[发明专利]一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法

说明书

本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法。该算法包括以下步骤：步骤1.建立电池的二阶分数阶模型作为荷电状态估计以及均衡的模型；步骤2.采用多尺度分数阶双无迹卡尔曼滤波法实现电池参数和荷电状态的联合估计；步骤3.根据步骤2中得到的电池模型参数以及电池荷电状态估计，基于开关矩阵均衡拓扑完成电池的均衡过程。基于开关矩阵均衡拓扑完成电池的均衡过程，增加了电池寿命，基于电池分数阶模型并采用多尺度分数阶双无迹卡尔曼滤波法，为BMS系统均衡、报警等功能提供可靠依据，确保了保证锂离子电池在应用过程中的可靠性和稳定性。

技术领域

本发明属于电池管理系统技术领域，具体涉及一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法。

背景技术

锂离子电池凭借寿命长、占用空间少、能量密度和功率密度高、自放电率不到铅酸和镍氢电池的一半等优点广泛适用于军事、航空航天、混合动力汽车、插入式混合动力汽车和工业能源发电站。然而，锂离子电池对过充、过放电的耐受性最低，会缩短电池寿命，从而造成安全隐患。锂离子电池的容量在其循环寿命内不会保持恒定，相反，它会在整个寿命期内下降。由于电池的内在和外在动态特性，电池组中每个电池的容量彼此不同，当充电、放电循环次数增加时，容量会降低。电池的内阻也随着充电、放电循环次数的增加而增加。此外所有电池都可能具有独特的自放电速率、阻抗、容量和温度特性。这些差异将导致多个串联电池组成的电池的寿命由于电荷不平衡而显著缩短，甚至引发危险。因此，均衡每个电池中存储的电荷是电池管理系统的一个关键功能。本发明旨在提出一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法，从而通过计算结果控制低压功率开关器件导通时序从而实现电池的均衡。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法，从而为电池管理系统中电池均衡提供一套行之有效的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于开关矩阵电池均衡拓扑的电池模型参数和荷电状态联合估计算法，包括以下步骤：

步骤1.建立电池的二阶分数阶模型作为荷电状态估计以及均衡的模型；

步骤2.采用多尺度分数阶双无迹卡尔曼滤波法实现电池参数和荷电状态的联合估计；

步骤3.根据步骤2中得到的电池模型参数以及电池荷电状态估计，基于开关矩阵均衡拓扑完成电池的均衡过程。

进一步地，步骤1具体为：使用分数阶电容代替整数阶电容，进而获得电池的二阶分数阶模型，电路状态方程如下：

U＝E-R₀I_T-U₁-U₂ (2)

其中α、β分别是分数阶电容阶次，U₁、U₂是分数阶电容两端的电压，E是电池的开路电压；U是电池的端电压；I_T是电池的充放电流，Q_N表示电池的额定容量，η是库仑效率；

此处引入G-L定义:

阶数为α的变量x(t)可以展开写成：

式中：^GLD_t^α为G-L分数阶微积分算子；α为分数阶阶次；T_s为步长/s；t为运算总时长/s；j为步数；[t/T_s]为取t/T的整数部分；为牛顿二项式系数，并且当j＝0时，

据此，结合(1)、(2)式可得电池分数阶模型如下：