[发明专利]基于离散变结构观测器的锂电池SOC估计方法

摘要

本发明公开了一种基于离散变结构观测器的锂电池SOC估计方法。它包括以下步骤：对锂电池进行快速标定实验，获取SOC与开路电压OCV关系曲线；建立用于SOC估计的锂电池离散状态空间模型；对锂电池进行脉冲放电实验，辨识锂电池模型参数；实时采集工况下锂电池的端电压和充放电电流；构建离散变结构观测器实现对锂电池SOC的准确估计。本发明方法不仅具有较好的SOC估计效果，同时能严格保证收敛性，且对锂电池建模误差，内部参数的摄动和外在扰动表现出较强的鲁棒性。

主权项

1.一种基于离散变结构观测器的锂电池SOC估计方法，包括对工况下锂电池的端电压和充放电电流的采集，其特征在于，主要步骤如下：步骤1，对锂电池进行快速标定实验，获取锂电池SOC与开路电压OCV之间的关系曲线；步骤1.1，在室温下，对充电截止电压为4.2V、放电截止电压为3V、额定容量为5Ah的锂电池以0.2库伦恒流放电直到锂电池电压到3V以下，静置2～3小时，等待实验使用；步骤1.2，用0.2库伦电流对根据步骤1.1静置后的锂电池进行恒流脉冲充电，每次充电锂电池额定容量的10％后，使锂电池断路并静置5分钟，实时测量充电过程中每个静置时间段内的锂电池端电压Uc，OCV，并找出充电过程中每个静置时间段内锂电池端电压最小值Uc，OCV，min，直至锂电池充满；步骤1.3，用0.2库伦电流对根据步骤1.2充满电的锂电池进行恒流脉冲放电，每次放电锂电池额定容量的10％后，使锂电池断路并静置5分钟，实时测量放电过程中每个静置时间段内的锂电池端电压Ud，OCV，并找出放电过程中每个静置时间段内锂电池端电压最大值Ud，OCV，max，直至锂电池放空；步骤1.4，将步骤1.2中得到的充电过程中每个静置时间段内锂电池端电压最小值Uc，OCV，min与步骤1.3中得到的放电过程中与充电过程中SOC对应相等的静置时间段内锂电池端电压最大值Ud，OCV，max相加并取平均值，作为快速标定的开路电压OCV，共得到10个开路电压OCV；步骤1.5，根据步骤1.4中得到的10个开路电压OCV，在整个锂电池SOC变化范围内，即0％～100％范围内，对所得实验数据进行多段式直线拟合，并得到锂电池SOC与开路电压OCV关系曲线；所述的多段式直线拟合中，每段长度的ΔSOC＝10％，每段内所拟合的锂电池SOC与开路电压OCV表达式为：OCVi＝ki*SOCi+di，i＝1，2，3....10  (1)其中，OCVi为第i段锂电池的开路电压OCV，SOCi为第i段锂电池的SOC，ki为第i段所拟合的SOC与开路电压OCV直线的斜率，di为第i段所拟合的SOC与开路电压OCV直线的截距；步骤2，根据步骤1中得到的锂电池SOC与开路电压OCV关系曲线，并结合锂电池戴维南等效电路与安时积分公式，建立用于锂电池SOC估计的锂电池离散状态空间模型；离散状态方程：离散观测方程：其中，Vt(k)为锂电池k时刻的端电压，SOC(k)为锂电池k时刻的SOC，V1(k)为锂电池k时刻的极化电压；Vt(k+1)为锂电池(k+1)时刻的端电压，SOC(k+1)为锂电池(k+1)时刻的SOC，V1(k+1)为锂电池(k+1)时刻的极化电压；T为采样时间，Is(k)为k时刻流过锂电池的电流值，γ为扰动输入矩阵，ξ(k)为有界标量扰动输入，y(k)为锂电池k时刻的输出量，a1＝1/R1C1，a11＝kia1，a2＝1/R0CN，a22＝kia2，b1＝ki/CN+1/C1+R0/R1C1，b2＝1/C1，R1为锂电池的极化电阻，C1为锂电池的极化电容，R0为锂电池的欧姆内阻，CN为锂电池的标称容量；步骤3，对锂电池进行脉冲放电实验，辨识步骤2中的锂电池离散状态空间模型参数；步骤3.1，首先将容量为5Ah的锂电池以电流I放电5分钟，然后停止放电并静置10分钟，接着再以同样的电流I放电5分钟，将此20分钟作为一个脉冲放电周期，充放电设备记录锂电池一个脉冲放电周期中的端电压Ubattery变化；步骤3.2，根据步骤3.1中记录的锂电池一个脉冲放电周期中的端电压Ubattery变化，分析端电压变化曲线特性，辨识锂电池离散状态空间模型中的参数，所述参数包括欧姆内阻R0，极化电阻R1，极化电容C1；步骤4，分别通过电压传感器和电流传感器实时采集工况下锂电池的端电压Vt(k)和充放电电流Is(k)；步骤5，基于步骤2中建立的锂电池离散状态空间模型设计离散变结构观测器，并将步骤4中采集到的锂电池端电压Vt(k)和充放电电流Is(k)作为信号输入，实时估计锂电池SOC；所述离散变结构观测器的方程式如下：其中，x(k)为锂电池k时刻的状态变量，为x(k)的估计值，x(k+1)为锂电池(k+1)时刻的状态变量，为x(k+1)的估计值，为y(k)的估计值，λ为正反馈输入矩阵，v(k)为外在正反馈补偿信号，h为离散变结构观测器的增益矩阵，G为离散变结构观测器的系统矩阵，H为离散变结构观测器的输入矩阵，C为离散变结构观测器的输出矩阵，C＝[1 0 0]，并设Cλ≠0。