本发明专利技术公开了一种锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法，具体方法为：第一步、对于新出厂的锂离子电池，在25℃以1/3C做恒流充放电实验，得到电池的初始额定容量C0；第二步、在每个采样时刻，根据采样电流i的大小，确定电池是否处于充、放电状态工作；第三步、循环模式；第四步、存储模式；第五步、判断电池的SOH是否小于80％，是则表示电池已经报废，循环结束，否则说明电池处于健康状态，返回第二步。有益效果：本发明专利技术提出了一种在多尺度框架下，联合估算电池SOC和SOH的方法。该方法同时考虑了锂离子电池在存储过程和循环使用过程中的SOH变化，减小了SOC和SOH估计算法的计算量，提高了估算精度。
【技术实现步骤摘要】
锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法
本专利技术涉及一种电池荷电状态和健康状态联合估算方法，特别涉及一种锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法。
技术介绍
目前，作为纯电动汽车主要的能量来源，锂离子动力电池的性能对电动汽车的动力性、续航里程和经济性有非常重要的影响。电池管理系统是电动汽车的核心部件，主要包括数据采集、状态监测、健康管理、安全管理和均衡管理等功能。电池管理系统监测的主要状态包括荷电状态(StateofCharge，SOC)和健康状态(StateofHealth，SOH)。对电池状态的监测可以为电动汽车安全管理策略、健康管理策略，均衡策略、驾驶策略等的研究提供依据。SOC用来表征电池的剩余电量，是剩余电量与额定容量的百分比。SOH用来描述电池的健康状态，反映电池当前的容量，定义为：由于电池的老化机理不同，将电池SOH的变化分为电池存储过程中的变化和电池循环使用过程中的变化。电池SOH在存储过程中的变化表征的是电池存储过程中由电池自放电、电池材料特性变化等引起的电池老化现象；电池SOH在循环使用过程中的变化则表征的是电池使用(充电和放电)过程中电化学反应和电池材料特性变化引起的电池老化现象。这两种情况下，电池的老化机理不同，所以电池SOH的建模方式不同，SOH的估算方法也就不同。电池的SOC和SOH均为电池的内部变量，不能直接测量得到，需要根据电池的老化特性和可测信号(如，电流、电压和温度等)间接估计或计算得到。目前SOC估算方法主要有AH积分法、开路电压法、Kalman滤波法、状态观测器法和神经网络法等。SOH估算方法主要有损伤积累法、Kalman滤波法、粒子滤波法、数据驱动法等。现有的SOH估计方法只针对电池在循环使用过程的SOH变化进行了研究，这些估计方法需要大量的电池老化过程数据，计算量大，实现困难，SOH估计精度较低。对于SOC和SOH的估计，现有的大部分电池管理系统，都是对SOC和SOH分别设计估计器，占用资源多。电池SOC的变化相对比较快，在大电流充、放电情况下，一秒钟内就会发生很大变化，但电池的SOH变化缓慢(在使用前期，一周之内SOH的变化不到1％，基本上不受电池的充、放电电流大小和充、放电次数影响)，即电池的SOC和SOH是在不同的时间尺度上变化的。如果SOC和SOH的估计频率相同，就会大幅度增加计算量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的电池的荷电状态和健康状态的估算方法中分别设计估计器、估算精度低以及占用资源多的问题，提供了一种锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法。本专利技术提供的锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法，其具体方法如下所述：第一步、对于新出厂的锂离子电池，在25℃以1/3C做恒流充放电实验，得到电池的初始额定容量C0；第二步、在每个采样时刻，根据采样电流i的大小，确定电池是否处于充、放电状态工作，即：是否满足|i|＞0.05A，是则进入第三步的循环模式，否则进入第四步的存储模式；第三步、循环模式：(3.1)k＝0，l＝0时刻，初始化：状态初始化：采集电池进入循环模式初始时刻的电池开路电压(即，当前时刻电池的端电压视为开路电压)，基于开路电压和SOC的关系表达式(根据HPPC脉冲测试工况测得数据，并经过数据拟合得到，其中LiMn2O4电池的开路电压和SOC关系表达式如式(3)所示)的逆公式，计算循环模式下电池SOC初始值SOC(0,0)，电池容量初始化：容量估计误差方差矩阵初始化：状态估计误差方差矩阵初始化：(3.2)采集电池的充放电电流，判断是否有电流流过电池，即|i|＞0.05A是否成立，是则运行步骤(3.3)，否则结束循环模式，运行第五步；(3.3)宏观计数变量加1，k＝k+1；(3.4)EKFc的时间更新，由公式(12)和公式(13)计算和Pc-(k)；Pc-(k)＝Pc(k-1)+Σr(k-1)(13)(3.5)微观计数变量加1，l＝l+1；(3.6)EKFx的时间更新，由公式(14)和公式(15)计算和Px-(k-1,l)；Px-(k-1,l)＝Ad·Px(k-1,l-1)·AdΤ+Σw(k-1,l-1)(15)(3.7)EKFx的测量更新，由公式(16)、公式(17)和公式(18)分别计算Kx(k-1,l)、和Px(k-1,l)，其中对进行状态分离就可以得到电池的SOC；Kx(k-1,l)＝Px-(k-1,l)·Cx(k-1,l)Τ·[Cx(k-1,l)·Px-(k-1,l)·Cx(k-1,l)Τ+Σv(k-1,l)](16)Px(k-1,l)＝[I-Kx(k-1,l)·Cx(k-1,l)]·Px-(k-1,l)(18)(3.8)判断l＝L是否成立，是则进行步骤(3.9)，否则返回步骤(3.5)；(3.9)时间尺度转换，由公式(20)-公式(23)得到Px(k,0)、y(k,0)和i(k,0)；Px(k,0)＝Px(k-1,L)(21)y(k,0)＝y(k-1,L)(22)i(k,0)＝i(k-1,L)(23)(3.10)EKFc的测量更新，由公式(24)、公式(25)和公式(26)，计算Kc(k)、和Pc(k)；Kc(k)＝Pc-(k)·Cc(k)Τ·[Cc(k)·Pc-(k)·Cc(k)Τ+Σv(k)](24)Pc(k)＝[I-Kc(k)·Cc(k)]·Pc-(k)(26)(3.11)提取电池容量(3.12)由公式(1)，计算当前时刻电池的SOH值；(3.13)微观计数变量清零l＝0，返回步骤(3.2)；第四步、存储模式：(4.1)开始存储时的电池容量Ck0＝Ct，令存储时间ts＝0；(4.2)判断电池是否处于充放电工作状态，即，|i|＞0.05A是否成立，是则进入步骤(4.3)计算电池容量，否则ts＝ts+Tt，继续判断电池是否处于充放电工作状态；(4.3)根据电池处存储的时间ts、电池存储温度T和电池存储时的电池端电压V，由电池静置时容量衰减经验公式(30)，计算当前时刻电池容量Ct，存储模式结束，返回第二步，电池静置时容量衰减经验公式(30)如下：Ct＝Ck0·[1+B(T,V)·F(ts)](30)其中，F(ts)表示存储时间ts对电池存储时容量的影响，B(T,V)描述存储时环境温度T和存储电压V对电池老化速率的影响，ca，cT，cV为老化系数，取值与电池正负极和电解质的材料有关；T0为电池存储环境温度参考值，通常取T0＝25℃；V0为电池端电压参考值，通常取电池额定电压(对于LiMn2O4电池，取V0＝3.6V)；ΔT为温度梯度，根据电池存储时SOH对环境温度的敏感度，取ΔT＝10℃；ΔV为电压梯度，根据电池存储时SOH对存储电压的敏感度，取ΔV＝0.1V；第五步、判断电池的SOH是否小于80％，是则表示电池已经报废，循环结束，否则说明电池处于健康状态，返回第二步。本专利技术的有益效果：本专利技术提出了一种在多尺度框架下，联合估算电池SOC和SOH的方法。该方法同时考虑了锂离子电池在存储过程和循环使用过程中的SOH变化，减小了SOC和SOH估计算法的计算量，提高了估算精度。附图说明图1为锂离子电池SOC和SOH联合估算方法流程图。图2为锂离子电池初始额定容量测量流程图。图3为Thevenin等效电路模型。图4为循环本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法，其特征在于：所述的方法如下所述：第一步、对于新出厂的锂离子电池，在25℃以1/3C做恒流充放电实验，得到电池的初始额定容量C0；第二步、在每个采样时刻，根据采样电流i的大小，确定电池是否处于充、放电状态工作，即：是否满足|i|＞0.05A，是则进入第三步的循环模式，否则进入第四步的存储模式；第三步、循环模式：(3.1)k＝0，l＝0时刻，初始化：状态初始化：采集电池进入循环模式初始时刻的电池开路电压，即：当前时刻电池的端电压可视为开路电压，基于开路电压和SOC的关系表达式，根据HPPC脉冲测试工况测得数据，并经过数据拟合得到，其中LiMn2O4电池的开路电压和SOC关系表达式如式(3)所示的逆公式，计算循环模式下电池SOC初始值SOC(0,0)，电池容量初始化：容量估计误差方差矩阵初始化：状态估计误差方差矩阵初始化：(3.2)采集电池的充放电电流，判断是否有电流流过电池(|i|＞0.05A是否成立)，是则运行步骤(3.3)，否则结束循环模式，运行第五步；(3.3)宏观计数变量加1，k＝k+1；(3.4)EKFc的时间更新，由公式(12)和公式(13)计算和Pc‑(k)；Pc‑(k)＝Pc(k‑1)+Σr(k‑1) (13)(3.5)微观计数变量加1，l＝l+1；(3.6)EKFx的时间更新，由公式(14)和公式(15)计算和Px‑(k‑1,l)；Px‑(k‑1,l)＝Ad·Px(k‑1,l‑1)·AdΤ+Σw(k‑1,l‑1) (15)(3.7)EKFx的测量更新，由公式(16)、公式(17)和公式(18)分别计算Kx(k‑1,l)、和Px(k‑1,l)，其中对进行状态分离就可以得到电池的SOC；Kx(k‑1,l)＝Px‑(k‑1,l)·Cx(k‑1,l)Τ·[Cx(k‑1,l)·Px‑(k‑1,l)·Cx(k‑1,l)Τ+Σv(k‑1,l)] (16)Px(k‑1,l)＝[I‑Kx(k‑1,l)·Cx(k‑1,l)]·Px‑(k‑1,l) (18)(3.8)判断l＝L是否成立，是则进行步骤(3.9)，否则返回步骤(3.5)；(3.9)时间尺度转换，由公式(20)‑公式(23)得到Px(k,0)、y(k,0)和i(k,0)；Px(k,0)＝Px(k‑1,L) (21)y(k,0)＝y(k‑1,L) (22)i(k,0)＝i(k‑1,L) (23)(3.10)EKFc的测量更新，由公式(24)、公式(25)和公式(26)，计算Kc(k)、和Pc(k)；Kc(k)＝Pc‑(k)·Cc(k)Τ·[Cc(k)·Pc‑(k)·Cc(k)Τ+Σv(k)] (24)Pc(k)＝[I‑Kc(k)·Cc(k)]·Pc‑(k) (26)(3.11)提取电池容量(3.12)由公式(1)，计算当前时刻电池的SOH值；SOH=CkC0·100%---(1)]]>(3.13)微观计数变量清零l＝0，返回步骤(3.2)；第四步、存储模式：(4.1)开始存储时的电池容量Ck0＝Ct，令存储时间ts＝0；(4.2)判断电池是否处于充放电工作状态，即，|i|＞0.05A是否成立，是则进入步骤(4.3)计算电池容量，否则ts＝ts+Tt，继续判断电池是否处于充放电工作状态；(4.3)根据电池处存储的时间ts、电池存储温度T和电池存储时的电池端电压V，由电池静置时容量衰减经验公式(30)，计算当前时刻电池容量Ct，存储模式结束，返回第二步，电池静置时容量衰减经验公式(30)如下：Ct＝Ck0·[1+B(T,V)·F(ts)] (30)其中，F(ts)表示存储时间ts对电池存储时容量的影响，B(T,V)描述存储时环境温度T和存储电压V对电池老化速率的影响，ca，cT，cV为老化系数，取值与电池正负极和电解质的材料有关；T0为电池存储环境温度参考值，通常取T0＝25℃；V0为电池端电压参考值，通常取电池额定电压(对于LiMn2O4电池，取V0＝3.6V)；ΔT为温度梯度，根据电池存储时SOH对环境温度的敏感度，取ΔT＝10℃；ΔV为电压梯度，根据电池存储时SOH对存储电压的敏感度，取ΔV＝0.1V；第五步、判断电池的SOH是否小于80％，是则表示电池已经报废，循环结束，否则说明电池处于健康状态，返回第二步。...
【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池荷电状态和健康状态联合估算方法，其特征在于：所述的方法如下所述：第一步、对于新出厂的锂离子电池，在25℃以1/3C做恒流充放电实验，得到电池的初始额定容量C0；第二步、在每个采样时刻，根据采样电流i的大小，确定电池是否处于充、放电状态工作，即：是否满足|i|＞0.05A，是则进入第三步的循环模式，否则进入第四步的存储模式；第三步、循环模式：(3.1)k＝0，l＝0时刻，初始化：状态初始化：采集电池进入循环模式初始时刻的电池开路电压，即：当前时刻电池的端电压视为开路电压，基于开路电压和SOC的关系表达式，根据HPPC脉冲测试工况测得数据，并经过数据拟合得到，其中LiMn2O4电池的开路电压和SOC关系表达式如下：计算循环模式下电池SOC初始值SOC(0,0)，电池容量初始化：容量估计误差方差矩阵初始化：状态估计误差方差矩阵初始化：其中，Ck为当前时刻电池的容量，为电池初始的额定容量设定值；Ct(0)为k＝0时刻的电池初始额定容量；x(0,0)为k＝0时刻的状态变量；(3.2)采集电池的充放电电流，判断是否有电流流过电池，即|i|＞0.05A是否成立，是则运行步骤(3.3)，否则结束循环模式，运行第五步；(3.3)宏观计数变量加1，k＝k+1；(3.4)EKFc的时间更新，由公式(12)和公式(13)计算和Pc-(k)；Pc-(k)＝Pc(k-1)+Σr(k-1)(13)其中，Pc(k-1)＝Pc(k-2)+Σr(k-2)；r(k)为电池容量模型的过程噪声，是均值为零、方差为Σr(k)的高斯白噪声；(3.5)微观计数变量加1，l＝l+1；(3.6)EKFx的时间更新，由公式(14)和公式(15)计算和Px-(k-1,l)；Px-(k-1,l)＝Ad·Px(k-1,l-1)·AdΤ+Σw(k-1,l-1)(15)其中，是系统在t(k-1,l-1)＝t(k-1,0)+(l-1)·Tt时刻的状态变量；为离散化后的估计系统的传递矩阵；i(k-1,l)为电池在t(k-1,l)＝t(k-1,0)+l·Tt时刻的充放电电流，充电时为正，放电时为负；Px-(k-1,l-1)＝Ad·Px(k-1,l-2)·AdΤ+Σw(k-1,l-2)，Px(k-1,l-1)＝[I-Kx(k-1,l-1)·Cx(k-1,l-1)]·Px-(k-1,l-1)；Σw(k-1,l-1)为过程噪声w(k-1,l-1)的方差；(3.7)EKFx的测量更新，由公式(16)、公式(17)和公式(18)分别计算Kx(k-1,l)、和Px(k-1,l)，其中对进行状态分离就可以得到电池的SOC；Kx(k-1,l)＝Px-(k-1,l)·Cx(k-1,l)Τ·[Cx(k-1,l)·Px-(k-1,l)·Cx(k-1,l)Τ+Σv(k-1,l)](16)Px(k-1,l)＝[I-Kx(k-1,l)·Cx(k-1,l...
【专利技术属性】
技术研发人员：马彦，李炳思，茹敬佩，周秀文，陈虹，赵海艳，王留，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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