CN110333451B

CN110333451B - 一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法

Info

Publication number: CN110333451B
Application number: CN201910555308.5A
Authority: CN
Inventors: 方斌; 张继镭; 彭富明; 李庆超
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2039-06-25
Also published as: CN110333451A

Abstract

本发明公开一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，用于提高锂离子电池荷电状态SOC估测精度的能力。主要包括以下步骤：1)在常温下，实测电池SOC、OCV数据；2)将SOC分成部分重叠的三段；3)对三段分别用低阶多项式拟合；4)重叠部分进行线性插值处理；5)考虑SOH变化，对拟合公式进行修正；6)考虑温度变化，对拟合公式进行修正；7)综合考虑SOH、温度变化，对拟合公式进行最终修正；8)建立SOC‑OCV关系模型。本发明优点：计算量小，而整体精度高；拟合模型考虑到电池健康度的变化对模型的影响。拟合结果没有增加模型复杂程度；具有较好的通用性，不仅仅局限于某一种电池；具有较好的适应性，适合于电池长期应用后环境变化和电池特性下降情况。

Description

一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车电池应用领域，具体涉及用于锂离子电池荷电状态(SOC)估算之前，建立合理的锂离子电池荷电状态SOC与开路电压(OCV)之间关系模型。

背景技术

电池的荷电状态SOC反映了电池的剩余电量，是电池的管理系统中是一个非常基本又重要的监测指标。由于电池SOC同电池其他参数关系表现出高度的非线性，不得不通过中间的物理量，迂回获得SOC；加之外部环境和内部环境参数变化的随机性，使系统基于数学模型的预估方法不够准确，因此必须对电池荷电状态估计的抗干扰能力和自适应能力进行抑制和提高。

目前用于SOC估算的方法有：安时计量法、开路电压法、阻抗分析法、卡尔曼滤波法和神经网络法等。无论采用什么方法，都离不开SOC-OCV关系曲线模型；因而准确对SOC-OCV建模，是提高SOC估算精度的重要前提。当前所有SOC-OCV之间的模型建立都是在某一定条件下建立的，而实际应用中电池环境条件和电池本身性能都随时间和场景而变化，单一条件下的SOC-OCV模型已无法满足后续SOC的估算要求。

本发明的方法是给出具有较强的自适应能力的SOC-OCV关系模型，其方法计算量小于目前大多方法，且容易实现、有利于估算提高电池SOC估算精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，解决传统锂离子电池SOC估测算法中，SOC-OCV模型复杂、计算量大，估算精度低，实现困难的问题。

实现本发明目的的技术方案主要包括以下步骤：

步骤1：在常温下，实测电池SOC、OCV数据；

步骤2：将SOC重叠分成三段；

步骤3：对三段分别用低阶多项式进行拟合

步骤4：对重合部分进行线性插值处理；

步骤5：考虑SOH变化，对拟合公式进行修正；

步骤6：考虑温度变化，对拟合公式进行修正；

步骤7：综合考虑SOH、温度变化，对拟合公式进行最终修正；

步骤8：建立SOC-OCV关系模型。

将SOC重叠分成三段，第一段在(0，0.2+Δ₁)范围、第二段在(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)范围、第三段在(0.75-Δ₂，1)。

分别对三段拟合，拟合多项式用低阶的(4阶)。

将二处重合部分，在低阶多项式拟合基础上进行线性插值。

考虑SOH变化影响时，将拟合公式进行SOC用SOC/SOH修正。

考虑温度变化影响时，将拟合公式用SOCe^0.002(T-25)代替SOC修正。

当同时考虑SOH和温度变化影响时，将拟合公式中自变量用(SOCe^0.002(T-25)/SOH)修正。

仅需在常温下，实测电池SOC、OCV数据，即可建立同时考虑SOH和温度影响的模型。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)将SOC重叠分段再进行低阶多项式拟合，其阶次低、计算量小，而整体精度高；(2)拟合模型考虑到电池健康度的变化对模型的影响。同时也考虑到温度变化影响，拟合结果没有增加模型复杂程度；(3)本发明具有较好的通用性，不仅仅局限于某一种电池；(4)本发明具有较好的适应性，适合于电池长期应用后环境变化和电池特性下降情况。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的数据处理流程示意图

图2是不同温度不同SOH下实测SOC-OCV数据示意图

图3是本方法拟合后示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明算法做进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，用于提高锂离子电池荷电状态SOC估测精度的能力。方法主要包括以下过程和处理手段，首先将SOC-OCV分段处理，降低拟合阶次、提高拟合精度；在分段重叠区，用线性插值方法，保证拟合的平滑性；其次考虑电池健康度SOH和温度T对SOC-OCV模型的影响，使SOC-OCV模型更符合实际运行规律。本发明给出的SOC-OCV建模方法，解决SOC估测过程中基础模型不匹配问题，有利于电池后续管理工作。该方法可用于各种电池SOC估测方法。

结合图1，说明SOC-OCV关系建立的详细步骤。

步骤一，在常温下，实测电池SOC、OCV数据。

一般电池在常温(25°)下恒流恒压充电下，可以获取电池开路电压(OCV)与电池SOC的变化变化关系见图2中SOH＝1的曲线。

实验过程分为以下几步：实现以将电池放电至其下限截止电压，放电电流为1/2C并静置3h以上；其次以充电电流为1/2C充入电池标称容量5％的电量，并静置2h以上，记录静置后的电池端电压作为当前SOC处的OCV；重复以上步骤2，直至充电过程中电池的电压达到其上限截止电压，实验结束。

步骤二，根据步骤一的数据，将SOC重叠分成三段，第一段在(0，0.2+Δ₁)范围、第二段在(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)范围、第三段在(0.75-Δ₂，1)。

由于电池开路电压与荷电状态之间的关系高度非线性，目前多采用六阶或以上多项式函数来拟合OCV与SOC关系模型，或者用更为复杂的函数来拟合建模。在不降低拟合精度下，为了降低拟合的计算复杂度和运算量；将SOC从0到1分成重叠的三段：(0，0.2+Δ₁)、(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)、(0.75-Δ₂，1)。

步骤三，分别对以上三段进行拟合，拟合多项式用低阶的(4阶)。

每一段可以用四阶或更低阶的多项式函数拟合如式(1)、(2)和(3)，且达到更高的拟合精度，每一段拟合仍采用常规的最小二乘法；其中Δ₁取0.03附近，其中Δ₂取0.05附近。

结合图1，SOC在第一段(0，0.2+Δ₁)的拟合关系如下：

OCV₁(SOC)＝a₁₁SOC⁴+a₁₂SOC³+a₁₃SOC²+a₁₄SOC+a₁₅ (1)

结合图1，SOC在第二段(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)的拟合关系如下：

OCV₂(SOC)＝a₂₁SOC⁴+a₂₂SOC³+a₂₃SOC²+a₂₄SOC+a₂₅ (2)

结合图1，SOC在第三段(0.75-Δ₂，1)的拟合关系如下：

OCV₃(SOC)＝a₃₁SOC⁴+a₃₂SOC³+a₃₃SOC²+a₃₄SOC+a₃₅ (3)

步骤四，将第一段与第二段、第二段与第三段二处重合部分，在低阶多项式拟合基础上进行线性插值。

结合图1，由于分段拟合，三段之间不易保证平滑连续；下面给出一种简单实用的处理方法。第一段与第二段的SOC在重叠区(0.2-Δ₁，0.2+Δ₁)模型为OCV₁₂(SOC)，由式(1)和式(2)进行线性插值：

第二段与第三段的SOC在重叠区(0.75-Δ₂，0.75+Δ₂)模型为OCV₂₃(SOC)，由式(2)和式(3)进行线性插值处理：

结合图1，通过上面处理，实质上将SOC从0到1分成的五段：(0，0.2-Δ₁)、(0.2-Δ₁，0.2+Δ₁)、(0.2+Δ₁，0.75-Δ₂)、(0.75-Δ₂，0.75+Δ₂)和(0.75+Δ₂，1),它们使用的模型分别是式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)。

步骤五，考虑SOH变化影响时，将拟合公式进行SOC用SOC/SOH修正。

结合图1，以及图2中SOH＝0.8曲线的可知，当电池经过多次循环工作后其健康度SOH值要下降，其OCV与SOC关系已经发生改变。若仍然按上面的拟合模型进行SOC相关估算，必然导致很大的误差。从图2中SOH＝0.8曲线，可见随着电池健康状态(SOH)值下降，OCV与SOC关系在横坐标方向往原点收缩；因而可以将上面拟合的公式OCV_i(SOC)，进一步修改为下式：

其中i＝1，2，3

步骤六，考虑温度变化影响时，将拟合公式用SOCe^0.002(T-25)代替SOC修正。

结合图1，以及其次图2中SOH＝1和SOH＝0.8曲线(虚线和点划线)的可知，在运行或环境温度发生变化时，电池的温度(T)也相应发生改变，若仍然按上面的拟合式进行SOC相关估算，也必然导致很大的误差。从图2中SOH＝1和SOH＝0.8曲线(虚线和点划线)，可见随着温度下降，OCV与SOC关系在纵向坐标方向往下偏移，反之亦然；因而可以将拟合的公式OCV_i(SOC)，最终修改为下式：

其中i＝1，2，3

步骤七，仅需在常温下，实测电池SOC、OCV数据，即可建立同时考虑SOH和温度影响的模型；最终分成的五段：(0，0.2-Δ₁)、(0.2-Δ₁，0.2+Δ₁)、(0.2+Δ₁，0.75-Δ₂)、(0.75-Δ₂，0.75+Δ₂)和(0.75+Δ₂，1)。

重叠段(0.2-Δ₁，0.2+Δ₁)和(0.75-Δ₂，0.75+Δ₂)模型分别如下：

其他段(0，0.2-Δ₁)、(0.2+Δ₁，0.75-Δ₂)和(0.75+Δ₂，1)模型分别如下：

其中i＝1，2，3

为了验证该方法的有效性，图3给出按上述设计过程的拟合结果。实验结果表明这种模型能适应温度和SOH的变化。虽然是分段处理，由于采用重叠部分线性插值，仍然保持良好的平滑性，有利于后续工作。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤1：在常温下，实测电池SOC、OCV数据；

步骤2：将SOC分成部分重叠的三段；

步骤3：对三段分别用低阶多项式拟合，得到三个拟合多项式；

步骤4：对二处重叠部分在低阶多项式拟合基础上进行线性插值处理，得到两个拟合多项式；

步骤5：考虑SOH变化，对步骤3的三个拟合多项式进行修正；考虑温度变化，对步骤3的三个拟合多项式进行修正；

步骤6：综合考虑SOH、温度变化，对步骤5修正的拟合多项式进行合并且进行最终修正；

步骤7：建立SOC-OCV关系模型；

将SOC分成部分重叠的三段，第一段在(0，0.2+Δ₁)范围、第二段在(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)范围、第三段在(0.75-Δ₂，1)，其中Δ₁取0.03，Δ₂取0.05；

分别对(0，0.2+Δ₁)、(0.2-Δ₁，0.75+Δ₂)、(0.75-Δ₂，1)三段拟合，其中Δ₁取0.03，Δ₂取0.05，每一段用四阶的多项式拟合，得到三个拟合多项式分别为：

OCV₁(SOC)＝a₁₁SOC⁴+a₁₂SOC³+a₁₃SOC²+a₁₄SOC+a₁₅；

OCV₂(SOC)＝a₂₁SOC⁴+a₂₂SOC³+a₂₃SOC²+a₂₄SOC+a₂₅；

OCV₃(SOC)＝a₃₁SOC⁴+a₃₂SOC³+a₃₃SOC²+a₃₄SOC+a₃₅；

将所述的三个拟合多项式，在(0.2-Δ₁，0.2+Δ₁)与(0.75-Δ₂，0.75+Δ₂)二处重叠部分，在低阶多项式拟合基础上进行线性插值，得到两个拟合多项式分别为：

考虑SOH变化影响时，将所述的三个拟合多项式进行SOC用SOC/SOH修正，修正的拟合多项式统一表示为：

考虑温度变化影响时，将所述的三个拟合多项式用SOCe^0.002(T-25)代替SOC修正，修正的拟合多项式统一表示为：OCV_i ⁺(SOC)＝a_i1(SOCe^0.002(T-25))⁴+a_i2(SOCe^0.002(T-25))³+a_i3(SOCe^0.002(T-25))²+a_i4(SOCe^0.002(T-25))+a_i5，i＝1，2，3，T表示电池温度。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，其特征在于：当同时考虑SOH和温度变化影响时，将分别考虑SOH和温度变化影响修正的拟合多项式合并，自变量用SOCe^0.002(T-25)/SOH修正，最终修正后的拟合多项式统一表示为：

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池荷电状态与开路电压模型建立方法，其特征在于：仅需在常温下，实测电池SOC、OCV数据，即可建立同时考虑SOH和温度影响的模型。