CN111077452A - 一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法及系统，包括以下步骤：通过气液动力学开路电压电池模型估算电池第一开路电压；依据第一开路电压查“开路电压‑容量”表得到第一容量；以第一容量为初值，利用微步长安时积分法得到第二容量；依据第二容量查“容量‑开路电压”表得到第二开路电压；通过气液动力学端电压电池模型估算电池端电压；计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵；更新气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵，然后循环，完成模型参数在线辨识和电池开路电压在线估算。本发明在估算电池开路电压之前无需对模型参数和初值进行辨识或识别。

Description

一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法及 系统

技术领域

本发明涉及动力电池开路电压在线估算领域，特别是涉及一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法及系统。

背景技术

随着国家经济的飞速发展和社会不断进步，大众物质生活水平得到不断提升，与此同时作为人们出行的主要交通工具——汽车快速发展，全球的石油存储量日益减少，因此世界各国都在大力鼓励发展新能源汽车，尤其是电动汽车。动力电池作为混合动力和电动汽车的核屯、动力部件，直接决定着新能源汽车的整车性能，不仅制约其由科研到产业化、规模化发展，而且决定着新能源汽车的市场价格。电池管理系统(BMS)是控制动力电池的核心，其主要功能是依靠对电池状态变量例如端电压，电流，温度的采集，实现对电池充放电，电池状态估算，电池热管理等多方面的协调控制。一个高效的电池管理系统能够保证电动车充放电安全，提高车辆的行驶里程，延长电池包的使用寿命，降低电池全生命周期使用成本等。电池管理系统中的一个关键变量就是动力电池的开路电压，开路电压估算的准确性将直接决定电池状态估计的精度。

现有的开路电压估算模型主要有等效电路模型和电化学模型。等效电路模型以最简单的一阶RC电路模型为例，虽然具有简单直观的特点，但是其估算精度较低，而高阶RC电路模型尽管估算的精确度有一定的提高，但是相应的计算复杂度以及计算时间也显著提高，很难在车辆上实现对开路电压的在线估计。电化学模型主要从微观的角度上反映动力电池内部的化学机理，同时运用相当复杂的偏微分方程，描述微观信息(离子的浓度，分布)与电池宏观信息(电压，电流，电阻)的关系，尽管相当精确，但是需要经过复杂的计算，很难在电动车辆上实现电路电压的在线估计。

综上所述，为保证高效实时的对动力电池的电量状态(SOC)、健康状态(SOH)以及功率状态(SOP)进行估算的同时作出相应策略以满足驾驶人员的需求，设计一种实时，准确的电池开路电压估算模型对于提高电池管理系统的性能意义重大。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法及系统，将气液动力学电池模型动态估算特性强与微步长安时积分法精度高相结合，实现对电池开路电压在线高精度估算，在估算电池开路电压之前无需对模型参数和初值进行辨识或识别，该估算方法将极大地提高模型对电池的适应性。

为了实现上述发明目的，本发明提出一种技术解决方案为：一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，包括以下步骤：

步骤S1：通过气液动力学开路电压电池模型估算电池第一开路电压；

步骤S2：依据第一开路电压查“开路电压-容量”表得到第一容量；

步骤S3：以第一容量为初值，利用微步长安时积分法得到第二容量；

步骤S4：依据第二容量查“容量-开路电压”表得到第二开路电压；

步骤S5：通过气液动力学端电压电池模型估算电池端电压；

步骤S6：计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵并更新气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵；

循环上述步骤S1至S6的过程，完成气液动力学开路电压电池模型参数在线辨识和电池开路电压在线估算。

上述方案中，所述步骤S1中气液动力学开路电压电池模型为：

P₂＝P₀(i)-k₃v(i)-k₄|v(i)|v(i)

其中，P₀为端电压；k₁，k₂，k₃，k₄为模型参数，记Para＝[k₁，k₂，k₃，k₄]为模型参数矩阵，v为电流，充电时v>0,放电时v<0，P₁为初始开路电压，P₃为第一开路电压，i为计数序号。

检测动力电池端电压和电流，模型参数矩阵Para＝[k₁，k₂，k₃，k₄]的初始值为随机赋予，输入到气液动力学开路电压电池模型中，估算第一开路电压P₃；所述步骤S2中，依据第一开路电压P₃查“开路电压-容量”表得到第一容量First_Ah。

上述方案中，所述步骤S3中以第一容量First_Ah为初值，利用微步长安时积分法通过以下公式得到第二容量Next_Ah：

Next_Ah＝First_Ah+v(i+1)×Δt/3600 公式十一

公式十一中，Δt为电流采样时间间隔，Δt＝t(i+1)-t(i)。所述步骤S4依据第二容量Next_Ah查“容量-开路电压”表得到第二开路电压Next_OCV。

上述方案中，所述步骤S5中气液动力学端电压电池模型为：

公式十三中，P₀_g为估算的端电压，设充电时v>0，放电时v<0。

上述方案中，所述步骤S6中计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵通过下面公式计算：

公式十四中，C为协方差矩阵；P_n为中间传递矩阵，H为P0_g关于参数k₁,k₂,k₃,k₄的偏导数矩阵；R为增量因子；I为单位矩阵；K为系数矩阵。

上述方案中，所述步骤S6中更新气液动力学开路电压电池模型的参数和扩展卡尔曼滤波算法的协方差矩阵具体为：

模型参数矩阵更新为：Para＝Parα+K×(P₀(i+1)-P₀g) 公式十五

协方差矩阵更新为：C＝P_n。

一种实现所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的系统，包括信号采集模块、开路电压估算模块和显示模块；

所述信号采集模块用于采集电池的电流和电压；

所述信号采集模块与开路电压估算模块连接并将采集的电流和电压信号传送到开路电压估算模块，所述开路电压估算模块根据气液动力学开路电压电池模型计算出开路电压值；

所述开路电压估算模块与显示模块连接，将电池电流、电压和开路电压值发送给显示模块显示。

上述方案中，所述信号采集模块包括电流传感器和电压传感器。

上述方案中，所述开路电压估算模块包括单片机。

与现有技术相比，有益效果为：本发明无需对模型参数和初值进行离线辨识或识别，极大地提高模型对电池的适应性；求解系数矩阵K时，(H×P×H′+R)^-1为求一个实数的逆矩阵，计算过程非常简单，保证在线估算实时性；将气液动力学电池模型动态估算特性强与微步长安时积分法精度高相结合，实现对电池开路电压在线高精度估算。

附图说明

图1为实施例流程框图；

图2为气液动力学电池模型原理图；

图3为开路电压-容量表的绘图；

图4为容量-开路电压表的绘图；

图5为本发明开路电压估算流程图；

图6为本发明估算电池的端电压和开路电压效果图；

图7为本发明系统框图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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所述为本发明所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的一种较佳实施方式，所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法包括如下步骤：

步骤S1，通过气液动力学开路电压电池模型估算电池第一开路电压包括：

推导所得的气液动力学开路电压电池模型：

将气液动力学模型的充放气过程对应起电池的充放电过程，如图2，所述气液动力学电池模型为一个筒状密闭容器1，在容器的顶部安装有管道2和阀门3，所述容器内装有V_w体积的液体4，剩下的容积V是压强为P，物质的量为n，密度为ρ的气体5；其中，气体流动的阻力系数为μ，管道外部管口6的气体压强为P₀，气体7溶解于液体中的物质的量为n_j；

设在t₁时刻，气液动力学电池模型处于稳态，此时气体压强为P₁、气体物质的量为n₁、气体溶解于液体中的物质的量为n_j1；打开所述容器的阀门，时间长度为Δt，模型中气体向外放出，流速为v，气体流动的阻力系数为μ，外部管口压强为P₀，在t₂＝t₁+Δt时刻关闭阀门，此时气体压强为P₂、气体物质的量为n₂；经过数十小时到t₃时，气液动力学电池模型再次达到稳态，此时容器内气体压强为P₃，气体物质的量为n_j3；

气液动力学电池模型参数与电池参数对应关系：外部管口压强P₀对应电池端电压，气体流速v对应电池电流，气体压强P₁对应电池初始开路电压，气体压强P₃对应电池第一开路电压；P₂为中间变量。

在模型推导之前需要作出合理假设：其一，因为在物理方程中所有参数具有实际物理意义，因此所有参数非负；其二，因为Δt时间很短，因此在打开阀门时从液体中析出的气体忽略不计；

推导气液动力学电池模型的关键是建立P₃与P₁、v和P₀之间的显函数关系；

在t₁时刻，可以写出气体间隙填充溶解度方程：

其中，T：热力学温度，

有效间隙度，

bm：气体分子的范德华体积，

R：热力学常数；

在t₂时刻，可以写出理想气体状态方程为：

P₂V＝n₂RT 公式二

气体流动的伯努利方程：

在t₃时刻，可以写出理想气体状态方程为：

P₃V＝n₃RT 公式四

气体间隙填充溶解度方程：

在阀门关闭瞬间，容器内气体物质的量为n₂；关闭阀门之后，从液体中析出的气体物质的量为n_j1-n_j3；因此在t₃时物质的量关系为n₃＝n₂+(n_j1-n_j3)；在t₂到t₃时间段，容器内改变的压强为

也就是

将t₂和t₃时刻气体间隙填充溶解度方程代入得

将该式恒等变换得

为了简化方程，设

公式六化简为：

因为k₂+P₃＞0和k₂+P₁＞0，因此公式七可整理为：

设a＝1，

因为ac＜0，且b2-4ac＞0，因此上式有且仅有唯一正实根，为：

以上推导过程以打开阀门放气过程为例，其实，打开阀门从外界泵入气体进入容器内的推到结果与上述结果一致，此处不再赘述；但是，气体泵入容器内的伯努利方程为：

因此，可以将充气过程与放气过程的伯努利方程统一为公式十：

设充电时v>0,放电时v<0；

对推导的气液动力学电池模型进行简化，设

因此，推导所得的气液动力学开路电压电池模型：

P₂＝P₀(i)-k₃v(i)-k₄|v(i)|v(i)

此处，P₀为端电压；记Para＝[k₁,k₂,k₃,k₄]为模型参数，v为电流，充电时v>0,放电时v<0，P₁为初始开路电压，P₃为第一开路电压,i为计数序号(i＝1、2、3…)；初始Para＝[k₁,k₂,k₃,k₄]＝[0.005,0.005,0.005,0.005],P₁＝4.0；以上初始值为随机赋予，不局限于本专利列出的具体值；

检测动力电池端电压和电流，输入到气液动力学开路电压电池模型中，估算第一开路电压P₃；

步骤S2，如图3依据第一开路电压P₃查“开路电压-容量”表得到第一容量First_Ah；

步骤S3，以第一容量为初值，利用微步长安时积分法得到第二容量Next_Ah：

Next_Ah＝First_Ah+v(i+1)×Δt/3600 公式十一

公式十一中，Δt为电流采样时间间隔，Δt＝t(i+1)-t(i)。

步骤S4，如图4，依据第二容量Next_Ah查“容量-开路电压”表得到第二开路电压Next_OCV；

步骤S5，通过气液动力学端电压电池模型估算电池端电压：

推导所得的气液动力学端电压电池模型为：

根据公式七和公式十恒等变换得到公式十二，

将步骤S4得到的Next_OCV赋值给P₃，将步骤S2得到的P₃赋值给P₁，将v(i+1)赋值给v(i)得到公式十三：

公式十三中，P0_g为估算的端电压；设充电时v>0，放电时v<0；

步骤S6，所述计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵包括：

此处，C为协方差矩阵；P_n为中间传递矩阵，H为P₀_g关于参数k₁,k₂,k₃,k₄的偏导数矩阵，H′为H矩阵的转置；R为增量因子；I为单位矩阵；K为系数矩阵；

初始协方差矩阵C＝[1,0,0,0；0,1,0,0；0,0,1,0；0,0,0,1],R＝0.001，以上初始值为随机赋予，不局限于本专利列出的具体值；

所述更新气液动力学开路电压电池模型的参数和扩展卡尔曼滤波算法的协方差矩阵具体算法为：

Para＝Para+K×(P₀(i+1)-P_{0_g}) 公式十五

C＝P_n。

如图5，循环上述步骤S1到6过程，完成模型参数在线辨识和电池开路电压在线估算。

如图6是本发明估算电池的端电压和开路电压效果图，图中圆形实线为实验测试的端电压，叉形实线为估算的端电压，方形实线为估算的开路电压，圆形实线与叉形实线几乎是重合的，表明采用本发明方案能够现实电池端电压高精度估算，因为在步骤一中估算的第一开路电压P₃和步骤五中估算的端电压P0_g采用同一组参数，且开路电压估算模型与端电压估算模型均由公式七和公式十推导得出，因此本发明方法对电池的充电和放电端电压(方形实线所示)均具有非常高的估算精度。

如图7所示一种实现所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的系统，包括信号采集模块、开路电压估算模块和显示模块；所述信号采集模块用于采集电池的电流和电压；所述信号采集模块与开路电压估算模块连接并将采集的电流和电压信号传送到开路电压估算模块，所述开路电压估算模块根据开路电压估算方程计算出开路电压值；所述开路电压估算模块与显示模块连接，将电池电流、电压和开路电压值发送给显示模块显示。

所述信号采集模块包括电流传感器和电压传感器。

所述开路电压估算模块包括单片机，所述单片机优选为STM32。将基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法在硬件上实现，可以在Keil uVision5开发平台上运用C语言编写的代码在STM32单片机上实现的。

所述开路电压估算模块具体为：

首先加载STM32单片机库函数文件，运用库函数配置STM32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、OCV估算函数和主函数等；

①将电流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STM单片机串口相连，通讯方式选择RS-232，将电池的电流、电压信号传给单片机；

③STM32单片机主函数读取电池的电流、电压信号，调用OCV估算函数算出当前输入下的开路电压值；将电池电流、电压和算出的开路电压值写入内存卡中，并把电池电流、电压和算出的开路电压值发送给上位机的显示模块显示；

④如此循环第①—③步，完成电池组实时开路电压估算。

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、开路电压、所有串联单体电池的开路电压和拟合的电池最低开路电压；

所述单片机包括：2ⁿ位单片机，n＝1,2,3...,以及各种ARM内核的运算单元；

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

本发明将气液动力学电池模型动态估算特性强与微步长安时积分法精度高相结合，实现对电池开路电压在线高精度估算，在估算电池开路电压之前无需对模型参数和初值进行辨识或识别，该估算方法将极大地提高模型对电池的适应性。

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。

Claims (9)

1.一种基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：通过气液动力学开路电压电池模型估算电池第一开路电压；

步骤S2：依据第一开路电压查“开路电压-容量”表得到第一容量First_Ah；

步骤S3：以第一容量为初值，利用微步长安时积分法得到第二容量Next_Ah；

步骤S4：依据第二容量查“容量-开路电压”表得到第二开路电压；

步骤S5：通过气液动力学端电压电池模型估算电池端电压；

步骤S6：计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵并更新气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵；

循环上述步骤S1至S6的过程，完成气液动力学开路电压电池模型参数在线辨识和电池开路电压在线估算。

2.根据权利要求1所述的基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，所述步骤S1中气液动力学开路电压电池模型为：

P₂＝P₀(i)-k₃v(i)-k₄|v(i)|v(i)

其中，P₀为端电压；k₁，k₂，k₃，k₄为模型参数，记Para＝[k₁，k₂，k₃，k₄]为模型参数矩阵，v为电流，充电时v>0,放电时v<0，P₁为初始开路电压，P₃为第一开路电压，i为计数序号。

3.根据权利要求1所述的基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，所述步骤S3中以第一容量First_Ah为初值，利用微步长按时积分法通过以下公式得到第二容量Next_Ah：

Next_Ah＝First_Ah+v(i+1)×Δt/3600 公式十一

公式十一中，Δt为电流采样时间间隔，Δt＝t(i+1)-t(i)。

4.根据权利要求1所述的基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，所述步骤S5中气液动力学端电压电池模型为：

公式十三中，P₀_g为估算的端电压，设充电时v>0，放电时v<0。

5.根据权利要求1所述的基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，所述步骤S6中计算气液动力学开路电压电池模型的扩展卡尔曼滤波算法的系数矩阵和协方差矩阵通过下面公式计算：

公式十四中，C为协方差矩阵；P_n为中间传递矩阵，H为P0_g关于参数k₁,k₂,k₃,k₄的偏导数矩阵；R为增量因子；I为单位矩阵；K为系数矩阵。

6.根据权利要求1所述的基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法，其特征在于，所述步骤S6中更新气液动力学开路电压电池模型的参数和扩展卡尔曼滤波算法的协方差矩阵具体为：

模型参数矩阵更新为：Para＝Para+K×(P₀(i+1)-P_{0_g}) 公式十五

协方差矩阵更新为：C＝P_n。

7.一种实现权利要求1-6任意一项所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的系统，其特征在于，包括信号采集模块、开路电压估算模块和显示模块；

所述信号采集模块用于采集电池的电流和电压；

所述信号采集模块与开路电压估算模块连接并将采集的电流和电压信号传送到开路电压估算模块，所述开路电压估算模块根据气液动力学开路电压电池模型计算出开路电压值；

所述开路电压估算模块与显示模块连接，将电池电流、电压和开路电压值发送给显示模块显示。

8.根据权利要求7所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的系统，其特征在于，所述信号采集模块包括电流传感器和电压传感器。

9.根据权利要求7所述基于气液动力学电池模型在线估算开路电压的方法的系统，其特征在于，所述开路电压估算模块包括单片机。

Images