面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法

1.本发明属于电池技术领域，涉及一种面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法。


背景技术：

2.锂离子电池因其优秀的综合性能而被广泛应用于新能源汽车的能量储存系统，为保证电池能够安全高效地运行，需要实时监控和估计电池状态和参数变化。而荷电状态估计和温度估计作为电池安全管理、充放电控制以及热管理的基础，有必要实时准确估计电池荷电状态和温度。
3.目前电池soc估计方法主要有以下几类：1)基于表征参数估计电池soc，该方法通过建立表征参数与soc之间的映射关系来实现电池soc估计，对表征参数的精度要求较高，只适用于实验室等场景。2)基于安时积分法估计电池soc，该方法容易因电流的测量误差而造成soc估计累积误差，且十分依赖soc初始值。3)基于数据驱动估计电池soc，该方法对数据的质量和数量要求较高，泛化能力较差，很难应用于实车。4)基于模型估计电池soc，该方法是目前广泛研究的估计方法之一，主要是利用估计模型和状态估计算法完成动力电池的soc估计，但其估计精度十分依赖于模型精度。
4.目前电池温度估计方法主要有以下几类：1)基于数据驱动估计电池温度。该方法虽然不用考虑出电池复杂的热动力学方程，以及电池几何特征，但其对实验数据的质量和数量要求较高，泛化能力较差。2)基于eis测量估计电池温度。该方法模型简单，不需要安装温度传感器等，但目前车载测量设备难以达到eis测量精度要求，因此很难应用于实车。3)基于数值计算估计电池温度。该方法能够反映电池实际温度分布情况，估计精度较高，但其计算量成本较大，实时性低。4)基于热模型估计电池温度。该方法模型和算法结构简单，计算成本较低，所以状态估计实时性好，是目前最极具实车应用场景的估计方法。
5.由于电池荷电状态和温度之间相互影响，若对其进行单独估计，必然会存在较大误差，因此有必要利用联合估计策略实现电池荷电状态和温度联合估计。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，实现电池准确的荷电状态和温度联合估计。
7.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，包括以下步骤：
9.s1：基于待测锂离子电池的相关参数，建立合适的电池的电模型和热模型，并利用电池温度与电模型参数之间的依赖关系建立电-热耦合模型，同时确定实现电池荷电状态和温度联合估计所需的模型参数；
10.s2：在不同温度下进行静态容量测试、hppc测试和类实车工况测试；
11.s3：基于步骤s2中不同环境温度下的静态容量测试实验数据和hppc测试实验数
据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，并建立电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系；基于步骤s2中类实车工况测试实验数据，利用粒子群优化算法辨识热模型参数；并基于其他工况下的实验数据，验证电模型参数和热模型参数的精度和有效性；
12.s4：基于电-热耦合模型，结合卡尔曼滤波算法，实现电池准确的荷电状态和温度联合估计。
13.进一步，步骤s1中，电池的电模型为二阶rc等效电路模型；电池的热模型耦合了极耳热模型和电芯热模型，所述极耳热模型采用集总质量热模型，所述电芯热模型采用二维热阻网络模型。
14.进一步，步骤s1中，电芯热模型分为产热模型和温度计算模型，利用电模型参数作为产热模型的输入计算电池产热量，并将产热量作为温度计算模型的输入计算电池温度，然后将电芯的平均温度作为电模型的输入，从而形成电-热耦合模型。
15.进一步，步骤s1中，所述集总质量热模型主要由三部分组成：产热源、与电芯之间的传热热阻和与环境之间的对流换热热阻，其热平衡方程可以表示为：
[0016][0017][0018]rtp
＝1/h
tp
a’trtn
＝1/h
tn
a’t
[0019]rcp
＝1/h
cpacrcn
＝1/h
cnac
[0020]
其中，c
p
和m
p
分别表示正极耳的比热容和质量，cn和mn分别表示负极耳的比热容和质量，t
p
和tn表示正、负极耳温度，t
1i
和分别表示靠近正、负极耳离散单元的温度，t
∞
表示环境温度，r
p
、rn分别表示正、负极耳的等效内阻，h
tp
、h
tn
分别表示正、负极耳与电芯之间的等效传热系数，h
cp
、h
cn
分别表示正、负极耳与环境之间的等效对流换热系数，a
′
t
和ac分别为极耳与离散单元之间的传热面积、极耳与环境之间的对流换热面积。
[0021]
进一步，步骤s1中，所述二维热阻网络模型是将电芯离散成n
l
×nw
个离散单元，其中n
l
为沿电芯长度方向的离散单元个数，nw为沿电芯宽度方向的离散单元个数；将每个离散单元视为一个独立热源，并通过热阻与周围热源进行热量交换。
[0022]
根据电芯离散单元所处位置，将离散单元分为四种类型：
[0023]
类型一，位于电芯四个转角的离散单元，其热平衡方程为：
[0024][0025]
其中，x＝1，y＝1。
[0026][0027]
其中，x＝1，y＝nw。
[0028][0029]
其中，x＝n
l
，y＝1。
[0030][0031]
其中，x＝n
l
，y＝nw。
[0032]
类型二，位于电芯左右两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：
[0033][0034]
其中，x＝1，y∈[2，n
w-1]。
[0035][0036]
其中，x＝n
l
，y∈[2，n
w-1]。
[0037]
类型三，位于电芯上下两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：
[0038][0039]
其中，x∈[2，n
l-1]，y＝1。
[0040][0041]
其中，x∈[2，n
l-1]，y＝nw。
[0042]
类型四，位于电芯中心部分的离散单元，其热平衡方程为：
[0043][0044]
其中，x∈[2，n
l-1]，y∈[2，n
w-1]。
[0045]
上述表达式中，脚标j＝1，2，3，4表示不同类型的离散单元，c和m分别表示离散单元的比热容和质量，t
x，y
表示电芯离散单元温度，q
x，y
表示电芯离散单元的产热量，满足下列表达式：
[0046][0047]
其中，k＝1，
…
，m，m为数据长度，n表示离散单元数量，i
x，y
表示离散单元的电流大小，满足下列表达式：
[0048]ix，y，k
＝ik/n
[0049]r0，x，y
、r
1，x，y
和r
2，x，y
分别表示离散单元的欧姆内阻及两个极化内阻，通过插值法获得：
[0050]r0，x，y，k
＝α(f1(sock，tk)/n)
[0051]r1，x，y，k
＝α(f2(sock，tk)/n)
[0052]r2，x，y，k
＝α(f3(sock，tk)/n)
[0053]
其中，α为内阻修正因子，f1、f2、f3表示电池内阻与电池soc和温度之间的定量关系，tk表示电池温度，ik表示电池电流。
[0054]rcon，1
和r
con，2
分别表示电芯离散单元沿长度和宽度方向的导热热阻，满足下列表达式：
[0055]rcon，1
＝l/a1λ
[0056]rcon，2
＝w/a2λ
[0057]
其中，λ表示电芯的导热率，l和w分别表示离散单元沿长度和宽度方向导热距离，a1和a2分别表示离散单元沿长度和宽度方向的导热面积。
[0058]rc，j
表示电芯离散单元的对流换热热阻，满足下列表达式：
[0059]rc，j
＝1/h
cacj
[0060]
其中，hc表示离散单元与环境之间的对流换热系数，a
cj
表示离散单元对流换热面积。
[0061]
进一步，步骤s2具体包括以下步骤：
[0062]
s21：将待测锂离子电池在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满；
[0063]
s22：在实验温度下以1c充放电倍率(这里容量为电池额定容量)对锂离子电池进行静态容量测试，获得当前温度下电池的实际容量；
[0064]
s23：在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满，然后在实验温度下进行hppc测试获取当前温度下电池的电流和电压数据；
[0065]
s24：在环境温度为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、15℃、25℃、40℃下重复步骤s21-s23，并记录不同温度下的实验数据；
[0066]
s25：在-10℃、5℃和25℃下分别进行类实车工况实验，并记录当前温度下电池的电流、电压和温度等实验数据。
[0067]
进一步，步骤s3具体包括以下步骤：
[0068]
s31：基于步骤s2中获得的实验数据，拟合开路电压与soc和温度之间的关系；
[0069]
s32：基于步骤s2中获得的实验数据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，并建立电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系；
[0070]
s33：基于步骤s2中获得的实验数据，利用粒子群优化算法辨识极耳热模型参数；
[0071]
s34：基于步骤s2中获得的实验数据、步骤s32中辨识的电模型参数以及步骤s33中辨识的极耳热模型参数，利用粒子群优化算法辨识电芯热模型参数。
[0072]
s35：基于其他工况下的实验数据，验证电模型参数和热模型参数的精度和有效性。
[0073]
进一步，步骤s4具体包括以下步骤：
[0074]
s41：状态估计器初始化，确定荷电状态估计器和温度估计器中系统误差协方差p、过程噪声误差协方差q、测量噪声误差协方差r以及其他系统矩阵的初始值；
[0075]
s42：基于电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系，利用电芯估计温度的平均值和soc估计值通过插值法获取电模型参数；
[0076]
s43：基于电模型状态空间方程，利用扩展卡尔曼滤波器实现电池soc估计；
[0077]
s44：基于热模型状态空间方程，利用卡尔曼滤波器实现电池温度估计，并将电芯中心温度作为估计器的反馈参数；
[0078]
s45：迭代步骤s42～s44。
[0079]
本发明的有益效果在于：
[0080]
1)本发明考虑了电模型参数与温度之间的依赖关系，能够实现大尺寸电池的荷电状态和分布式温度分布的准确估计。
[0081]
2)本发明建立了一个基于二维热阻网络的温度分布估计模型，能够很好地模拟电芯在全工作温度范围内的温度不均匀分布特性。
[0082]
3)本发明基于该简化的电-热耦合模型，能够实现兼顾估计精度和计算复杂度的电池荷电状态和温度联合估计。
[0083]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0084]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0085]
图1为本发明面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法总体流程图；
[0086]
图2为本发明实施例中步骤s1的具体流程图；
[0087]
图3为本发明实施例中二阶rc等效电路模型示意图；
[0088]
图4为本发明实施例中极耳集总质量热模型；
[0089]
图5为本发明实施例中电芯二维热阻网络模型；
[0090]
图6为本发明实施例中电-热耦合模型；
[0091]
图7为本发明实施例中步骤s2的具体流程图；
[0092]
图8为本发明实施例中步骤s3的具体流程图；
[0093]
图9为本发明实施例中电池荷电状态和温度联合估计流程图。
具体实施方式
[0094]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0095]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0096]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系
[0114]rcp
＝1/h
cpacrcn
＝1/h
cnac
[0115]
其中，c
p
和m
p
分别表示正极耳的比热容和质量，cn和mn分别表示负极耳的比热容和质量，t
p
和tn表示正、负极耳温度，t
1i
和分别表示靠近正、负极耳离散单元的温度，t
∞
表示环境温度，r
p
、rn分别表示正、负极耳的等效内阻，h
tp
、h
tn
分别表示正、负极耳与电芯之间的等效传热系数，h
cp
、h
cn
分别表示正、负极耳与环境之间的等效对流换热系数，a
′
t
和ac分别为极耳与离散单元之间的传热面积、极耳与环境之间的对流换热面积。
[0116]
如图5所示，电芯的二维热阻网络模型是将电芯离散成n
l
×nw
个离散单元，其中n
l
为沿电芯长度方向的离散单元个数，nw为沿电芯宽度方向的离散单元个数；将每个离散单元视为一个独立热源，并通过热阻与周围热源进行热量交换；
[0117]
根据电芯离散单元所处位置，将离散单元分为四种类型：
[0118]
类型一，位于电芯四个转角的离散单元，其热平衡方程为：
[0119][0120]
其中，x＝1，y＝1。
[0121][0122]
其中，x＝1，y＝nw。
[0123][0124]
其中，x＝n
l
，y＝1。
[0125][0126]
其中，x＝n
l
，y＝nw。
[0127]
类型二，位于电芯左右两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：
[0128][0129]
其中，x＝1，y∈[2，n
w-1]。
[0130][0131]
其中，x＝n
l
，y∈[2，n
w-1]。
[0132]
类型三，位于电芯上下两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：
[0133][0134]
其中，x∈[2，n
l-1]，y＝1。
[0135][0136]
其中，x∈[2，n
l-1]，y＝nw。
[0137]
类型四，位于电芯中心部分的离散单元，其热平衡方程为：
[0138][0139]
其中，x∈[2，n
l-1]，y∈[2，n
w-1]。
[0140]
上述表达式中，脚标j＝1，2，3，4表示不同类型的离散单元，c和m分别表示离散单元的比热容和质量，t
x，y
表示电芯离散单元温度，q
x，y
表示电芯离散单元的产热量，满足下列表达式：
[0141][0142]
其中，k＝1，
…
，m，m为数据长度，n表示离散单元数量，i
x，y
表示离散单元的电流大小，满足下列表达式：
[0143]ix，y，k
＝ik/n
[0144]r0，x，y
、r
1，x，y
和r
2，x，y
分别表示离散单元的欧姆内阻及两个极化内阻，通过插值法获得：
[0145]r0，x，y，k
＝α(f1(sock，tk)/n)
[0146]r1，x，y，k
＝α(f2(sock，tk)/n)
[0147]r2，x，y，k
＝α(f3(sock，tk)/n)
[0148]
其中，α为内阻修正因子，f1、f2、f3表示电池内阻与电池soc和温度之间的定量关系，tk表示电池温度，ik表示电池电流。
[0149]rcon，1
和r
con，2
分别表示电芯离散单元沿长度和宽度方向的导热热阻，满足下列表达式：
[0150]rcon，1
＝l/a1λ
[0151]rcon，2
＝w/a2λ
[0152]
其中，λ表示电芯的导热率，l和w分别表示离散单元沿长度和宽度方向导热距离，a1和a2分别表示离散单元沿长度和宽度方向的导热面积。
[0153]rc，j
表示电芯离散单元的对流换热热阻，满足下列表达式：
[0154]rc，j
＝1/h
cacj
[0155]
其中，hc表示离散单元与环境之间的对流换热系数，a
cj
表示离散单元对流换热面积。
[0156]
如图6所示，电芯热模型分为产热模型和温度计算模型，利用电模型参数作为产热模型的输入计算电池产热量，并将产热量作为温度计算模型的输入计算电池温度，然后将电芯的平均温度作为电模型的输入，从而形成电-热耦合模型。
[0157]
s12：将步骤s11中建立的电模型和热模型进行离散化，并转化为面向控制的状态空间表达式。
[0158]
将二阶rc等效电路模型离散化，其状态空间表达式如下：
[0159]
状态方程：
[0160]
输出方程：
[0161]
其中，δt表示采样时间，k＝1，
…
，m，m为数据长度，wk和vk分别表示过程噪声和测量噪声。
[0162]
将极耳热模型离散化，其状态空间表达式如下：
[0163][0164][0165][0166][0167][0168]
将电池热模型离散化，其状态空间表达式如下：
[0169]
状态方程：xk＝ax
k-1
+bu
k-1
+w
k-1
[0170]
输出方程：yk＝cxk+vk[0171]
其中，状态矩阵
[0172]
输入矩阵为
[0173]
输出矩阵为yk＝xk，所以矩阵c为单位矩阵，
[0174]
系统矩阵a和b如下所示：
[0175][0176][0177]
其中，σ、φ均由极耳和电芯离散单元的热平衡方程确定，可用下列表达式表示：
[0178]
当x＝1，y＝1时
[0179]
σ
xy
＝-(h
tpat
+a1λ/l+a2λ/w+h
cac1
)/cm
[0180]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tpat
t
p
+a1λt
(x+1)y
/l+a2λt
x(y+1)
/w+h
cac1
t
∞
)/cm
[0181]
当x＝1，y＝nw时
[0182]
σ
xy
＝-(h
tpat
+a1λ/l+a2λ/w+h
cac1
)/cm
[0183]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tpat
t
p
+a1λt
(x+1)y
/l+a2λt
x(y-1)
/w+h
cac1
t
∞
)/cm
[0184]
当x＝n
l
，y＝1时
[0185]
σ
xy
＝-(h
tnat
+a1λ/l+a2λ/w+h
cac1
)/cm
[0186]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tnat
tn+a1λt
(x-1)y
/l+a2λt
x(y+1)
/w+h
cac1
t
∞
)/cm
[0187]
当x＝n
l
，y＝nw时
[0188]
σ
xy
＝-(h
tnat
+a1λ/l+a2λ/w+h
cac1
)/cm
[0189]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tnat
tn+a1λt
(x-1)y
/l+a2λt
x*(y-1)
/w+h
cac1
t
∞
)/cm
[0190]
当x＝1，y∈[2，n
w-1]时
[0191]
σ
xy
＝-(h
tpat
+a1λ/l+2a2λ/w+h
cac2
)/cm
[0192]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tpat
t
p
+a1λt
(x+1)y
/l+a2λt
x(y+1)
/w+a2λt
x(y-1)
/w+h
cac2
t
∞
)/cm
[0193]
当x＝n
l
，y∈[2，n
w-1]时
[0194]
σ
xy
＝-(h
tnat
+a1λ/l+2a2λ/w+h
cac2
)/cm
[0195]
φ
xy
＝(q
xy
+h
tpat
t
p
+a1λt
(x-1)y
/l+a2λt
x(y+1)
/w+a2λt
x(y-1)
/w+h
cac2
t
∞
)/cm
[0196]
当x∈[2，n
l-1]，y＝1时
[0197]
σ
xy
＝-(2a1λ/l+a2λ/w+h
cac3
)/cm
[0198]
φ
xy
＝(q
xy
+a1λt
(x-1)y
/l+a1λt
(x+1)y
/l+a2λt
x(y+1)
/w+h
cac3
t
∞
)/cm
[0199]
当x∈[2，n
l-1]，y＝nw时
[0200]
σ
xy
＝-(2a1λ/l+a2λ/w+h
cac3
)/cm
[0201]
φ
xy
＝(q
xy
+a1λt
(x-1)y
/l+a1λt
(x+1)y
/l+a2λt
x(y-1)
/w+h
cac3
t
∞
)/cm
[0202]
当x∈[2，n
l-1]，y∈[2，n
w-1]时
[0203]
σ
xy
＝-(2a1λ/l+2a2λ/w+h
cac4
)/cm
[0204]
φ
xy
＝(q
xy
+a1λt
(x-1)y
/l+a1λt
(x+1)
y/l+a2λt
x(y-1)
/w+a2λt
x(y+1)
/w+h
cac4
t
∞
)/cm
[0205]
请参阅图7，步骤s2具体包括
[0206]
s21：将待测锂离子电池在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满；
[0207]
s22：在实验温度下以1c充放电倍率(这里容量为电池额定容量)对锂离子电池进行静态容量测试，获得当前温度下电池的实际容量。
[0208]
s23：在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满，然后在实验温度下进行hppc测试获取当前温度下电池的电流和电压数据。
[0209]
s24：在环境温度为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、15℃、25℃、40℃下重复步骤s21-s23，并记录不同温度下的实验数据。
[0210]
s25：在-10℃、5℃和25℃下分别进行类实车工况实验，并记录当前温度下电池的电流、电压和温度等实验数据。
[0211]
请参阅图8，步骤s3具体包括
[0212]
s31：基于步骤s2中获得的hppc实验数据，确定电池开路电压关于电池soc和温度之间的定量关系。
[0213]
s32：基于步骤s2中获得的hppc实验数据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，步骤s32包括具体地，
[0214]
s321：二阶rc等效电路模型中r0、r1、r2、c1和c2的辨识过程为：
[0215]
根据最小二乘理论，电模型可以定义为：
[0216]
yk＝φkθ+ek[0217]
其中，ek表示均值为0的白噪声，φk和θk分别为数据向量和参数向量，可表示为：
[0218][0219]
取性能指标为：
[0220][0221]
其中，λ表示遗忘因子，表示参数矩阵θ的估计值，l表示数据长度。
[0222]
在初始化参数向量和系统误差协方差矩阵之后，通过下列公式迭代优化参数向
量。
[0223][0224]
其中，kk表示增益矩阵，pk表示系统误差协方差矩阵，e表示单位矩阵。
[0225]
s322：基于步骤s321中辨识的电模型参数，通过数据拟合得到电模型参数关于温度和电池soc之间的定量关系。
[0226]
s33：步骤s33具体包括s331～s332。
[0227]
s331：基于步骤s2中获得的类实车工况数据，利用粒子群优化算法辨识极耳热模型参数，需辨识的极耳热模型参数为等效欧姆内阻r，等效传热系数h
t
和等效对流换热系数hc，具体辨识过程为：
[0228]
基于步骤s12获得的极耳热模型状态空间方程，在确定好粒子数量，最大迭代次数以及参数范围等参数之后，利用matlab中的pso工具箱辨识极耳热模型参数。
[0229]
s332：基于步骤s2中获得类实车工况数据、步骤s32中辨识的电模型参数以及步骤s331中辨识的极耳热模型参数，利用粒子群优化算法辨识电芯热模型参数，需辨识的电芯热模型参数为等效比热容c、等效导热率λ、等效对流换热系数hc以及修正因子α，具体辨识过程为：
[0230]
基于步骤s12获得的电池热模型状态空间方程，在确定好粒子数量，最大迭代次数以及参数范围等参数之后，利用matlab中的pso工具箱辨识电芯热模型参数。
[0231]
s34：基于步骤s2中获得的实验数据，验证电模型参数和热模型参数的精度和有效性。
[0232]
请参阅图9，基于电-热耦合模型，结合卡尔曼滤波算法实现电池荷电状态和温度联合估计。步骤s4具体包括
[0233]
s41：状态估计器初始化，确定荷电状态估计器和温度估计器中系统误差协方差p、过程噪声误差协方差q、测量噪声误差协方差r以及其他系统矩阵的初始值。
[0234]
s42：基于电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系，利用电芯估计温度的平均值和soc估计值通过插值法获取电模型参数。
[0235]
s43：基于步骤s12获得的电模型状态空间方程，利用扩展卡尔曼滤波器实现电池soc估计，具体估计过程为：
[0236]
状态估计时间更新：
[0237]
系统误差协方差时间更新：
[0238]
计算卡尔曼增益：
[0239]
状态估计测量更新：
[0240]
系统误差协方差测量更新：
[0241]
s44：基于步骤s12获得的热模型状态空间方程，利用卡尔曼滤波器实现电池温度估计，并将电芯中心温度作为估计器的反馈参数，具体估计过程为：
[0242]
温度估计过程中除状态估计测量更新与荷电状态估计过程中的不同外，其余步骤均相同，温度估计过程中的状态估计测量更新为：
[0243][0244]
其中，t
c，mea
和t
c，mod
分别表示电芯为中心温度的测量值和模型值。
[0245]
s45：迭代步骤
[0246]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：s1：基于待测锂离子电池的相关参数，建立电池的电模型和热模型，并利用电池温度与电模型参数之间的依赖关系建立电-热耦合模型，同时确定实现电池荷电状态和温度联合估计所需的模型参数；s2：在不同温度下进行静态容量测试、hppc测试和类实车工况测试；s3：基于步骤s2中不同环境温度下的静态容量测试实验数据和hppc测试实验数据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，并建立电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系；基于步骤s2中类实车工况测试实验数据，利用粒子群优化算法辨识热模型参数；s4：基于电-热耦合模型，结合卡尔曼滤波算法，实现电池准确的荷电状态和温度联合估计。2.根据权利要求1所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s1中，电池的电模型为二阶rc等效电路模型；电池的热模型耦合了极耳热模型和电芯热模型，所述极耳热模型采用集总质量热模型，所述电芯热模型采用二维热阻网络模型。3.根据权利要求2所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s1中，电芯热模型分为产热模型和温度计算模型，利用电模型参数作为产热模型的输入计算电池产热量，并将产热量作为温度计算模型的输入计算电池温度，然后将电芯的平均温度作为电模型的输入，从而形成电-热耦合模型。4.根据权利要求2所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s1中，所述集总质量热模型包括三部分：产热源、与电芯之间的传热热阻和与环境之间的对流换热热阻，其热平衡方程表示为：其热平衡方程表示为：r
tp
＝1/ht
p
a’t
r
tn
＝1/h
tn
a’t
r
cp
＝1/h
cp
a
c
r
cn
＝1/h
cn
a
c
其中，c
p
和m
p
分别表示正极耳的比热容和质量，c
n
和m
n
分别表示负极耳的比热容和质量，t
p
和t
n
表示正、负极耳温度，t
1i
和t
n，i
分别表示靠近正、负极耳离散单元的温度，t
∞
表示环境温度，r
p
、r
n
分别表示正、负极耳的等效内阻，h
tp
、h
tn
分别表示正、负极耳与电芯之间的等效传热系数，h
cp
、h
cn
分别表示正、负极耳与环境之间的等效对流换热系数，a
′
t
和a
c
分别为极耳与离散单元之间的传热面积、极耳与环境之间的对流换热面积。5.根据权利要求2或3所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s1中，所述二维热阻网络模型是将电芯离散成n
l
×
n
w
个离散单元，其中n
l
为沿电芯长度方向的离散单元个数，n
w
为沿电芯宽度方向的离散单元个数；将每个离散单元视为一个独立热源，并通过热阻与周围热源进行热量交换；
根据电芯离散单元所处位置，将离散单元分为四种类型：类型一，位于电芯四个转角的离散单元，其热平衡方程为：其中，x＝1，y＝1；其中，x＝1，y＝n
w
；其中，x＝n
l
，y＝1；其中，x＝n
l
，y＝n
w
；类型二，位于电芯左右两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：其中，x＝1，y∈[2，n
w-1]；其中，x＝n
l
，y∈[2，n
w-1]；类型三，位于电芯上下两侧且除转角之外的离散单元，其热平衡方程为：其中，x∈[2，n
l-1]，y＝1；其中，x∈[2，n
l-1]，y＝n
w
；类型四，位于电芯中心部分的离散单元，其热平衡方程为：其中，x∈[2，n
l-1]，y∈[2，n
w-1]；上述表达式中，脚标j＝1，2，3，4表示不同类型的离散单元，c和m分别表示离散单元的比热容和质量，t
x，y
表示电芯离散单元温度，q
x，y
表示电芯离散单元的产热量，满足下列表达
式：其中，k＝1，
…
，m，m为数据长度，n表示离散单元数量，i
x，y
表示离散单元的电流大小，满足下列表达式：i
x，y，k
＝i
k
/nr
0，x，y
、r
1，x，y
和r
2，x，y
分别表示离散单元的欧姆内阻及两个极化内阻，通过插值法获得：r
0，x，y，k
＝α(f1(soc
k
，t
k
)/n)r
1，x，y，k
＝α(f2(soc
k
，t
k
)/n)r
2，x，y，k
＝α(f3(soc
k
，t
k
)/n)其中，α为内阻修正因子，f1、f2、f3表示电池内阻与电池soc和温度之间的定量关系，t
k
表示电池温度，i
k
表示电池电流；r
con，1
和r
con，2
分别表示电芯离散单元沿长度和宽度方向的导热热阻，满足下列表达式：r
con，1
＝l/a1λr
con，2
＝w/a2λ其中，λ表示电芯的导热率，l和w分别表示离散单元沿长度和宽度方向导热距离，a1和a2分别表示离散单元沿长度和宽度方向的导热面积；r
c，j
表示电芯离散单元的对流换热热阻，满足下列表达式：r
c，j
＝1/h
c
a
cj
其中，h
c
表示离散单元与环境之间的对流换热系数，a
cj
表示离散单元对流换热面积。6.根据权利要求1所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s2具体包括以下步骤：s21：将待测锂离子电池在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满；s22：在实验温度下以1c充放电倍率(这里容量为电池额定容量)对锂离子电池进行静态容量测试，获得当前温度下电池的实际容量；s23：在25℃的恒温环境中以标准充放电协议将电池充满，然后在实验温度下进行hppc测试获取当前温度下电池的电流和电压数据；s24：在环境温度为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、15℃、25℃、40℃下重复步骤s21-s23，并记录不同温度下的实验数据；s25：在-10℃、5℃和25℃下分别进行类实车工况实验，并记录当前温度下电池的电流、电压和温度等实验数据。7.根据权利要求1所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特征在于，步骤s3具体包括以下步骤：s31：基于步骤s2中获得的实验数据，拟合开路电压与soc和温度之间的关系；s32：基于步骤s2中获得的实验数据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，并建立电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系；s33：基于步骤s2中获得的实验数据，利用粒子群优化算法辨识极耳热模型参数；s34：基于步骤s2中获得的实验数据、步骤s32中辨识的电模型参数以及步骤s33中辨识的极耳热模型参数，利用粒子群优化算法辨识电芯热模型参数。8.根据权利要求1所述的面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，其特
征在于，步骤s4具体包括以下步骤：s41：状态估计器初始化，确定荷电状态估计器和温度估计器中系统误差协方差p、过程噪声误差协方差q、测量噪声误差协方差r以及其他系统矩阵的初始值；s42：基于电模型参数关于电池soc和温度之间的定量关系，利用电芯估计温度的平均值和soc估计值通过插值法获取电模型参数；s43：基于电模型状态空间方程，利用扩展卡尔曼滤波器实现电池soc估计；s44：基于热模型状态空间方程，利用卡尔曼滤波器实现电池温度估计，并将电芯中心温度作为估计器的反馈参数；s45：迭代步骤s42～s44。

技术总结
本发明涉及一种面向车载应用的锂电池荷电状态和温度联合估计方法，属于电池技术领域。该方法包括：基于待测锂离子电池的相关参数，建立合适的电池的电模型和热模型，并利用电池温度与电模型参数之间的依赖关系建立电-热耦合模型，同时确定实现电池荷电状态和温度联合估计所需的模型参数；设计静态容量测试实验和HPPC实验，基于HPPC实验数据，利用带遗忘因子的递推最小二乘法辨识电模型参数，并建立电模型参数关于电池SOC和温度之间的定量关系；同时，获取类实车工况实验数据，利用粒子群优化算法辨识热模型参数；最后基于电-热耦合模型，结合卡尔曼滤波算法，实现电池准确的荷电状态和温度联合估计。电状态和温度联合估计。电状态和温度联合估计。


技术研发人员：胡晓松 喻超 刘文学 邓忠伟 李佳承
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1