比图。通常带有估算电池开路电压方法的SOC估算算法对电压采样误差非常敏感，因此本发明采用含有±15mV采样误差的电压数据验证估算效果。

本发明运用含有±5％增益误差的电流I采样数据、±15mV误差的端电压U采样数据和温度数据的DST、FUDS和UDDS工况验证SOC估算效果，如图7所示。在三种工况下灰色实线(实验值)与黑色点线(估算值)展现非常好的重合性，SOC估算的最大误差均小于1％，表明本发明在存在电流和电压采样误差时仍然实现高精度SOC估算，本发明具有非常好的工业应用价值。

一种实现所述修正气液动力学电池模型的SOC估算方法的系统，包括信号采集模块、SOC估算模块和显示模块；

所述信号采集模块包括电流传感器、温度传感器和电压传感器，用于采集电池的电流、温度和端电压，其与SOC估算模块连接，并将采集的电流、温度和端电压信号传送到SOC估算模块；

所述SOC估算模块用于在原有气液动力学电池模型状态方程基础上，补充了在充电过程和放电过程中密闭容器内气体物质的量的变化、电子流的计算和气体流量计算的状态方程，得到修正气液动力学电池模型；SOC估算模块还用于根据修正气液动力学电池模型推导电池开路电压估算方程和容量增量法SOC估算方程，通过开路电压估算方程获得OCV

具体的，所述SOC估算模块包括单片机，基于SOC估算流程图4，运用公式二十一、公式二十二和公式二十三设计电池SOC估算算法，初始化步骤：读取通过实验获得的电池端电压U、温度T、电流I，电池额定容量Q

所述单片机优选为飞思卡尔汽车级单片机。将基于气液动力学模型的SOC在线估算方法在硬件上实现，可以在CodeWarrior Development Studio开发平台上运用C语言编写的代码在单片机上实现。

所述SOC估算模块具体为：

首先加载单片机的库函数文件，运用库函数配置单片机寄存器，编写时钟函数、定时器函数、延迟函数、存储函数、数据校验函数、开路电压估算函数和主函数等；

①将电流传感器、温度传感器连接到信号采集卡上，采集卡可以直接采集单体电池电压，优选的，单体电池电压范围在0—5V以内；

②采集卡与单片机串口相连，通讯方式选择RS-232，将电池的电流、电压、温度信号传给单片机；

③单片机主函数读取电池的电流、电压、温度信号，调用开路电压E

④如此循环第①至③步，完成电池组实时SOC估算。

所述上位机是基于Microsoft Visual Studio平台开发的，用于显示电池组端电压、SOC、所有串联单体电池的SOC和拟合的电池最低SOC；

所述单片机包括：2

运用的信号通讯协议包括：RS-485、CAN、TCP、modbus、MPI、串口通信等。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。