一種考慮單體不一致的鋰離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮單體不一致的鋰離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法，用以獲取鋰離子動力電池組中各個單體的參數(shù)，包括歐姆內(nèi)阻、極化電阻和時間常數(shù)，包括以下步驟：1)獲取鋰離子動力電池組的總體平均參數(shù)；2)分別構(gòu)造歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A、極化電阻權(quán)向量B和時間常數(shù)權(quán)向量C并根據(jù)總體平均參數(shù)分別獲取鋰離子動力電池組中各個單體的參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有考慮單體不一致性、計(jì)算簡單等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種考慮單體不一致的鋰離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及動力電池組領(lǐng)域，尤其是涉及一種考慮單體不一致的鋰離子動力電池 組在線參數(shù)估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前的電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)對電池內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行估 計(jì)時，往往將整個電池組看成均勻的。實(shí)際上，電池在制作和裝配過程中，由于工藝和材質(zhì) 的不均勻等，使得同一類型、規(guī)格、型號的電池在出廠時的參數(shù)不可能完全一致。而在電池 的使用過程中，每個電池單體的充放電過程、自放電程度、通風(fēng)條件和溫度環(huán)境等的差異在 一定程度上也會增加電池參數(shù)的不一致性電池組內(nèi)部各單體之間存在不一致。對于成組的 電池來說，由于其內(nèi)阻不一致性，在充電過程中，相同的充電電流下，內(nèi)阻大的電池升壓高， 容易導(dǎo)致過充;而在放電過程中，相同的放電電流下，內(nèi)阻大的電池壓降高，容易導(dǎo)致過放。 因此，以平均參數(shù)代替各個單體參數(shù)進(jìn)行管理是不合理的。在電池的使用過程中，隨著循環(huán) 次數(shù)的增加，電池的不一致性會加劇，電池組很有可能會因?yàn)槟骋还?jié)單體的損壞而提前報(bào) 廢，甚至引起安全隱患，導(dǎo)致系統(tǒng)使用和維護(hù)成本增加。這一問題已經(jīng)成為制約電動汽車產(chǎn) 業(yè)化發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸問題之一。
[0003] 由于單體不一致的問題，我們必須要對每一節(jié)單體電池進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，對于BMS來 說，電池信息顯示必須實(shí)時。因此，如果我們直接將傳統(tǒng)參數(shù)辨識方法在每節(jié)單體電池上實(shí) 施，將導(dǎo)致計(jì)算量過大，從而就對處理器提出較高的要求，勢必會增加 BMS的成本。因此，本 發(fā)明所提的方法是對現(xiàn)有估計(jì)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使之能在不增加計(jì)算量或者只增加少 量計(jì)算量的前提下估計(jì)出考慮一致性的參數(shù)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種考慮單體不一 致性、計(jì)算簡單的考慮單體不一致的鋰離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種考慮單體不一致的鋰離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法，用以獲取鋰離子動 力電池組中各個單體的參數(shù)，包括歐姆內(nèi)阻、極化電阻和時間常數(shù)，包括以下步驟：
[0007] 1)獲取鋰離子動力電池組的總體平均參數(shù)；
[0008] 2)分別構(gòu)造歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A、極化電阻權(quán)向量B和時間常數(shù)權(quán)向量C并根據(jù)總體 平均參數(shù)分別獲取鋰離子動力電池組中各個單體的參數(shù)。
[0009] 所述的步驟1)中通過最小二乘法或自適應(yīng)濾波法獲取鋰離子動力電池組的總體 平均參數(shù)。
[0010]當(dāng)通過最小二乘法獲取鋰離子動力電池組的總體平均參數(shù)時包括以下步驟：
[0011] 11)根據(jù)多個電池單體串聯(lián)的電池組結(jié)構(gòu)建立電池平均模型，該模型為：
[0013] 其中，UL為端電壓，U。。為開路電壓，UThm為平均極化電壓，II為電流，R〇 m為平均歐姆 內(nèi)阻，RThm為平均極化電阻，CThm為平均極化電容，為，
[0014] 12)構(gòu)建電池平均模型的差分方程，并采用遞推公式，獲取動力電池組的總體平均 參數(shù)，包括平均歐姆內(nèi)阻、平均極化電阻和平均時間常數(shù)，
[0015] 所述的差分方程為：
[0023] 動力電池組的總體平均參數(shù)為：
[0025] 其中，Ud,k、Ud,k+i分別為電池組k時刻和k+Ι時刻的平均動態(tài)電壓向量，IL,k、lL,k+i分 別為電池組k時刻和k+Ι時刻的電流，T m為平均時間常數(shù)且Tm=RThmCTt?，Δ t為采樣周期，Pk、 Pk+i分別為k和k+1時刻的協(xié)方差矩陣，Lk+i為k+1時刻的增益矩陣。
[0026] 所述的步驟2)中，歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A、極化電阻權(quán)向量B和時間常數(shù)權(quán)向量C的表達(dá) 式為：
[0029] 其中，Udn為電池組中第η個單體的平均動態(tài)電壓，υΒη為電池組中第η個單體基于權(quán) 向量Β的動態(tài)電壓，U Cn為電池組中第η個單體基于權(quán)向量C的動態(tài)電壓。
[0030] 所述的步驟2)中，
[0031]歐姆內(nèi)阻權(quán)向量Α的遞推公式為：
[0032] UP,k = Ud mean, kAk-i
[0033 ] Ak = Ak-ι+gAUd mean, k(Ud,k-UP,k)
[0034] 極化電阻權(quán)向量B的遞推公式為：
[0035] UBp,k = UBmean,kBk-l
[0036] Bk = Bk-l+gBUBmean, k ( Ub, k~UBp, k )
[0037] 時間常數(shù)權(quán)向量C的遞推公式為：
[0038] UcP>k = Ucmean,kCk-l
[0039] Ck = Ck-l+gcUcmean, k ( UC> k'Ucp, k )
[0040] 其中，UP,k為電池組k時刻的預(yù)測動態(tài)電壓，Udm^k為k時刻所有電池組單體動態(tài)電 壓的算數(shù)平均值，Ud, k為電池組k時刻的平均動態(tài)電壓向量，gA為歐姆增益，UBp, k為電池組k時 亥IJ的UB的預(yù)測值，UBmean, k為k時刻電池組各單體對應(yīng)UB的算數(shù)平均值，gB為極化增益，UCp, k為 電池組k時刻的UC的預(yù)測值，UCmean,Ak時刻電池組各單體對應(yīng)U B的算數(shù)平均值，gc為時間增 益。
[0041 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0042] -、考慮單體不一致性:本發(fā)明分別根據(jù)每節(jié)單體的端電壓，荷電狀態(tài)等參數(shù)估計(jì) 出每節(jié)電池的參數(shù)，而不是把整包電池看成均勻狀態(tài)來求出平均參數(shù)。
[0043]二、計(jì)算簡單:本發(fā)明從原理出發(fā)，推導(dǎo)出考慮單體不一致性的權(quán)向量，計(jì)算時只 需將平均參數(shù)與權(quán)向量相乘即可得到每節(jié)單體的參數(shù)，與目前的方法相比，大大減小了計(jì) 舁里。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明算法流程圖。
[0045] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例涉及的電池模型圖。
[0046] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的兩種電池模型示意圖，其中，圖（3a)為本發(fā)明實(shí)施例的電池 串聯(lián)模型示意圖，圖（3b)為本發(fā)明實(shí)施例的電池平均模型示意圖。
[0047] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的電池參數(shù)曲線，其中，圖（4a)為本發(fā)明實(shí)施例中兩節(jié)電池動 態(tài)電壓曲線，圖（4b)為本發(fā)明實(shí)施例中兩節(jié)電池歐姆內(nèi)阻曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0049] 實(shí)施例：
[0050] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及創(chuàng)新點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本 發(fā)明作進(jìn)一步的闡釋。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限 定本發(fā)明。
[0051 ]如圖1所示，圖為本發(fā)明的算法流程圖。
[0052]圖2所示為本發(fā)明實(shí)施例涉及的電池模型圖，其中U。。為開路電壓，仇為端電壓，II 為電流Rq為歐姆內(nèi)阻，RTh和Orh分別為極化電阻和極化電容，I Th為極化電容的電流，UTh為極 化電壓，模型的數(shù)學(xué)關(guān)系為：
[0054]為簡化起見，假設(shè)一個簡單的電池模組，其中有兩節(jié)電池串聯(lián)，其阻抗模型如圖3a 所示。首先，可以構(gòu)建一個上述兩節(jié)電池的平均阻抗模型，如圖3b所示，RQm為平均歐姆內(nèi)阻， RThm為平均極化電阻，CThm平均極化電容。通過一般的參數(shù)估計(jì)方法，我們可以求出電池組的 平均參數(shù)，此處以最小二乘法為例。電池組的差分方程如下式：
[0055] Ud,k+i = aUd,k+blL,k+i+clL,k
[0056] 上式中，Ud,k為k時刻平均端電壓和平均開路電壓之差，即電池組平均動態(tài)電壓， 1^為袖寸刻的電流， &、13、(3為：
[0058] 上式中，RQm為平均歐姆內(nèi)阻，RThm為平均極化電阻，τ η為平均時間常數(shù)，e為自然對 數(shù)，At為采樣周期。最小二乘法的遞推公式如下：
[0060]上式中，堯?yàn)閗時刻的參數(shù)估計(jì)值，zk+i = Ud,k+i，hk+i= [Ud,k+i，lL,k+i， IL,k]。設(shè)定好初值之后可以遞推出a、b、c的值，然后根據(jù)下式可以求出平均參數(shù)：
[0062] 求出平均參數(shù)之后，下面求單體參數(shù)，如圖3a所示，有：
[0063] Roi: R〇2 = Uoi : U〇2
[0064] 上式中Uoi和U〇2分別為兩節(jié)電池歐姆內(nèi)阻Roi和R〇2上的電壓。但是在實(shí)際計(jì)算中Uoi 和UQ2的求解比較困難，而實(shí)際情況中發(fā)現(xiàn)歐姆內(nèi)阻之比與動態(tài)電壓之比比較接近。本發(fā)明 的實(shí)施例，如圖4a和4b所示，在動態(tài)電壓曲線上隨機(jī)選取了兩個時刻，兩節(jié)電池動態(tài)電壓的 比值為1.06和1.07,兩節(jié)電池歐姆內(nèi)阻的比值為1.05。
[0065] 因此，我們可以推斷：
[0066] R〇i：R〇2^Udi：Ud2
[0067] 根據(jù)上述比例關(guān)系，我們可以構(gòu)造一個權(quán)向量A:
[0071] 根據(jù)平均歐姆內(nèi)阻和向量A，我們可以求出兩節(jié)電池的歐姆內(nèi)阻：
[0072] [ Roi, R02 ] = R〇mA
[0073] 這樣就可以求出兩節(jié)電池的歐姆內(nèi)阻，然后根據(jù)動態(tài)電壓Ud和電流II可以求出極 化電壓UTh:
[0075]根據(jù)模型的數(shù)學(xué)關(guān)系可以推出：
[0077]由于采樣周期At-般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于時間常數(shù)τ，因此有：
[0081 ] 上式整理得：
[0083] 令：
[0084] UB = UTh,k+l/UTh,k
[0085] 這樣我們就可以構(gòu)造一個權(quán)向量B:
[0089]根據(jù)平均時間常數(shù)~和權(quán)向量B，我們可以求出：
[0091]這樣就求出了兩節(jié)電池的時間常數(shù)τ#Ρτ2，由電池模型的數(shù)學(xué)關(guān)系得：
[0093]因此有兩節(jié)電池的極化電阻之比：
[0097]這樣我們就可以構(gòu)造一個權(quán)向量C:
[0099] 根據(jù)RTh4P權(quán)向量C，我們可以求出：
[0100] [RThl，RTh2]=RThmC
[0101] 然后，根據(jù)兩節(jié)電池的時間常數(shù)和極化電阻的值可以求出兩節(jié)電池的極化電容： [0103]以上是兩節(jié)電池的的推導(dǎo)，同理可以推出多節(jié)電池的權(quán)向量：
[0106] 如果直接利用上述權(quán)向量進(jìn)行求解，由于電池電壓的波動比較大，在參數(shù)估計(jì)過 程中會造成參數(shù)比較大的波動。首先，我們必須對權(quán)向量進(jìn)行歸一化處理，權(quán)向量實(shí)質(zhì)上反 應(yīng)了所有電池參數(shù)的比率，當(dāng)參數(shù)全部相同時，A = B = C=[1，1，1，......，1]，權(quán)向量中的元 素大于1說明對應(yīng)的參數(shù)大于平均參數(shù)，小于1說明對應(yīng)的參數(shù)小于平均參數(shù)。
[0107] 其次，為了減緩波動，我們可以采用遞推的方式得到權(quán)向量。下面以基于動態(tài)電壓 Ud求權(quán)向量Ak為例，說明權(quán)向量的求解方法。k為當(dāng)前時刻，首先利用上一時刻的權(quán)向量預(yù)測 當(dāng)前的時刻的動態(tài)電壓值：
[0108] UP,k = Ud mean, kAk-i
[0109] 上式中udmean，ks當(dāng)前時刻的平均動態(tài)電壓值，然后利用預(yù)測的動態(tài)電壓值和真實(shí) 動態(tài)電壓值之差來修正當(dāng)前時刻的權(quán)向量：
[0110] Ak = Ak-l+gAUd mean, k(Ud,k-UP,k)
[0111] 上式中，gA為增益，增益越大，修正量越大，算法越快，也可能出現(xiàn)過修調(diào)的情況， 因此精度越低。
[0112] 同理可以求出權(quán)向量Bk和Ck的遞推公式：
[0115] 上兩式中，UBmean,k和UCmean,k分別為k時刻U B和Uc的平均值，gB和gc分別為權(quán)向量B和C 的增益。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮單體不一致的裡離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方法，用W獲取裡離子動力 電池組中各個單體的參數(shù)，包括歐姆內(nèi)阻、極化電阻和時間常數(shù)，其特征在于，包括W下步 驟： 1) 獲取裡離子動力電池組的總體平均參數(shù)； 2) 分別構(gòu)造歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A、極化電阻權(quán)向量B和時間常數(shù)權(quán)向量C并根據(jù)總體平均 參數(shù)分別獲取裡離子動力電池組中各個單體的參數(shù)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮單體不一致的裡離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方 法，其特征在于，所述的步驟1)中通過最小二乘法或自適應(yīng)濾波法獲取裡離子動力電池組 的總體平均參數(shù)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種考慮單體不一致的裡離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方 法，其特征在于，當(dāng)通過最小二乘法獲取裡離子動力電池組的總體平均參數(shù)時包括W下步 驟： 11) 根據(jù)多個電池單體串聯(lián)的電池組結(jié)構(gòu)建立電池平均模型，該模型為：其中，化為端電壓，Uoc為開路電壓，UThm為平均極化電壓，II為電流，Rom為平均歐姆內(nèi)阻， RThm為平均極化電阻，CThm為平均極化電容，馬/,,,，為， 12) 構(gòu)建電池平均模型的差分方程，并采用遞推公式，獲取動力電池組的總體平均參 數(shù)，包括平均歐姆內(nèi)阻、平均極化電阻和平均時間常數(shù)， 所述的差分方程為： Ud,k+1 -過 Ud, k+b II, k+1+C II, k動力電池組的總體平均參數(shù)為：其中，Ud,k、Ud,k+i分別為電池組k時刻和k+1時刻的平均動態(tài)電壓向量，lL,k、lL,k+i分別為 電池組k時刻和k+1時刻的電流，Tm為平均時間常數(shù)且Tm = RT〇：Tto，At為采樣周期，Pk、Pk+l分 別為k和k+1時刻的協(xié)方差矩陣，Lk+1為k+1時刻的增益矩陣。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮單體不一致的裡離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方 法，其特征在于，所述的步驟2)中，歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A、極化電阻權(quán)向量B和時間常數(shù)權(quán)向量C 的表達(dá)式為：其中，Udn為電池組中第η個單體的平均動態(tài)電壓，化η為電池組中第η個單體基于權(quán)向量B 的動態(tài)電壓，化η為電池組中第η個單體基于權(quán)向量C的動態(tài)電壓。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種考慮單體不一致的裡離子動力電池組在線參數(shù)估計(jì)方 法，其特征在于，所述的步驟2)中， 歐姆內(nèi)阻權(quán)向量A的遞推公式為： Up,k = Udmean,kAk-l Ak 二 Ak-l+gAUdmean，k ( Ud，k_Up，k ) 極化電阻權(quán)向量B的遞推公式為： U化，k = UBmean，kBk-l Bk 二 Bk-1+卽 UBmean，k ( Ub，k_U化，k ) 時間常數(shù)權(quán)向量c的遞推公式為： Ucp, k - Ucmean, kCk-1 Ck 二 Ck-1+容cUcmean，k ( Uc，k-Ucp，k ) 其中，Up, k為電池組k時刻的預(yù)測動態(tài)電壓，Udmean，k為k時刻所有電池組單體動態(tài)電壓的 算數(shù)平均值，Ud，k為電池組k時刻的平均動態(tài)電壓向量，gA為歐姆增益，UBp，k為電池組k時刻的 化的預(yù)測值，UBmean,k為k時刻電池組各單體對應(yīng)Ub的算數(shù)平均值，即為極化增益，U也k為電池 組k時刻的化的預(yù)測值，Ucmean,k為k時刻電池組各單體對應(yīng)化的算數(shù)平均值，gC為時間增益。
【文檔編號】G06F19/00GK106096281SQ201610417242
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月15日 公開號201610417242.X, CN 106096281 A, CN 106096281A, CN 201610417242, CN-A-106096281, CN106096281 A, CN106096281A, CN201610417242, CN201610417242.X
【發(fā)明人】戴海峰, 孫澤昌, 魏學(xué)哲, 曾雷
【申請人】同濟(jì)大學(xué)