本發(fā)明涉及一種基于云端數(shù)據(jù)估算電池組健康狀態(tài)的方法與裝置，屬于電池。

背景技術(shù)：

1、電池健康狀態(tài)soh的準(zhǔn)確估算不僅能揭示電池的老化程度和性能衰退情況，而且對(duì)于預(yù)防電池過(guò)充、過(guò)放等安全問(wèn)題至關(guān)重要。此外，通過(guò)準(zhǔn)確的soh估算，可以制定更為合理的充放電策略、優(yōu)化能量管理，確保電池在安全的前提下，最大限度地發(fā)揮其能量存儲(chǔ)和釋放的能力。因此，準(zhǔn)確估算電池soh對(duì)于提升動(dòng)力電池系統(tǒng)整體性能和使用壽命具有重大的意義。

2、目前，常見(jiàn)的用于電池soh估算的方法主要分為直接估算法和間接估算法。直接估算法一般包括庫(kù)侖計(jì)數(shù)法、內(nèi)阻測(cè)量法、阻抗譜測(cè)量法等，但受限于測(cè)量與估算準(zhǔn)確性的問(wèn)題，故而較少使用。間接估算方法主要被分為三大類(lèi)：基于模型驅(qū)動(dòng)的方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法以及混合方法，其中混合方法是指將兩種或兩種以上的方法相互融合，以有效地整合各自的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池soh的高精度估算。當(dāng)前電池soh的估算方法往往涉及復(fù)雜的算法，并伴有龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理工作。然而，在車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中由于車(chē)載電池管理系統(tǒng)bms計(jì)算能力有限以及存儲(chǔ)空間不足等限制，如此龐大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理所需的成本是遠(yuǎn)高于其帶來(lái)的效益的。此外，電池組本身的復(fù)雜性，如單體電池性能的不一致性、溫度分布不均以及老化速率的差異等因素，都進(jìn)一步增加了估算電池組soh的難度，并對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)資源提出了更高的要求。云端平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)接收從車(chē)載端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)碾姵靥匦詳?shù)據(jù)，并具備海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算能力，這為復(fù)雜高精度的soh算法應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。但是云端平臺(tái)低質(zhì)量的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致soh估算出現(xiàn)較大的誤差。另外，由于磷酸鐵鋰電池特有的充電電壓曲線，無(wú)法得到能有效計(jì)算的充電電壓范圍，導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池相對(duì)三元鋰離子電池的soh估算難度更大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于云端數(shù)據(jù)估算電池組健康狀態(tài)的方法與裝置，本發(fā)明通過(guò)磷酸鐵鋰電池特有的充電電壓曲線特性分析，采用考慮測(cè)量及估算誤差的遞推容量估計(jì)方法獲取估算的電池容量soh，實(shí)現(xiàn)電池健康狀態(tài)的估算。

2、技術(shù)方案：一種基于云端數(shù)據(jù)估算電池組健康狀態(tài)的方法，包括以下步驟：

3、s1：基于云端數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬電池模型，選擇充電過(guò)程最高電壓曲線、放電過(guò)程最低電壓曲線，構(gòu)建充放電過(guò)程中的虛擬電池電壓曲線，并計(jì)算開(kāi)路電壓uocv；

4、s2：根據(jù)虛擬電池特性截取有效充電片段，并構(gòu)建基準(zhǔn)曲線ocv-soc；

5、s3：基于云端數(shù)據(jù)計(jì)算s2中有效充電片段的標(biāo)準(zhǔn)化電池容量，并獲取標(biāo)準(zhǔn)化電池健康狀態(tài)soh標(biāo)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化電池容量進(jìn)行溫度及倍率修正；

6、s4：采用考慮測(cè)量及估算誤差的遞推容量估計(jì)方法獲取估算的電池容量，并根據(jù)s2中基準(zhǔn)曲線ocv-soc獲取估算的電池健康狀態(tài)soh估；

7、s5：將s4估算的soh與s3標(biāo)準(zhǔn)化soh進(jìn)行對(duì)比，分別從時(shí)間隨里程變化的趨勢(shì)上和估算的soh的精度上驗(yàn)證s4中考慮測(cè)量及估算誤差的遞推容量估計(jì)方法的有效性。

8、優(yōu)選項(xiàng)，所述s1具體為：

9、根據(jù)云端數(shù)據(jù)中電池組充電過(guò)程中的最高電壓曲線、最低電壓曲線、平均電壓曲線，選取充電過(guò)程中最高電壓曲線、放電過(guò)程中最低電壓曲線作為虛擬電池充放電電壓曲線；

10、在充電過(guò)程中，端電壓的大小由開(kāi)路電壓、歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻共同決定，因此，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，電池在充電過(guò)程中的端電壓可表示為：

11、u＝uocv+ir0+ur1 (1)

12、式中，r0表示歐姆內(nèi)阻，uocv和u分別表示開(kāi)路電壓和端電壓，ur1極化電壓，i表示流經(jīng)的電流；

13、在電池老化過(guò)程中，開(kāi)路電壓保持不變，而歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻則逐漸增大，因此，虛擬電池在充電過(guò)程中的端電壓主要是指電池組在充電過(guò)程中的最高電壓。

14、優(yōu)選項(xiàng)，所述s2具體為：

15、s201：對(duì)s1中的虛擬電池充電電壓曲線進(jìn)行預(yù)處理，獲取光滑充電電壓曲線；

16、s202：基于s201的光滑充電電壓曲線，分析虛擬電池的充電電壓片段特性：

17、基于充電片段統(tǒng)計(jì)的充電開(kāi)始和充電結(jié)束時(shí)soc的分布情況得出soc范圍，即用戶經(jīng)常使用的soc范圍，分析虛擬電池的充電電壓曲線特性，得出兩電壓平臺(tái)之間的曲線呈上升趨勢(shì)且中心對(duì)稱(chēng)的特性；

18、s203：利用容量增量ic曲線確定s202中曲線的對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)，通過(guò)分析容量增量ic曲線上兩個(gè)主峰之間的峰谷位置，即能確定對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)電壓，以對(duì)稱(chēng)中心點(diǎn)為中心，選取兩個(gè)電壓平臺(tái)之間的電壓差值的平均值，作為充電電壓范圍，從而截取電壓變化差值最大的充電片段，即有效充電片段，基于有效片充電段范圍，利用極大似然法基于中間階段充電電壓曲線進(jìn)行曲線擬合和曲線平移以構(gòu)建基準(zhǔn)曲線ocv-soc。其中，中間階段為兩個(gè)電壓平臺(tái)之間的充電片段，即兩個(gè)電壓值變化趨于平穩(wěn)狀態(tài)的曲線之間的電壓值變化大的曲線。

19、優(yōu)選項(xiàng)，所述s203中的曲線擬合具體為：

20、電極電勢(shì)模型主要由三個(gè)部分組成：常數(shù)項(xiàng)、指數(shù)項(xiàng)以及正切項(xiàng)，其具體表達(dá)式如式(2)所示，其中，正切項(xiàng)的個(gè)數(shù)與電池開(kāi)路電壓曲線中電壓平臺(tái)的個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)，

21、

22、式中，a1、b1、b2、c1、c2、d1、d2、e1、e2、f1、f2均為電極電勢(shì)的相關(guān)參數(shù)，且均大于0，s則表示電池的soc；

23、將ocv-soc數(shù)值帶入進(jìn)行擬合，得到基于電極電勢(shì)模型的磷酸鐵鋰電池的相關(guān)參數(shù)并得到擬合具體表達(dá)式。

24、優(yōu)選項(xiàng)，所述s203中的曲線平移具體為：

25、曲線平移是指在平面上將曲線沿著特定的方向移動(dòng)一定的距離；經(jīng)過(guò)平移后，曲線的形狀和大小保持不變，僅僅是位置發(fā)生了改變；ocv-soc曲線存在因電池內(nèi)阻引起的縱向偏移，soc存在積累誤差會(huì)導(dǎo)致ocv-soc曲線出現(xiàn)橫向偏移；a代表充電電壓曲線與開(kāi)路電壓曲線在水平方向上平移的單位距離，而b則代表充電電壓曲線與開(kāi)路電壓曲線在垂直方向上的單位距離，曲線平移過(guò)程具體如下式：

26、

27、優(yōu)選項(xiàng)，所述s3獲取標(biāo)準(zhǔn)化電池容量q標(biāo)并獲取標(biāo)準(zhǔn)化電池健康狀態(tài)soh具體為：

28、采用安時(shí)積分法對(duì)虛擬電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化容量計(jì)算，并以此作為驗(yàn)證基準(zhǔn)，安時(shí)積分法的計(jì)算公式如下：

29、

30、式中，socs表示當(dāng)前充電片段起始時(shí)的soc，soce表示當(dāng)前充電片段結(jié)束時(shí)的soc，表示在當(dāng)前整個(gè)充電片段充入電池的電量，q表示與當(dāng)前片段相對(duì)應(yīng)的電池容量；

31、對(duì)(4)式進(jìn)行變換可得：

32、

33、式中，q標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)化電池容量，δq表示t時(shí)間內(nèi)電池充入的電量，δsoc表示t時(shí)間內(nèi)電池soc的變化量；

34、標(biāo)準(zhǔn)化電池健康狀態(tài)soh標(biāo)為：

35、q標(biāo)/q額＝soh標(biāo) (6)

36、式中，q標(biāo)表示標(biāo)準(zhǔn)化電池容量，q額表示電池額定容量。

37、優(yōu)選項(xiàng)，所述s3對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化電池容量進(jìn)行溫度及倍率修正具體為：

38、具體的溫度容量修正過(guò)程如下：將電池平均溫度接近25℃時(shí)的電池容量作為基準(zhǔn)容量q25；計(jì)算電池在任意溫度下容量qt與基準(zhǔn)容量q25的比值，即溫度容量比kt；利用溫度容量比kt來(lái)對(duì)電池容量進(jìn)行修正；

39、計(jì)算充電片段下的平均溫度t，如下式所示：

40、

41、式中，tmax和tmin分別代表這一充電片段中電池最高、最低溫度的平均值，t代表整個(gè)充電片段的平均溫度；

42、計(jì)算電池在不同溫度下的溫度容量比，電池的溫度容量比kt計(jì)算如下所示：

43、

44、式中，qt表示不同溫度下的電池容量，q25表示25℃時(shí)電池的基準(zhǔn)容量；

45、具體的倍率容量修正過(guò)程如下：將電池平均充電倍率接近1/3c時(shí)的電池容量作為基準(zhǔn)容量q1/3c；計(jì)算電池在任意倍率下容量qc與基準(zhǔn)容量q1/3c的比值，即倍率容量比kc；最后，利用倍率容量比kc來(lái)對(duì)電池容量進(jìn)行修正；

46、計(jì)算充電片段下的平均倍率c，計(jì)算公式如下：

47、

48、式中，i表示當(dāng)前充電片段的平均電流，q額表示該電池的額定容量，c代表當(dāng)前充電片段的平均充電倍率；

49、計(jì)算電池在不同倍率下的倍率容量比，電池倍率修正系數(shù)kc計(jì)算如下所示：

50、

51、式中，qc表示不同倍率下的電池容量，q1/3c表示1/3c倍率下的電池的基準(zhǔn)容量。

52、優(yōu)選項(xiàng)，所述s4具體為：

53、根據(jù)算出的開(kāi)路電壓值uocv查表基準(zhǔn)曲線ocv-soc得到相應(yīng)的soc用于以下的計(jì)算。結(jié)合輸入變量噪聲，即電池soc差值的噪聲，以及變量噪聲，即電流傳感器的噪聲，通過(guò)遞推最小二乘法估算電池容量：

54、

55、式中，和分別表示電池在t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的soc，q待表示待估算的電池容量，it則表示t時(shí)刻電池充電時(shí)的電流大小，表示soc差值的噪聲，wt表示t時(shí)刻電流傳感器的測(cè)量噪聲，這里的噪聲均為高斯白噪聲；

56、在式(11)中，使而vk代表零均值的高斯白噪聲則容量估算模型則轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，η為電池充電時(shí)的庫(kù)倫效率系數(shù)，具體為：

57、yk＝q待(xk+vk)+wk      (12)

58、基于式(12)，采用遞推方法通過(guò)遞推迭代實(shí)現(xiàn)q待的計(jì)算，然后獲取估算的電池健康狀態(tài)soh估如下式：

59、q待/q額＝soh估        (13)

60、式中，q待表示待估算的電池容量，q額表示電池額定容量。

61、優(yōu)選項(xiàng)，所述s4中采用遞推方法通過(guò)遞推迭代實(shí)現(xiàn)q待的計(jì)算具體為：

62、為了方便分析，定義如下的三個(gè)矩陣α1，α2及α3，其隨時(shí)間參數(shù)k變化表示為α1,k，α2,k及α3,k。參數(shù)初始化α1，0，α2,0，α3,0，q0，其計(jì)算公式如下：

63、α1＝e{x·xt}(14)

64、

65、自相關(guān)矩陣更新α1,k，α2,k，α3,k，計(jì)算公式如下：

66、

67、參數(shù)更新β1,k，β2,k，β3,k，計(jì)算公式如下：

68、

69、式中，表示電流傳感器噪聲與soc差值噪聲方差之間的比值，其中表示電流傳感器噪聲方差，表示soc差值噪聲方差；

70、增益系數(shù)更新kk，計(jì)算公式如下：

71、

72、容量更新qk，計(jì)算公式如下：

73、

74、遞推完全最小二乘法首先需要將參數(shù)α1，0、α2,0、α3,0、q0分別初始化為1、qrated、qrated，qrated為電池額定容量，隨后重復(fù)迭代，直至迭代至遞推單位的長(zhǎng)度。

75、一種實(shí)現(xiàn)基于云端數(shù)據(jù)估算電池組健康狀態(tài)的方法的裝置，包括依次信號(hào)連接的云端數(shù)據(jù)采集模塊、云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、云端數(shù)據(jù)處理模塊、容量計(jì)算模塊，

76、所述云端數(shù)據(jù)采集模塊用于采集虛擬電池的充電及放電電壓、虛擬電池溫度、虛擬電池soc；

77、所述云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)云端數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)；

78、所述云端數(shù)據(jù)處理模塊用于篩選、刪除、彌補(bǔ)缺失及異常數(shù)據(jù)，并根據(jù)云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建虛擬電池，對(duì)虛擬電池充電電壓曲線進(jìn)行光滑處理，并截取有效充電片段；

79、所述容量計(jì)算模塊用于構(gòu)建基準(zhǔn)曲線ocv-soc，以及結(jié)合電池soc差值噪聲以及電流傳感器噪聲，通過(guò)遞推最小二乘法估算電池容量。

80、本裝置充分考慮了電池的種類(lèi)特性以及電池組容量估算的復(fù)雜性，旨在提供一種簡(jiǎn)單、通用且高效的電池組容量估算方法。通過(guò)利用云端平臺(tái)高效的數(shù)據(jù)管理和處理能力，大大優(yōu)化了電池組健康狀態(tài)的估算過(guò)程，確保容量計(jì)算的精準(zhǔn)與高效。

81、有益效果：本發(fā)明通過(guò)利用云端數(shù)據(jù)中大量的信息，在線估算電池的健康狀態(tài)soh，從而提高了估算的準(zhǔn)確性，真實(shí)地反映出電池組的實(shí)際健康狀況。同時(shí)，針對(duì)磷酸鐵鋰電池，提出有效充電片段選取方法，極大地改善了該類(lèi)電池的健康狀態(tài)估算精度，滿足新能源汽車(chē)對(duì)電池組健康狀態(tài)日益精準(zhǔn)的評(píng)估需求，為電池管理與維護(hù)提供了重要支持。

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