[发明专利]一种串联电池组功率状态SOP的在线估计方法及其应用

摘要

本发明公开了一种串联电池组功率状态SOP的在线估计方法及其应用，该方法包括如下步骤电池参数及电池动态效应的递推在线辨识；基于电压限制的下一时刻的电池SOP计算；基于电压限制的下一时刻以后时刻的电池SOP计算；基于电流限制的下一时刻的电池SOP计算；基于电流限制的下一时刻以后时刻的电池SOP计算；基于电压限制和电流限制综合的下一时刻的电池SOP、下一时刻以后时刻的电池SOP的在线估计。本发明考虑了电池电压和电流工作窗口对峰值功率的影响，能同时实现高精度的SOP的单步预测和多步预测，能有效防止电池在实时运行过程中被滥用、帮助其它相关系统实现最优化的能量管理。

主权项

一种串联电池组功率状态SOP的在线估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、执行基于电池等效电路模型中的电池参数及对电池等效电路模型中未涵盖电池效应进行综合模拟的电池参数的递推在线辨识；步骤2、执行基于电压限制和在线辨识出的电池参数的下一时刻的电池SOP计算；步骤3、执行基于电压限制和在线辨识出的电池参数的下一时刻以后时刻的电池SOP计算；步骤4、执行基于电流限制和在辨识计出的电池参数的下一时刻的电池SOP计算；步骤5、执行基于电流限制和在线辨识出的电池参数的下一时刻以后时刻的电池SOP计算；步骤6、综合步骤2‑5计算出的下一时刻的电池SOP以及以后时刻的电池SOP，实现对基于电压限制和电流限制综合的电池SOP的在线估计；所述步骤1中的递推在线辨识的方法为基于递推扩展最小二乘法的在线辨识方法，具体包括如下步骤：步骤101、按公式ΓTk＝[1Ik(Ik‑Ik‑1)/△t(Vt,k‑Vt,k‑1)/△t nk‑1…nk‑nc]计算时刻k输入向量的递推值Γ，其中，ΓT1＝ΓT2＝…＝ΓTnc＝Γ0,Γ0为给定的初始值，I、Vt为通过传感器采样的电池的电流(充电时为负，放电时为正)、端电压，下标k代表第k时刻、k‑1代表第k‑1时刻，△t为第k时刻和第k‑1时刻间的时间，nk‑1、…、nk‑nc分别为前一时刻k‑1、前nc时刻k‑nc的随机误差；步骤102、按公式Pk＝[Pk‑1‑Pk‑1ΓkΓTkPk‑1/(λ+ΓTkPk‑1Γk)]/λ更新第k时刻的增益因子Pk，其中，下标k、k‑1分别代表第k时刻和k‑1时刻，λ为遗忘因子(通常取值区间为0.95～1)；步骤103、按公式θk＝θk‑1+PkΓk[Vt,k‑ΓTkθk‑1]计算第k时刻的待辨识参数向量θk；步骤104、在k+1时刻电池的电流I和端电压Vt采样值更新后，按公式nk+1‑i＝Vt,k+1‑i‑ΓTk+1‑iθk+1‑i(i＝1,2,3,…,nc)更新当前时刻以前的nc个时刻的随机误差，将k用k+1代替，返回步骤101，实现递推；步骤105、利用在步骤101～104递推计算中获得待辨识参数向量θk中的元素θ1,k、θ2,k、θ3,k、θ4,k，分别按公式Voc＝θ1,k、Rin＝θ3,k/θ4,k、Rp＝‑θ2,k‑θ3,k/θ4,k、Cp＝θ4,k2/(θ2,kθ4,k+θ3,k)计算出电池等效电路模型中的电池开路电压Voc、直流内阻Rin、RC电路中的Rp和Cp；所述步骤2具体包括如下步骤：步骤201、按公式Vp,k＝Voc‑Vt,k‑IkRin+wk计算当前时刻k的电池极化电压Vp,k，其中，Voc、Rin和wk分别为在所述步骤1中在线辨识的电池开路电压、直流内阻、有色噪声，Vt,k和Ik为由传感器测量得到的电池端电压和通过电池的电流；步骤202、按公式Vp,k+1＝e‑△t/Rp/CpVp,k+(1‑e‑△t/Rp/Cp)RpIk估计下一时刻k+1的电池极化电压Vp,k+1，其中，Rp、Cp分别为所述步骤1中在线识别的用于模拟电池的电荷转移现象的RC回路中的电阻、电容，△t为下一时刻k+1与当前时刻k之间的时间；步骤203、按wk+1＝ΓTkθk估计下一时刻的有色噪声wk+1，其中，ΓTk、θk分别为所述步骤1中计算出的时刻k输入向量的递推值、待辨识参数向量；步骤204、分别按公式Ichrg,maxk+1＝(Voc‑Vp,k+1‑Vmax+wk+1)/Rin、Idischrg,maxk+1＝(Voc‑Vp,k+1‑Vmin+wk+1)/Rin计算下一时刻k+1不超过电池允许最高电压Vmax的最大充电电流Ichrg,maxk+1、不超过电池允许最低电压Vmin的最大放电电流Idischrg,maxk+1；步骤205、按下式计算出基于电压限制的下一时刻k+1的电池SOP：SOPV,shortcharge,k+1＝Vmax Ichrg,maxk+1；SOPV,shortdischarge,k+1＝Vmin Idischrg,maxk+1；所述步骤3具体包括如下步骤：步骤301、按公式Vp,k+1＝e‑△t/Rp/CpVp,k+(1‑e‑△t/Rp/Cp)RpIk估计下一时刻k+1的电池极化电压Vp,k+1，其中，Rp、Cp分别为所述步骤1中在线识别的用于模拟电池的电荷转移现象的RC回路中的电阻、电容，△t为下一时刻k+1与当前时刻k之间的时间；步骤302、分别按公式Ichrg,maxk+1＝(Voc‑Vp,k+1‑Vmax)/Rin、Idischrg,maxk+1＝(Voc‑Vp,k+1‑Vmin)/Rin计算下一时刻k+1不超过电池允许最高电压Vmax的最大充电电流Ichrg,maxk+1、不超过电池允许最低电压Vmin的最大放电电流Idischrg,maxk+1；步骤303、令k＝k+1,重复步骤301和步骤302，则可在没有其他输入的情况下计算出当前时刻以后n个时刻的不超过电池允许最高电压Vmax的最大充电电流Ichrg,maxk+i、不超过电池允许最低电压Vmin的最大放电电流Idischrg,maxk+i，其中，i＝1～n；进而按下式计算出基于电压限制的下一时刻以后时刻的电池SOP：SOPV,longcharge,k+j＝Vmax Ichrg,maxk+j；SOPV,longdischarge,k+j＝Vmin Idischrg,maxk+j；其中，下标中的k代表当前时刻、k+j代表当前时刻以后的j(j＝1,2,…，n)；所述步骤4具体包括如下步骤：步骤401、按公式Vp,k＝Voc‑Vt,k‑IkRin+wk计算当前时刻k的电池极化电压Vp,k，其中，Voc、Rin和wk分别为在所述步骤1中在线辨识的电池开路电压、直流内阻、有色噪声，Vt,k和Ik为由传感器测量得到的电池端电压和通过电池的电流；步骤402、按公式Vp,k+1＝e‑△t/Rp/CpVp,k+(1‑e‑△t/Rp/Cp)RpIk估计下一时刻k+1的电池极化电压Vp,k+1，其中，Rp、Cp分别为所述步骤1中在线识别的用于模拟电池的电荷转移现象的RC回路中的电阻、电容，△t为下一时刻k+1与当前时刻k之间的时间；步骤403、按wk+1＝ΓTkθk估计下一时刻的有色噪声wk+1，其中，ΓTk、θk分别为所述步骤1中计算出的时刻k输入向量的递推值、待辨识参数向量；步骤404、分别按公式Vchrg,maxk+1＝Voc‑Vp,k+1‑IminRin+wk+1、Vdischrg,mink+1＝Voc‑Vp,k+1‑ImaxRin+wk+1计算下一时刻k+1不超过电池允许最大充电电流Imin的最高电压Vchrg,maxk+1、不超过电池允许最大放电电流Imax的最低电压Vdischrg,mink+1；步骤405、按下式计算出基于电流限制的下一时刻k+1的电池SOP：SOPI,shortcharge,k+1＝IminVchrg,maxk+1；SOPI,shortdischarge,k+1＝Imax Vdischrg,mink+1；所述步骤5具体包括如下步骤：步骤501、按公式Vp,k+1＝e‑△t/Rp/CpVp,k+(1‑e‑△t/Rp/Cp)RpIk估计下一时刻k+1的电池极化电压Vp,k+1，其中，Rp、Cp分别为所述步骤1中在线识别的用于模拟电池的电荷转移现象的RC回路中的电阻、电容，△t为下一时刻k+1与当前时刻k之间的时间；步骤502、分别按公式Vchrg,maxk+1＝Voc‑Vp,k+1‑IminRin、Vdischrg,mink+1＝Voc‑Vp,k+1‑ImaxRin计算下一时刻k+1不超过电池允许最大充电电流Imin的最高电压Vchrg,maxk+1、不超过电池允许最大放电电流Imax的最低电压Vdischrg,mink+1；步骤503、令k＝k+1,重复所述步骤501和步骤502，则可在没有其他输入的情况下计算出当前时刻以后n个时刻的不超过电池允许最大充电电流Imin的最高电压Vchrg,maxk+i、不超过电池允许最大放电电流Imax的最低电压Vdischrg,mink+i，其中，i＝1～n；进而按下式计算出基于电流限制的下一时刻以后时刻的电池SOP：SOPI,longcharge,k+j＝Imin Vchrg,maxk+j；SOPI,longdischarge,k+j＝Imax Vdischrg,mink+j；其中，下标中的k代表当前时刻、k+j代表当前时刻以后的j(j＝1,2,…，n)；所述步骤6具体包括如下步骤：步骤601、按如下公式计算下一时刻的电池SOP：SOPshortcharge.k+1＝max[SOPV,shortcharge,k+1,SOPI,shortcharge,k+1]；SOPshortdischarge.k+1＝max[SOPV,shortdischarge,k+1,SOPI,shortdischarge,k+1]；其中，下标中的k代表当前时刻、k+1代表下一时刻，SOPshortcharge.k+1、SOPshortdischarge.k+1分别为充电过程和放电过程中下一时刻的电池SOP；步骤602、按如下公式下一时刻以后时刻的电池SOPSOPlongcharge.k+j＝max[SOPV,longcharge,k+j,SOPI,longcharge,k+j]；SOPlongdischarge.k+j＝max[SOPV,longdischarge,k+j,SOPI,longdischarge,k+j]；其中，下标中的k代表当前时刻、k+j代表当前时刻以后的j(j＝1,2,…，n)时刻，SOPlongcharge.k+j、SOPlongdischarge.k+j分别为充电过程和放电过程中下一时刻以后时刻的电池SOP。