電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)，其中方法包括：建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度T之間的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型I×t＝f(U,I,T)；利用隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型I×t＝f(U,I,T)，根據(jù)實時測得的待測電池的電壓Uk、電流Ik以及溫度Tk，計算當(dāng)前工況下待測電池的完整放電曲線Ik×t＝f(U,Ik,Tk)以及可放電時間tk：tk＝f(Uk,Ik,Tk)/Ik；根據(jù)當(dāng)前工況下待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù)測待測電池的SoC值和SoH值。本發(fā)明的電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)，可以對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，適應(yīng)放電電流和環(huán)境溫度不斷變化的運行工況，能夠?qū)﹄姵氐慕】禒顟B(tài)和荷電狀態(tài)進行準(zhǔn)確預(yù)測，實時性好，準(zhǔn)確性高，且易于實現(xiàn)。
【專利說明】
電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電池狀態(tài)預(yù)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 閥控鉛酸蓄電池作為電力可靠供應(yīng)的最后防線，在備用電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作 用。鉛炭電池和鋰離子電池在分布式微網(wǎng)儲能和電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛。在上述 應(yīng)用領(lǐng)域，由于電池的規(guī)?；山M使用，需要配備管理系統(tǒng)對電池的狀態(tài)進行檢測和維護。
[0003] 電池管理系統(tǒng)的諸多部分中，電池健康狀態(tài)（SoH，state of health)和放電過程 中的荷電狀態(tài)(SoCstate of charge)的預(yù)測十分關(guān)鍵，其預(yù)測的準(zhǔn)確性，會影響到電池管 理系統(tǒng)的控制策略，從而影響電池性能的發(fā)揮。在電力備用領(lǐng)域，SoH的準(zhǔn)確預(yù)測可以避免 蓄電池在長期使用過程中因個別電池過放電或者失效而引發(fā)事故帶來經(jīng)濟損失，保證在市 電被切斷時用電設(shè)備能夠安全可靠運行。在新能源儲能和智能電網(wǎng)應(yīng)用中，SoC是指導(dǎo)電池 充電或放電過程的重要參數(shù)，可以防止電池的過充和過放造成不可恢復(fù)的損壞，能夠更好 地保護電池，延長系統(tǒng)壽命。而在電動汽車領(lǐng)域，正確估算電池 SoC，可充分利用電池的電 能，提高用戶體驗，使電動車的續(xù)航里程更長，同時延長電池的使用壽命，降低電池的使用 成本。
[0004] 但是，由于電池的高度電化學(xué)非線性和動態(tài)特性，在線并準(zhǔn)確地檢測每塊電池的 SoC和SoH非常困難。目前研究和應(yīng)用較多的方法主要有：
[0005] 改進型安時積分法，其通過電流與時間的積分值計算充入電池和流出電池的電 量，在一段時間內(nèi)，監(jiān)測和記錄電池的變化電量，通過與初始值求差，得到實時的電池容量， 以此計算結(jié)果為主，并參考電池開路電壓、內(nèi)阻等信息，預(yù)測電池的剩余容量。這種方法針 對特定類型電池的誤差較小，對溫度、充放電效率等因素修正后，可提高估算精度，但是需 要大量實驗數(shù)據(jù)，在線修正能力差，隨時間推移，誤差累積，劇烈變化的工況會導(dǎo)致誤差增 大。
[0006] 模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，其原理是找出荷電狀態(tài)與電池電壓、電流和溫度等的非 線性關(guān)系，算法的關(guān)鍵是樣本數(shù)據(jù)的選取和訓(xùn)練規(guī)則的確定，適用于多種類型電池，可自適 應(yīng)和自學(xué)習(xí)，但誤差受所選樣本數(shù)據(jù)的規(guī)模和訓(xùn)練規(guī)則的影響較大，需要大量資源，實時性 較差，需要采用高性能的控制芯片，導(dǎo)致成本增加。
[0007] 建立狀態(tài)空間模型（線性和非線性），這種方法以卡爾曼濾波法為代表，將電池看 成動力系統(tǒng)，SoC/SoH是系統(tǒng)的一個內(nèi)部狀態(tài)。系統(tǒng)的輸入向量通常包含電池電流、溫度、內(nèi) 阻和剩余容量等變量，系統(tǒng)的輸出為電池的工作電壓，電池 SoC/SoH包含在系統(tǒng)的狀態(tài)量 中。該方法可克服安時積分法的誤差累積效應(yīng)，對電池初始SoC值的精確度要求不高，實時 性好，適用于各種電池，特別適合于電流波動劇烈的混合動力汽車電池的SoC估算。但是模 型的準(zhǔn)確度依靠等效電路模型建立，微小的模型誤差可能帶來較大的估計誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決上述技術(shù)問題，克服現(xiàn)有技術(shù)水平的缺點和不足，本發(fā)明提供一種電池狀 態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)，通過構(gòu)建多維度的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型，可以對不同運行工況下的 電池參數(shù)進行同化處理，該隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型可適應(yīng)放電電流和環(huán)境溫度不斷變化的 運行工況，能夠?qū)﹄姵氐慕】禒顟B(tài)和荷電狀態(tài)進行準(zhǔn)確預(yù)測。
[0009] 本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0010] 建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度T之間的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù) 據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T);
[0011] 利用所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型^〖二以^仏根據(jù)實時測得的待測電池的電 壓Uk、電流Ik以及溫度T k，計算當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線IkXt = f(U，Ik，Tk) 以及可放電時間tk: tk = f (Uk, Ik，Tk)/Ik;
[0012] 根據(jù)當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù)測所述待測電池 的SoC值和SoH值。
[0013] 作為一種可實施方式，所述建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度 T之間的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型〖乂七二以比^八包括以下步驟：
[0014] 在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合特定電流I下適用于不同電池的放 電曲線函數(shù)g(U): / X t = g(L/) = C\e〃|U + Cx#7 + …，其中，Ci、C2、…、Cn為電荷轉(zhuǎn)移 參數(shù)，卩1、卩2、'"、卩11為離子擴散參數(shù)，11取正整數(shù) ；
[0015 ]對所述放電曲線函數(shù)g (U)進行等電壓間隔采樣，將充滿電的電池放電至特定電壓 Uc時，建立表征不同放電電流Ig與放出電量之間的關(guān)系的倍率容量函數(shù)h(Ig):
[0016] IgXtg(Uc)=h(Ig)=p〇(Ig)m+pi(Ig)m_1+. . .+pm-i(lg)+pm
[0017] 其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓U c時的可放電時間，po、 P1、......、Pm為多項式系數(shù)，m取正整數(shù)；
[0018] 根據(jù)所述倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，并根據(jù)取樣結(jié)果 擬合放電電流Ig時電池的放電曲線；
[0019] 根據(jù)在所述設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池的放電曲線，擬合在隨機溫度T下， 電池充滿電后的溫度矯正函數(shù)S(T):
[0020] 其中，A為溫度系數(shù);Ti旋為設(shè)定溫度;tg,i旋為在所述設(shè)定溫度Ti旋下，電池充滿電后 以電流I g放電的時間；tg,T為在隨機溫度T下，電池充滿電后以電流Ig放電的時間；
[0021] 根據(jù)所述綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)以及溫度矯正函數(shù)S(T)，對 不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到所述隨機數(shù)據(jù)同 化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)。
[0022] 作為一種可實施方式，所述溫度系數(shù)A的取值范圍為0.006~0.01。
[0023] 作為一種可實施方式，本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法，還包括以下步驟：
[0024]根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I， T)進行修正。
[0025] 作為一種可實施方式，所述根據(jù)待測電池的SoC值和SoH值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化 函數(shù)模型I X t = f (U，I，T)進行修正，包括以下步驟：
[0026] 根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，計算所述待測電池的實際放電時間和預(yù)測放 電時間之間的偏差值；
[0027] 比較所述偏差值與預(yù)設(shè)的偏差閾值之間的大??；
[0028] 在所述偏差值大于所述偏差閾值時，以恒定電流對所述待測電池放電，通過錄入 所述待測電池在這一模式下的實際的完整放電曲線，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t = f(U，I，T)進行修正。
[0029]相應(yīng)地，本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，包括建模模塊、計算模塊以及預(yù)測模 塊；
[0030] 所述建模模塊，用于建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度T之間 的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T);
[0031] 所述計算模塊，用于利用所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型〖※〖二汽山^沁根據(jù)實時 測得的待測電池的電壓Uk、電流Ik以及溫度T k，計算當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲 線IkX t = f (U, Ik，Tk)以及可放電時間tk: tk = f (Uk, Ik，Tk)/Ik;
[0032] 所述預(yù)測模塊，用于根據(jù)當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線和可放電時 間，預(yù)測所述待測電池的SoC值和SoH值。
[0033] 作為一種可實施方式，所述建模模塊包括放電曲線函數(shù)擬合單元、倍率容量函數(shù) 擬合單元、采樣單元、溫度矯正函數(shù)擬合單元以及建模單元；
[0034] 所述放電曲線函數(shù)擬合單元，用于在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合 特定電流I下適用于不同電池的放電曲線函數(shù)g(U): I X t = g(t/)= + C2e# +..i , 其中，Ci、C2、-_、Cn為電荷轉(zhuǎn)移參數(shù)，以1^2、-_^為離子擴散參數(shù)，11取正整數(shù)；
[0035] 所述倍率容量函數(shù)擬合單元，用于對所述放電曲線函數(shù)g(U)進行等電壓間隔采 樣，將充滿電的電池放電至特定電壓U。時，建立表征不同放電電流1 8與放出電量之間的關(guān)系 的倍率容量函數(shù)h(Ig):
[0036] IgXtg(Uc)=h(Ig)=p〇(Ig)m+pi(Ig)m_1+. . .+Pm-i(Ig)+Pm
[0037] 其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓U c時的可放電時間，p〇、 Pi、......、Pm為多項式系數(shù)，m取正整數(shù)；
[0038] 所述采樣單元，用于根據(jù)所述倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取 樣，并根據(jù)取樣結(jié)果擬合放電電流I g時電池的放電曲線；
[0039] 所述溫度矯正函數(shù)擬合單元，用于根據(jù)在所述設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池 的放電曲線，擬合在隨機溫度T下，電池充滿電后的溫度矯正函數(shù)S(T):
[0040] 其中，A為溫度系數(shù);Ti旋為設(shè)定溫度;tg,i旋為在所述設(shè)定溫度Ti旋下，電池充滿電后 以電流Ig放電的時間；t g,T為在隨機溫度T下，電池充滿電后以電流Ig放電的時間；
[0041 ]所述建模單元，用于根據(jù)所述綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)以及溫 度矯正函數(shù)S(Tk)，對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型， 得到所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)。
[0042]作為一種可實施方式，所述溫度系數(shù)A的取值范圍為0.006~0.01。
[0043]作為一種可實施方式，本發(fā)明的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，還包括修正模塊；
[0044]所述修正模塊，用于根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函 數(shù)模型1>^ =以1]，1，1')進行修正。
[0045] 作為一種可實施方式，所述修正模塊包括計算單元、比較單元以及修正單元；
[0046] 所述計算單元，用于根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，計算所述待測電池的實 際放電時間和預(yù)測放電時間之間的偏差值；
[0047] 所述比較單元，用于比較所述偏差值與預(yù)設(shè)的偏差閾值之間的大??；
[0048]所述修正單元，用于在所述偏差值大于所述偏差閾值時，以恒定電流對所述待測 電池放電，通過錄入所述待測電池在這一模式下的實際的完整放電曲線，對所述隨機數(shù)據(jù) 同化函數(shù)模型〖※七二以比^彡進行修正。
[0049] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果在于：
[0050] 本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法及系統(tǒng)，以電壓U、電流I以及溫度T為變量，建立 可放電時間t(相當(dāng)于可放電量)與電壓U、電流I以及溫度T之間的非線性函數(shù)關(guān)系IX t = f (U，I，T)，這一函數(shù)具備隨機數(shù)據(jù)同化功能，可適應(yīng)放電電流和環(huán)境溫度不斷波動的電池運 行工況。根據(jù)實時測得的待測電池的電壓U k、電流Ik以及溫度Tk，推測當(dāng)前工況下待測電池 的的完整放電曲線，并計算當(dāng)前工況下待測電池的可放電時間，從而估算待測電池的SoH值 和SoC值。
[0051] 本發(fā)明通過建立隨機數(shù)據(jù)同化模型，基于當(dāng)前采集到的電壓、電流和溫度值，即可 擬合出電池在當(dāng)前放電模式和/或環(huán)境下的完整放電曲線，通過擬合待測電池的完整放電 曲線，從而得到電池的SoH和SoC值，邏輯簡單，實時性好，準(zhǔn)確性高，且易于實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0052] 圖1為本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法的一實施例的流程圖；
[0053] 圖2是本發(fā)明實施例提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法中，在25°C、放電電流恒定的情況 下，荷電態(tài)分別為100%3〇(：、80%5〇(：、60%5〇(：、40%5〇(：和20%5〇(：的電池的放電曲線示意 圖；
[0054]圖3是本發(fā)明實施例提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法中，在電池放電至特定電壓時，表征 不同電流與放出電量的關(guān)系的曲線示意圖；
[0055] 圖4是本發(fā)明實施例提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法中，根據(jù)均勻采樣點擬合出的放電 電流Ig時電池的放電曲線示意圖；
[0056] 圖5為本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057]圖6為本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)的另一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0058] 以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的部分實施例，而不是全部實施例。
[0059] 請參閱1，本發(fā)明實施例一提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0060] S100、建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度T之間的函數(shù)關(guān)系的 隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型I Xt = f(U，I，T);
[0061] S200、利用所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型1\丨=汽1]，1，1')，根據(jù)實時測得的待測電 池的電壓Uk、電流I k以及溫度Tk，計算當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線IkXt = f 〇]，115，了1〇以及可放電時間七1{41{=以1]1{，11<，了1 {)/11<;
[0062] S300、根據(jù)當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù)測所述待 測電池的SoC值和SoH值。
[0063] SoC是當(dāng)前工況下電池可放電時間與當(dāng)前工況下電池的完整放電時間的百分比 值，SoH是當(dāng)前工況下電池的完整放電時間與電池在當(dāng)前工況下額定放電時間的比值。
[0064] 本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法，將不可測的機理性模型與可測的外部參數(shù)（電 壓、電流、溫度等)相結(jié)合，充分結(jié)合了電池的電化學(xué)非線性和動態(tài)特性，以電壓U、電流I以 及溫度T為變量，建立可放電時間（相當(dāng)于可放電量)與電壓U、電流I以及溫度T之間的非線 性函數(shù)關(guān)系I X t = f (U，I，T )，這一函數(shù)具備隨機數(shù)據(jù)同化功能，可適應(yīng)放電電流和環(huán)境溫 度不斷波動的電池運行工況。在某一k時刻，根據(jù)隨機實時測得的電壓U k、電流Ik以及溫度 Tk，推測出當(dāng)前工況下的完整放電曲線，并計算在當(dāng)前工況下的可放電時間為tk = f(Uk，Ik， Tk)/Ik，從而預(yù)測待測電池當(dāng)前工況下的SoH值和SoC值。
[0065] 本發(fā)明通過建立隨機數(shù)據(jù)同化模型，基于當(dāng)前采集到的電壓、電流和溫度值，即可 擬合出電池在當(dāng)前放電模式和/或環(huán)境下的完整放電曲線，通過擬合待測電池的完整放電 曲線，從可放電時間獲得電池的SoH和SoC值，準(zhǔn)確性高，實時性好，且易于實現(xiàn)。
[0066] 上述隨機數(shù)據(jù)同化模型的構(gòu)建，無需大量樣本數(shù)據(jù)，無需建立等效電路，避免了單 純用電學(xué)元件來代表電化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)不足，克服了卡爾曼濾波法中由于微小的模型誤差 而帶來較大估算誤差的缺陷。
[0067] 作為一種可實施方式，上述S100具體包括以下步驟：
[0068] S110、在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合特定電流I下適用于不同電 池的放電曲線函數(shù)g(U):g(U) = IXt。
[0069] 例如，在25°C下，恒流情況下，根據(jù)不同狀態(tài)電池的放電曲線，擬合特定電流I下適 用的放電曲線函數(shù)g(U): J X t = g(t/) = Qe# + + …+ 〃，其中，Ci、C2、…、Cn為電 荷轉(zhuǎn)移參數(shù)，μι、μ2、…、μη為離子擴散參數(shù)，η取正整數(shù)；
[0070] S120、在C時刻，對放電曲線函數(shù)g(U)進行等電壓間隔采樣，將充滿電的電池放電 至特定電壓U。時，建立表征不同放電電流Ig與放出電量之間的關(guān)系的倍率容量函數(shù)h(Ig):
[0071] IgXtg(Uc)=h(Ig)=p〇(Ig)m+pi(Ig) m_1+. . .+pm-i(lg)+pm
[0072] 其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓Uc時的可放電時間，po、 Pi、......、Pm為多項式系數(shù)，m根據(jù)電池特性取正整數(shù)。
[0073] S130、根據(jù)倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，得到均勻采樣 點，例如:得至l」x個取樣點，分別為(Ucl，tg(Ucl))、（U c2，tg(Uc2))，……，（Ucx，tg(U cx))，根據(jù)取 樣結(jié)果擬合放電電流Ig時電池的放電曲線。
[0074] S140、根據(jù)在設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池的放電曲線，擬合在隨機溫度T下， 電池充滿電后的溫度矯正函數(shù)S(T):
其中，A為溫度系數(shù);1\胺為 設(shè)定溫度;tg,i旋為在所述設(shè)定溫度Ti旋下，電池充滿電后以電流Ig放電的時間；t g,T為在隨機 溫度T下電池充滿電后以電流Ig放電的時間;A的取值范圍為0.006~0.01。
[0075]考慮溫度對電池放電電量(或時間）的影響，例如，在25°C下，電池充滿電后以電流 I g的放電時間為t g, 2 5 r。則在隨機溫度T下，電池充滿電后，以電流I g放電的時間為
[0076] S150、根據(jù)綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)以及溫度矯正函數(shù)S(Tk)， 對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到隨機數(shù)據(jù)同化 函數(shù)模型 IXt = f(U，I，T)。
[0077] 進一步地，本發(fā)明另一實施例提供的電池狀態(tài)預(yù)測方法，還包括以下步驟：
[0078] S400、根據(jù)待測電池的SoC值和SoH值，對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型I X t = f (U，I，T) 進行修正。
[0079]具體地，作為一種可實施方式，步驟S400包括以下步驟：
[0080] S410、根據(jù)待測電池的SoC值和SoH值，計算待測電池的實際放電時間和預(yù)測放電 時間之間的偏差值；
[0081 ] S420、比較偏差值與預(yù)設(shè)的偏差閾值之間的大小；
[0082] S430、在偏差值大于偏差閾值時，以恒定電流Ij對待測電池放電，通過錄入待測電 池在這一模式下的實際的完整放電曲線，對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t = f(U，I，T)進行修 正。
[0083]使用時，可根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)需求，預(yù)先設(shè)置估算誤差，即偏差閾值。通過將實際放電 時間與預(yù)測放電時間進行對比，當(dāng)二者的偏差值大于偏差閾值時，對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模 型1>^ =以1]，1，1')進行在線自我修正。
[0084]本實施例根據(jù)實際已放電時間與預(yù)測放電時間的偏差值，通過對放電曲線函數(shù)g (U)和倍率容量函數(shù)h(Ig)進行修正，實現(xiàn)對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型以丨二以^⑴進行自 修正。修正過程中，無需在模型中設(shè)定電池的衰減因子，而是以多個恒定電流L對電池放 電，通過對比電池在這一模式下的實際完整放電曲線，對原有放電曲線函數(shù)g(U)進行更新。 放電電流L的值的設(shè)定依據(jù)為該電池的工作負(fù)載范圍選取。
[0085] 上述I」的設(shè)定依據(jù)為電池的工作負(fù)載范圍，因此模型的適應(yīng)性強，修正精度高，消 除了衰減因子設(shè)定時帶來的本征誤差，也避免了累計誤差的產(chǎn)生。
[0086] 下面，例舉一個實例，對本
【發(fā)明內(nèi)容】
進行說明：
[0087]首先，在25°C(也可以是其他溫度下）、特定電流I的情況下，測試荷電狀態(tài)分別為 100%5〇(：、80%5〇(：、60%5〇(：、40%5〇(：和20%3〇(：電池的放電曲線，擬合該電流1下適用的不 同電池的放電曲線函數(shù)g(U):g(U) = IXt，如圖2所示，/ = = 該函數(shù) 中包括四項參數(shù)Ci、C2、yi、y2,其中，Ci和C2代表電荷轉(zhuǎn)移參數(shù)，μι和μ2代表離子擴散參數(shù)。 [0088] 接下來，以五種不同的放電電流Iο、11、12、13以及14對充滿電的電池分別放電，對擬 合的g(U) = IXt函數(shù)，采用等電壓間隔采樣代替等周期間隔采樣。采樣至特定電壓U。時，建 立不同電流與放出電量的關(guān)系，即倍率容量函數(shù)，如圖3所示。
[0089] 由IgX tg(Uc)=h(Ig)可知，取不同的Uc值，可以得到不同的估計時間值tg(Uc)，在 電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，得到均勻的采樣點，由此擬合出充入電流I g時電池的完整 放電曲線，如圖4所示。
[0090] 考慮溫度對電池放電電量(或時間）的影響，例如，在25°C下，電池充滿電后以電流 Ig的放電時間為tg,25r，則某一溫度T下，電池充滿電后，以電流I g放電的時間為
，其中，A依據(jù)電池特性，此處可設(shè)定為0.008。
[0091] 最后，將上述綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)以及溫度矯正函數(shù)S(Tk) 進行整合，對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到隨機 數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型。
[0092] 例如，對于閥控密封鉛酸蓄電池的狀態(tài)預(yù)測過程為:在某一k時刻，根據(jù)隨機實時 測得的^、^、^，代入到隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型中^卩可實時預(yù)測在當(dāng)前工況下的剩余的可 放電時間為tk = f (Uk，Ik，Tk) /Ik以及當(dāng)前工況下的完整放電曲線，此時電池的SoH值為
[0093]進一步地，上述電池狀態(tài)預(yù)測方法可以提供實際已放電時間與預(yù)測放電時間的偏 差值，隨著電池性能的衰減，當(dāng)偏差值大于設(shè)定偏差閾值(例如10 %)時，將對隨機數(shù)據(jù)同化 函數(shù)模型I X t = f (U，I，T)進行在線自修正，修正步驟如下：
[0094] 以恒定電流Izl、Iz#PIz3對電池放電（電流值的選取以電池的實際應(yīng)用工況為依 據(jù)），錄入電池在這三種電流下的完整放電曲線，以放電曲線函數(shù)g(U) = IXt為模型，對參 數(shù)&、C2、……、Cn，yi、y 2、……、μη進行修正，以倍率容量函數(shù)h(Ig) = IgXtg(Uk)為模型，對參 數(shù)P^Pl·、……、p m進行修正，從而獲得修正后的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型。
[0095] 基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例還提供了一種電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決 問題的原理與上述方法相同，故該系統(tǒng)的實施可參照上述方法的具體流程，重復(fù)之處不再 冗述。
[0096] 參見圖5,本發(fā)明提供的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)的一實施例，包括建模模塊100、計算模 塊200以及預(yù)測模塊300;
[0097] 建模模塊100用于建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流I以及溫度T之間的 函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T);
[0098] 計算模塊200用于利用隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t = f(U，I，T)，根據(jù)實時測得的 待測電池的電壓Uk、電流Ik以及溫度Tk，計算當(dāng)前工況下待測電池的完整放電曲線IkXt = f 〇]，115，了1〇以及可放電時間七1{41{=以1]1{，11<，了1 {)/11<;
[0099] 預(yù)測模塊300用于根據(jù)當(dāng)前工況下待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù)測 待測電池的SoC值和SoH值。
[0100] 作為一種可實施方式，建模模塊100包括放電曲線函數(shù)擬合單元110、倍率容量函 數(shù)擬合單元120、采樣單元130、溫度矯正函數(shù)擬合單元140以及建模單元150;
[0101]放電曲線函數(shù)擬合單元110用于在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合特 定電流I下適用于不同電池的放電曲線函數(shù)g(U):J = .+ (：,，〃， 其中，Ci、C2、-_、Cn為電荷轉(zhuǎn)移參數(shù)，以1^2、-_^為離子擴散參數(shù)，11取正整數(shù)；
[0102] 倍率容量函數(shù)擬合單元120用于對放電曲線函數(shù)g(U)進行等電壓間隔采樣，將充 滿電的電池放電至特定電壓U。時，建立表征不同放電電流I g與放出電量之間的關(guān)系的倍率 容量函數(shù)h(Ig):
[0103] IgXtg(Uc)=h(Ig)=p〇(Ig)m+pi(Ig) m_1+. . .+pm-i(Ig)+Pm
[0104] 其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓U c時的可放電時間，po、 Pi、......、Pm為多項式系數(shù)，m取正整數(shù)；
[0105] 采樣單元130用于根據(jù)倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，并 根據(jù)取樣結(jié)果擬合放電電流I g時電池的放電曲線；
[0106] 溫度矯正函數(shù)擬合單元140用于根據(jù)在設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池的放電 曲線，擬合在隨機溫度T下，電池充滿電后的溫度矯正函數(shù)S(T)
[0107] 其中，A為溫度系數(shù)，其取值范圍為0.006~0.01; Ti旋為設(shè)定溫度;tg,i旋為在設(shè)定溫 度TiM下，電池充滿電后以電流Ig放電的時間；t g,T為在隨機溫度T下，電池充滿電后以電流Ig 放電的時間；
[0108] 建模單元150用于根據(jù)綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)以及溫度矯正 函數(shù)S(T k)，對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到隨 機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)。
[0109] 作為一種可實施方式，如圖6所示，本實施例提供的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)還包括修正 模塊400;
[0110]修正模塊400用于根據(jù)待測電池的SoC值和SoH值，對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t = f(U，I，T)進行修正。
[0111 ]進一步地，作為一種可實施方式，修正模塊400包括計算單元、比較單元以及修正 單元；
[0112] 計算單元用于根據(jù)待測電池的SoC值和SoH值，計算待測電池的實際放電時間和預(yù) 測放電時間之間的偏差值；
[0113] 比較單元用于比較偏差值與預(yù)設(shè)的偏差閾值之間的大??；
[0114] 修正單元用于在偏差值大于偏差閾值時，以恒定電流對待測電池放電，通過錄入 待測電池在這一模式下的實際的完整放電曲線，對隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T) 進行修正。
[0115] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步的 詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護 范圍。特別指出，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種電池狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，包括W下步驟： 建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流IW及溫度T之間的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同 化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T); 利用所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)，根據(jù)實時測得的待測電池的電壓化、 電流IkW及溫度化，計算當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線IkXt = f(U，Ik，Tk)W及 可放電時間tk:tk = f (化，Ik，Tk)/Ik; 根據(jù)當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù)測所述待測電池的 SoC值和SoH值。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，所述建立表征電池的可放電 時間t與電壓U、電流及溫度T之間的函數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I， T)，包括W下步驟： 在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合特定電流I下適用于不同電池的放電曲 線函數(shù)其中，(：1八2、-，、打為電荷轉(zhuǎn)移參數(shù)， μι、μ2、· · ·、μη為離子擴散參數(shù)，η取正整數(shù)； 對所述放電曲線函數(shù)g(U)進行等電壓間隔采樣，將充滿電的電池放電至特定電壓化時， 建立表征不同放電電流Ig與放出電量之間的關(guān)系的倍率容量函數(shù)h(Ig): IgXtg 化 C)二 h(Ig)=p〇(Ig)m+pi(Ig)? 1+. . .+Pm-I(lg)+Pm 其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓Uc時的可放電時間，p〇、pi、……、 Pm為多項式系數(shù)，m取正整數(shù)； 根據(jù)所述倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，并根據(jù)取樣結(jié)果擬合 放電電流Ig時電池的放電曲線； 根據(jù)在所述設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池的放電曲線，擬合在隨機溫度T下，電池充 滿電后的溫度矯正函數(shù)s(T)其中，A為溫度系數(shù);Ti獵為設(shè)定溫度;tg,i粧為在所述設(shè)定溫度Ti粧下，電池充滿電后W電 流Ig放電的時間；tg,T為在隨機溫度T下，電池充滿電后W電流Ig放電的時間； 根據(jù)所述綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)W及溫度矯正函數(shù)S(T)，對不同 運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到所述隨機數(shù)據(jù)同化函 數(shù)模型 IXt = f(U，I，T)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，所述溫度系數(shù)A的取值范圍 為0.006~0.01。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，還包括W下步驟： 根據(jù)所述待測電池的SoC值和S細(xì)值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)進 行修正。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電池狀態(tài)預(yù)測方法，其特征在于，所述根據(jù)待測電池的SoC值 和SoH值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)進行修正，包括W下步驟： 根據(jù)所述待測電池的SoC值和S細(xì)值，計算所述待測電池的實際放電時間和預(yù)測放電時 間之間的偏差值； 比較所述偏差值與預(yù)設(shè)的偏差闊值之間的大??； 在所述偏差值大于所述偏差闊值時，W恒定電流對所述待測電池放電，通過比對所述 待測電池在運一模式下的實際的完整放電曲線，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t = f(u， Ι，τ)進行修正。6. -種電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，包括建模模塊、計算模塊W及預(yù)測模塊； 所述建模模塊，用于建立表征電池的可放電時間t與電壓U、電流及溫度Τ之間的函 數(shù)關(guān)系的隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型I Xt = f(U，I，T); 所述計算模塊，用于利用所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IX t=f(U，I，T)，根據(jù)實時測得 的待測電池的電壓化、電流ikW及溫度化，計算當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線Ik Xt = f(U，Ik，Tk)W及可放電時間tk:tk=f(Uk，Ik，Tk)/Ik; 所述預(yù)測模塊，用于根據(jù)當(dāng)前工況下所述待測電池的完整放電曲線和可放電時間，預(yù) 測所述待測電池的SoC值和SoH值。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述建模模塊包括放電曲線 函數(shù)擬合單元、倍率容量函數(shù)擬合單元、采樣單元、溫度矯正函數(shù)擬合單元W及建模單元； 所述放電曲線函數(shù)擬合單元，用于在設(shè)定溫度下，根據(jù)不同電池的放電曲線，擬合特定 電流I下適用于不同電池的放電曲線函數(shù)g(U)其中，Ci、C2、···、Cn為電荷轉(zhuǎn)移參數(shù)，μι、μ2、···、μ。為離子擴散參數(shù)，η取正整數(shù)； 所述倍率容量函數(shù)擬合單元，用于對所述放電曲線函數(shù)g(U)進行等電壓間隔采樣，將 充滿電的電池放電至特定電壓U。時，建立表征不同放電電流Ig與放出電量之間的關(guān)系的倍 率容量函數(shù)h(Ig):其中，tg(Uc)代表放電電流為Ig且電池放電至特定電壓Uc時的可放電時間，p〇、pi、……、 Pm為多項式系數(shù)，m取正整數(shù)； 所述采樣單元，用于根據(jù)所述倍率容量函數(shù)h(Ig)，在電池放電電壓范圍內(nèi)均勻取樣，并 根據(jù)取樣結(jié)果擬合放電電流Ig時電池的放電曲線； 所述溫度矯正函數(shù)擬合單元，用于根據(jù)在所述設(shè)定溫度下，放電電流為Ig時電池的放電 曲線，擬合在隨機溫度T下，電池充滿電后的溫度矯正函數(shù)S(T)其中，A為溫度系數(shù);Ti獵為設(shè)定溫度;tg,i粧為在所述設(shè)定溫度Ti粧下，電池充滿電后W電 流Ig放電的時間；tg,T為在隨機溫度T下，電池充滿電后W電流Ig放電的時間； 所述建模單元，用于根據(jù)所述綜合放電曲線函數(shù)g(U)、倍率容量函數(shù)h(Ig)W及溫度矯 正函數(shù)S(化），對不同運行工況下的電池參數(shù)進行同化處理，構(gòu)建多維度的綜合模型，得到 所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度系數(shù)A的取值范圍 為0.006~0.01。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，還包括修正模塊； 所述修正模塊，用于根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，對所述隨機數(shù)據(jù)同化函數(shù)模 型I X t = f (U, I ,τ)進行修正。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)，其特征在于，所述修正模塊包括計算單 元、比較單元w及修正單元； 所述計算單元，用于根據(jù)所述待測電池的SoC值和SoH值，計算所述待測電池的實際放 電時間和預(yù)測放電時間之間的偏差值； 所述比較單元，用于比較所述偏差值與預(yù)設(shè)的偏差闊值之間的大??； 所述修正單元，用于在所述偏差值大于所述偏差闊值時，W恒定電流對所述待測電池 放電，通過錄入所述待測電池在運一模式下的實際的完整放電曲線，對所述隨機數(shù)據(jù)同化 函數(shù)模型IXt = f(U，I，T)進行修正。
【文檔編號】G01R31/36GK106093778SQ201610373307
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】相佳媛, 陳建, 陳麗穎, 陳成
【申請人】浙江南都電源動力股份有限公司