发布时间 : 星期四 文章基于安时积分和粒子滤波修正的锂离子电池SOC估计方法更新完毕开始阅读481f4848998fcc22bcd10dda
摘 要 高能量锂离子电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长等特点，广泛应用于电动汽车、武器装备、通信等领域，电池荷电状态（SOC）估计直接影响电池组充放电策略、使用效率、循环寿命和安全性能，是电池管理技术发展应用的核心关键技术，研究具有重要意义。受温度、循环次数、老化等因素的影响，锂离子电池具有很强的非线性和时变性，实时精确的荷电状态估计十分困难。本文以钴酸锂电池为研究对象，围绕电池电化学特性测试、等效电路模型建立和SOC估计算法展开研究。
首先，针对高精度的电池电化学特性测试问题，搭建了锂离子电池测试平台，并设计了锂离子电池测试方案，为后续电池模型建立及算法验证提供了试验数据。提出了最大可用容量的放电速率修正系数，并在电池全寿命周期内建立了电池容量的退化模型，实现了电池最大可用容量的实时修正，克服了在SOC估计时由于使用固定不变的额定容量值与实际可用容量不符而造成的影响。
其次，针对电池精确建模问题，建立了改进后的多阶thevenin等效电路模型，并对模型参数进行了辨识。在等效电路模型中引入描述滞回电压变化特性的滞回因子，并仿真验证了滞回因子描述电池开路电压滞回特性的有效性。通过不同阶等效电路模型精度对比，权衡模型精度和复杂度，最终确定了改进后的二阶thevenin等效电路模型为SOC估计算法所用模型。
最后，针对安时积分法误差累积及卡尔曼滤波算法对系统噪声限制的问题，提出了基于安时积分和粒子滤波修正的SOC估计算法，并在不同电流工况下对所提算法进行了验证。通过与传统的安时积分法和扩展卡尔曼滤波算法仿真结果对比，验证了所提算法的性能优于其他两类算法。
关键词：锂离子电池；荷电状态；电池模型；粒子滤波
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第一章 绪论
1.1研究背景及意义
爆发于上世纪60年代的全球石油危机使人们开始积极地寻找新能源来缓解传统化石能源枯竭带来的巨大压力。绿色二次电池以其高效、清洁、可循环使用的优点，成为综合缓解能源、资源和环境问题的一种有效技术途径。近年来发展较为迅猛的便携式电子产品、电动汽车、国防军事装备的电源系统，以及光伏储能、储能调峰电站、不间断电源等众多新能源应用领域，绿色二次电池拥有不可替代的地位，对当今社会可持续发展具有深远的战略支撑意义。同时，随着我国产业结构调整，电池行业由传统一次电池向新型二次电池转型，明显朝着减少资源、能源浪费与环境污染的可持续发展方向进步。因此，发展性能优越的绿色二次电
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池已成为我国经济发展的重大需求错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。。
目前锂离子电池技术还不够成熟，使用条件较为苛刻，必须限制在一个可靠的区域内运行，即特定的电压、电流和温度范围内。超出这个区域将会导致电池发生不可逆的损坏，温度过高或过压过流情况还会造成安全隐患甚至爆炸。并且，锂离子电池在实际应用中，为解决单个锂电池电池电压、容量较小的问题而普遍采用大量锂电池串并联组合成组使用的方案错误！未找到引用源。，随着电池组的长期使用，电池单体之间由于生产过程中工艺等因素导致的一次不一致性和不断循环充放电过程中发生不同程度的衰减而导致的二次不一致性，电池组单体之间的不一致性将大大降低电池组使用效率和循环次数。为促进锂离子电池的规模化应用，一方面要继续对电池使用材料和设计技术深入研究，提升电池性能。另外，建立用于电池监测和管控的管理系统是保证电池高效、安全、稳定运行的必要条件。
在军事应用上，信息化战场的信息获取来源于大规模的无线传感网，每一个传感器作为传感网的中单个通信节点依赖大容量的电池来提供能量，而且电池所处的环境一般都比较恶劣，保证如此庞大的电池网络高效、安全的运行是电池管理系统的关键任务。另外，随着无人机、无人战车、机器人等具有鲜明军事应用背景的武器装备，采用电池来提供能量具有噪音小、隐蔽性好等优点，这些都离不开电池管理设备。通过对电动汽车上电池管理系统的关键技术的突破，对大功率电池在其他设备的应用上有重大意义。
电动汽车上的动力电池工作环境与一般的消费电子产品里的电池相比具有高能量比、大充/放电电流、工况复杂、安全性要求高等特点。常用的锂离子电池的
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高能量比性能为其在安全方面带来隐患，不正确的使用方式将严重影响电池的使用安全，因此必须严格地按照电池参数管理电池，防止其过充、过放和过温，保证电池工作在安全范围内。作为电动车上的动力电池，这就需要专门的电池管理系统对动力电池进行监控和控制，确保电动汽车的安全、可靠和高效。
电池管理系统BMS（Battery Manage System）的主要目的是保护电池并且使电池运行在可靠的范围之内，从而延长电池使用寿命的目的。BMS结构原理如图1.1所示，它具有数据采集、状态估计、电池保护、数据传输、不一致性均衡、热管理、充放电管理等功能错误！未找到引用源。~错误！未找到引用源。。状态估计是BMS的主要功能，包括对SOH(State Of Health)、SOF(State Of Function)和SOC（State Of Charge）等进行实时估计。SOC为电池的荷电状态，是电池剩余电量与电池最大可用容量的比值，用来指示电池的剩余电量。SOH为电池的健康状态，是电池当前状态与理想状态的比值。SOF反映了电池功率是否满足实际使用需求，通常可以由SOC、SOH决定。目前，对于电池管理系统BMS而言，研究热点集中在电池组的安全快速充电技术、均衡技术以及动力电池荷电状态SOC估算技术等几项关键技术，其中，荷电状态SOC估算技术尤为重要，因为它是BMS进行电池组充放电控制以及均衡管理的前提和依据。精确的SOC估计，才能保证电池在合理的SOC范围内使用，既能提高电池的使用效率，也可以防止因过充/过放等不恰当使用造成的不可逆损害，从而提高循环使用寿命。
图1.1 BMS结构原理图
电池SOC的估计是电池管理系统需要解决的核心关键技术。但是电池是一个化学储能器件，其内部的化学能量无法直接通过测量设备获得，加上电池模型的限制和参数的不确定性，这导致电池电荷状态的估计十分困难。因此，为了满足高功率大容量锂电池在经济、社会、军事等领域的进一步发展需要，开展锂离子电池荷电状态估计方法的研究是十分必要和迫切的。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 锂离子电池发展概述
20世纪70年代诞生了一次性锂电池，凭借其能量高、比容量量大和储存寿命长等突出优点，迅速成为手表、计算器和可移植医疗器件等电子装置小型轻量化的首选电源。但当时锂二次电池以金属锂为负极，在电池充放电过程中，锂二次电池会产生锂枝晶形式的金属锂沉积，随着电化学循环的进行，枝晶不断累积生长，一方面由于电极活性锂的减少而引起电池容量衰减，另一方面持续生长的锂
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枝晶可能刺破隔膜，导致电池内部短路而引发电池内部燃烧甚至爆炸。因此当时金属锂作负极的锂二次电池并没有实现商业化错误！未找到引用源。~错误！未找到引用源。。
20世纪80年代，研究者们针对锂二次电池的致命缺陷提出了一系列设计方案。M.Armand等利用嵌锂化合物替代金属锂作为负极，加以高嵌锂电势的化合物AZBW做正极，组成了无金属锂的二次锂电池。Auburn等提出了MO2|LiPF6和PC|LiCoO2类锂离子电池的设计。1990年，日本SNOY公司首次提出了“锂离子电池”概念，该公司研究出的二次锂电池负极为碳材料，采用能够嵌锂的焦炭作为锂电池负极材料，安全问题得到解决，并且造价低廉，无毒无污染，同年，SONY公司便宣布了锂离子电池的商品化，成为电池发展史上的一个重要里程碑错误！未找到引用源。。从此，世界范围内掀起了锂离子电池的研究热潮，推动了锂离子电池工业的迅猛发展。
进入21世纪以来，随着新材料的不断开发利用，锂离子电池得到快速发展，相关技术取得了巨大的突破，已成为通讯类电子新产品的主要能源之一。 我国锂离子电池的研究起步于1998年，短时间内获得了较快的发展，已成为世界上最大的锂离子电池制造国之一错误！未找到引用源。。
表1.1 常用二次电池的主要性能与指标对比
性能与指标 商品化时间/年 质量比能量/（W·h/kg） 标称电压/v 循环寿命/次 快充时间/h 抗过充性能 自放电速率（每月）/% 内阻/Ω 最大放电电流/C 最佳放电电流/C 操作温度 镉镍电池 1950 45~80 1.25 1500 1 中 20 150 20 1 -40~60℃ 镍氢电池 1990 60~120 1.25 300~500 3 差 30 250 5 0.5 -20~60℃ 铅酸电池 1970 30~50 2 200~300 10 优 5 ＜100 5 0.2 -20~60℃ 锂离子电池 1991 110~160 3.6 500~1000 3 很差 10 200 ＞2 1 -20~60℃ 可充碱性电池 1992 80 1.5 50~80 2.5 中 ≈0.3 200~2000 0.5 0.2 0~65℃ 第 3 页