一種基于開路電壓滯回特性的荷電狀態的估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種荷電狀態的估計方法，尤其是涉及一種基于開路電壓滯回特性的 荷電狀態的估計方法。
【背景技術】
[0002] 動力電池系統作為關鍵的零部件在電動汽車和電力儲能等領域得到越來越多的 應用。在應用過程中，需要電池管理系統（BatteryManagementSystem，BMS)對電池狀態 進行監控，防止過充過放延長電池使用壽命。在這其中，S0C(荷電狀態）的準確估計尤為 關鍵。大多數的S0C估計方法是利用S0C與開路電壓OCV(OpenCircuitVoltage，開路電 壓）的對應關系得到，如開路電壓法，基于模型的S0C估計方法等。對0CV與S0C對應關系 的描述是這些S0C估計方法的核心基礎。鋰離子電池中開路電壓和0CV并不完全--對應， 而是存在滯回關系（同一S0C下，充電過程的0CV大于放電過程的0CV)。
[0003] 傳統的鋰離子電池開路電壓滯回特性的建模方法中引入了較多的簡化，使得滯回 模型的建模精度低，從而影響S0C估計。本文采用的基于Preisach算子的滯回模型建模方 法，在鎳氫電池（NiMH)的開路電壓滯回建模中已經應用，但由于鋰離子電池相比NiMH電池 開路電壓滯回關系并不顯著并且也無對稱性，使得離散Preisach模型無法較好應用到鋰 離子電池中。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種建模準確、提高 精度、估計準確的基于開路電壓滯回特性的荷電狀態的估計方法。
[0005] 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
[0006] 一種基于開路電壓滯回特性的荷電狀態的估計方法，用于在線估計鋰離子電池的 荷電狀態，包括以下步驟：
[0007] 1)離線獲取鋰離子電池開路電壓和荷電狀態的滯回特性曲線；
[0008] 2)根據滯回特性曲線訓練確定基于Preisach算子的開路電壓滯回特性自適應模 型的初始參數，并建立基于Preisach算子的開路電壓滯回特性自適應模型；
[0009] 3)根據基于Preisach算子的開路電壓滯回特性自適應模型在線估計鋰離子電池 的荷電狀態，得到當前時刻鋰離子電池的荷電狀態。
[0010] 所述的步驟2)中的基于Preisach算子的開路電壓滯回特性自適應模型的初始參 數包括Preisach三角形的網格劃分數目N和權重向量的初始值y。
[0011] 所述的步驟2)中基于Preisach算子的開路電壓滯回特性自適應模型為：
[0012]
[0013] 其中，(人）為tk時刻開路電壓對應的荷電狀態值，Q(tk)為tk時刻開路電壓 值在Preisach三角形中對應的滯回狀態向量，y(tk)為4時刻Preisach三角形中所有網 格的滯回權重向量。
[0014] 所述的步驟3)具體包括以下步驟：
[0015]31)在線獲取上一時刻tki的Preisach三角形網格中的權重向量y(tkD和當前 時刻tk的滯回狀態值《(tk)，計算得到當前時刻的先驗荷電狀態值SOC; 為：
[0016]
[0017] 32)根據電池容量Q。、上一時刻tki的荷電狀態值夂C,:和當前時刻tk的先 驗荷電狀態值soc,, (/,)計算得到當前時刻的電流估計值UtJ為：
[0018]
[0019]At=tk-tk1；
[0020] 33)根據實測的當前時刻的電流實際值1"(4)和電流估計值Iral(tk)得到當前時 刻的電流誤差值n_current(tk)為：
[0021] n.current(tk) =In (tk)-Ical (tk)；
[0022] 34)根據當前時刻的電流誤差值n_current(tk)和當前時刻的先驗荷電狀態值 SGCtt_, 并采用最小均方誤差法得到當前時刻權重向量增量AA,，并計算當前時刻的權 重值y(tk)為：
[0023]II(〇 =y(tt ,) +An(tj〇 (tk)
[0024]
[0025] 其中入為步長因子，且入G[0,1];
[0026] 35)根據當前時刻的權重向量y(tkD和滯回狀態值《 (tk)通過開路電壓滯回特 性自適應模型得到當前時刻的后驗荷電狀態值(〔），即當前時刻的鋰離子電池的荷電 狀態，并返回步驟31)進行下一時刻的鋰離子電池的荷電狀態估計。
[0027] 所述的步驟34)中，當前時刻權重向量增量的計算式為：
[0028] A//, )??(/,)
[0029] 其中，入為步長因子，且入G[0，1]，n(tk)為鞏時刻計算電流和測量電流的誤 差值，《(tk)為4時刻Preisach三角形中滯回狀態向量。
[0030] 與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0031] 一、建模準確：本發明通過引入測量電流和計算電流的誤差，在每一時刻對 Preisach三角形中網格對應的權重值進行自適應調節，通過先驗荷電狀態值和滯回狀態值 與當前電流實際值通過迭代計算，使得鋰離子電池開路電壓滯回特性準確進行建模。
[0032] 二、提高精度：本發明是通過算法的改進提高建模的精度，算法中起核心作用的測 量電流可通過電池管理系統中原有的電流傳感器直接獲取，在精度提高的同時并沒有增加 硬件成本。
[0033]三、估計準確：本發明是通過對鋰離子電池滯回特性進行荷電狀態的估計，針對滯 回特性嚴重不能忽略的鋰離子電池（如磷酸鐵鋰電池）的荷電狀態估計更加準確可靠。
【附圖說明】
[0034] 圖1為鋰離子電池0CV-S0C滯回特性曲線示意圖。
[0035] 圖2為基本Preisach算子示意圖。
[0036] 圖3為Preisach三角形及階梯形記憶曲線示意圖。
[0037] 圖4為離散Preisach三角形及網格示意圖。
[0038] 圖5為鋰離子電池0CV-S0C滯回模型訓練流程圖。
[0039] 圖6為鋰離子電池0CV-S0C自適應離散Preisach模型應用流程圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0041] 實施例：
[0042] 本發明的主要目的是建立一種鋰離子電池開路電壓滯回特性的準確建模方法，從 而最終能夠用于鋰離子電池荷電狀態S0C的準確估計，本發明的另一目的是通過提出的建 模方法由已知的準確S0C得到滯回存在下的0CV值，從而能進一步用于分析電池的極化電 壓以及阻抗等，為電池管理系統提供更多的信息。
[0043] 為了實現本發明如上所述的目標和其他優點，如這里具體地和廣泛地描述，提供 一種基于電流調節和離散Preisach算子的鋰離子電池開路電壓滯回特性的建模方法，傳 統的開路電壓滯回特性建模中存在誤差較大精度難以保證的缺點，并不適用于本發明，本 發明在離散Preisach算子對滯回特性建模的基礎上，將Preisach三角形劃分的網格所對 應的權重值視為時變量，通過求取每一時刻下定義的先驗S0C以及電池中的電流值，得到 電流的偏差值，該值結合最小均方誤差理論（LMS)得到每一時刻下權重值變化的增量，與 上一時刻的權重值求和得到當前時刻的權重值，進一步結合當前時刻的滯回狀態，得到后 驗S0C即為當前時刻的S0C輸出，其中模型中網格劃分的數目和權重向量的初始值是通過 鋰離子電池0CV-S0C滯回曲線離線確定。
[0044] 根據本發明的優選實施例，完整的實施步驟如下：1)實驗離線得到鋰離子電池 0CV-S0C滯回特性曲線；2)離線確定Preisach三角形網格劃分的數目和對應的權重向量的 初始值；3)在線應用時Preisach三角形網格對應的權重值視為時變，當前值由上一時刻權 重值加上當前時刻變化量得到；4)根據當前時刻0CV值更改Preisach三角形每一網格的 滯回狀態值，并根據上一時刻的權重值得到當前時刻的先驗S0C值；5)由先驗S0C值、上一 時刻的S0C值、電池容量得到當前時刻的電流估計值，與實際電流比較得到誤差值；6)當前 時刻的電流誤差值結合最小均方誤差（LMS)理論得到當前時刻權重值的增量和當前時刻 的權重值；7)當前時刻的權重值結合當前時刻的滯回狀態值得到當前時刻的后驗S0C值即 為當前時刻的S0C值，下一時刻重復上述過程。
[0045] 圖1所示為實驗測試的鋰離子電池ocv-soc滯回特性曲線（0CV充分靜置，時間大 于3小時），該實驗曲線用于確定本發明提出的滯回模型的初始參數，為了充分覆蓋鋰離子 電池的滯回特性，實驗測定時先從電池滿充狀態放電，每隔5%S0C變化和靜置后記錄0CV 值直至S0C= 0滿放狀態；然后進入充電狀態每隔5 %S0C變化和靜置后記