基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法、系统及电量计与流程

1.本发明属于电量计量技术领域，具体涉及一种基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法及电量计。


背景技术：

2.随着手机、掌上电脑等以电池供电的电子设备的广泛使用，对电池的电量计量需求大幅增加。
3.目前多是采用库伦积分法、库伦积分与开路电压结合法、动态电压法等来估算锂电池的剩余容量。库伦积分法的原理是对电流采集模块采样到的电流进行时间积分，而得到锂电池的流入流出容量，再根据总容量计算出锂电池的剩余容量，该方法计算简单，实现方便，对微处理器要求也较低；但在锂电池使用工况的改变，电池总可放出容量是变化的，尤其在低温下(0℃以下温度)，电池可放电容量大幅减少，再加之库伦积分的累计误差，很难准确估计剩余容量。
4.库伦积分与开路电压结合的方法，是在库伦积分法的基础上，当锂电池处于松弛状态(电流接近零放置一段时间后)获得ocv(电池开路电压)，再利用soc与ocv之间的关系，对剩余容量进行校正，可消除库伦积分的累计误差问题，但锂电池在环境温度变化等工况改变而导致总可放电容量的变化问题，依然不能解决。
5.动态电压法是提前对电池做各种电流负载的放电测试，得到一系列的soc-vol(电池端电压)表格，在电池放电过程中通过电池端电压查表，得到soc，这种方法结构简单，对微处理器的运算能力要求很低，但由于电池电压的采集误差和vol-soc也不是一种线性关系，所以精度较差，并且制表和查表复杂，需要很大的存储空间去存储表格，因此只能应用在要求低成本和精度要求低的移动设备中。
6.因此，提供一种低功耗、存储空间小、受温度影响低，同时计量精确的电量计量方法十分必要。


技术实现要素：

7.针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法、系统及电量计。
8.本发明解决现有技术中存在的问题通过以下技术方案实现：
9.本发明提供一种基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法，包括以下步骤：
10.(1)对锂电池进行放电测试，得出电池标准模型，存储在数据库中，作为剩余电量计量方法的依据；
11.(2)锂电池上电初始化，采集电池开路电压(ocv)，查表数据库，获取电池初始电量，作为当前电池剩余电量(soc(t))。
12.(3)在锂电池工作状态，实时采样得到电池电压(vol)、当前电流(i1)、电池温度(t)；根据当前电池剩余电量(soc(t))，对比数据库中的电池标准模型，查表得到当前开路电压(ocv(soc,t))、当前电池直流阻抗(r(soc,t))，和当前温度系数(cf(soc,t))；
13.(4)根据电池历史负载数据，选择电池预测模型，处理当前电流(i1)，得到负载电流(i)；
14.(5)根据预测器，即公式
①
，预测电池端电压(vo)：
15.vo＝ocv(soc,t)
–
i*r(soc,t)*cf(soc,t)
ꢀꢀꢀ①
16.(6)根据公式
②
，计算得到电压偏差vs：
17.vs＝vol
–
vo
ꢀꢀꢀ②
18.(7)对电压偏差(vs)进行校正优化，根据公式
①
，调整电池电量预测模型的输入参数当前剩余电量(soc(t))，对电池端电压(vo)进行修正，使电压偏差(vs)减小至设定阈值范围，得到校正优化后的当前剩余电量(soc1)；
19.(8)对校正优化后的当前剩余电量(soc1)进行输出优化，得到最终的剩余电量(soc)。
20.进一步地，步骤(1)中，电池标准模型数据库包括以下数据：开路电压表(ocv(soc,t))、电池直流阻抗表(r(soc,t))、温度系数表(cf(soc,t))。
21.进一步地，步骤(4)中，当选择恒功率模型时，通过预设固定功率，根据公式
③
：w＝u*i，计算得到负载电流(i)。
22.进一步地，步骤(4)中，当选择恒电流模型时，通过对采样电流(i1)滤波，得到负载电流(i)。
23.进一步地，步骤(5)中，对预测电池端电压(vo)的所有参数进行温度归一化处理，降低温度对电池电量预测的影响。
24.进一步地，步骤(7)中，电压偏差(vs)的设定阈值范围为5mv～10mv。
25.进一步地，步骤(8)中，对校正优化后的当前剩余电量(soc1)进行输出优化的具体方法是：
26.首先，根据公式
④
反推出当前电池工况下，剩余电量的工作剩余时间ts，
[0027][0028]
接着根据公式
⑤
计算得到单位时间电池电量的变化值(
△
soc)；
[0029]
△
soc＝soc/ts
ꢀꢀꢀ⑤
[0030]
根据单位时间电池电量的变化值(
△
soc)，得到电池剩余电量的输出轨迹，优化当前剩余电量(soc1)，得到最终的电池剩余电量(soc)；最终的电池剩余电量(soc)，为优化前的当前剩余电量(soc1)与电池电量的变化值(
△
soc)之和。
[0031]
进一步地，当锂电池工况发生变化时，循环步骤(3)～步骤(8)，步骤(8)中输出的剩余电量(soc)作为下一个循环的当前剩余电量(soc(t))。
[0032]
本发明还提供一种锂电池电量计量系统，包括上述任一项所述的锂电池剩余电量计量方法。
[0033]
本发明还提供一种锂电池电量计，包括上述的锂电池电量计量系统。
[0034]
本发明提供的基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法具有以下有
益效果：
[0035]
(1)在-20℃～50℃条件下，使用该方法获得的电池剩余电量与市售电池测试仪相比，其电量误差基本在4％以内，精确度较高；
[0036]
(2)事先抽取电池标准模型，在运行过程中计算程序量小，精度高，对微处理器的存储、运算要求也比较低；
[0037]
(3)抽取电池模型的过程在-20℃～50℃之间进行，电量计量系统也可以在同样的温度范围内正常运行，更好地适应了低温条件下的应用。
附图说明
[0038]
图1为本发明提供的电池剩余电量的计量方法的原理图。
[0039]
图2为本发明提供的电池剩余电量的计量方法的工作流程示意图。
[0040]
图3为实施例1提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在5℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0041]
图4为实施例1提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在25℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0042]
图5为实施例1提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在45℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0043]
图6为实施例2提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在-20℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0044]
图7为实施例2提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在5℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0045]
图8为实施例2提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在25℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
[0046]
图9为实施例2提供的电池剩余电量计量方法与市售电池测试仪在45℃条件下测得的电池剩余电量的误差曲线图。
具体实施方式
[0047]
以下将结合具体实施例对发明进行进一步的说明。
[0048]
实施例1提供一种基于改进型模型预测控制的锂电池剩余容量计量方法(图1为本发明所述电池剩余容量计量方法的原理图)，如图2所示，包括以下步骤：
[0049]
(1)创建电池标准模型。选取18650/2600mah锂离子可充电电池，使用电池测试仪，对满电的锂电池，分别在-20℃、0℃、20℃、40℃下，各使用0.1c(260ma)电流放电一个循环，在放电过程中，每放出26mah电量，即将电池搁置一小时，再继续放电；按照3.2v放电截止电压，电池电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，采集锂电池各项数据，包括开路电压ocv、电池直流阻抗r、电池温度t等，并抽取这些数据，建立电池标准模型，以开路电压表ocv(soc,t)、电池直流阻抗表r(soc,t)及温度系数表cf(soc,t)的形式存储于数据库中；为减少数据库使用存储空间和降低查表复杂程度，对上述表格均进行0℃均一化处理。
[0050]
(2)锂电池上电初始化，采集电池初始开路电压，查表电池标准模型数据库中的开路电压表ocv(soc,t)获取初始剩余电量，作为当前剩余电量soc(t)；根据当前剩余电量soc
(t)，查表数据库，得到当前开路电压ocv(soc,t)、当前电池直流阻抗r(soc,t)和当前电池温度系数cf(soc,t)；
[0051]
(3)在锂电池工作状态，采集电池当前电压vol、当前电流i1和当前温度t；
[0052]
(4)根据锂电池历史负载数据，选择恒功率模型，根据公式
③
：w＝u*i，处理当前电流i1，得到负载电流i；
[0053]
(5)按照预测器算法(公式
①
)，预测电池端电压vo；
[0054]
vo＝ocv(soc,t)
–
i*r(soc,t)*cf(soc,t)
ꢀꢀꢀ①
[0055]
(6)根据公式
②
，计算得到电压偏差vs：
[0056]
vs＝vol
–
vo
ꢀꢀꢀ②
[0057]
(7)对电压偏差(vs)进行校正优化，根据公式
①
，调整电池电量预测模型的输入参数当前剩余电量(soc(t))，对电池端电压(vo)进行修正，使电压偏差(vs)减小至5mv，得到校正优化后的当前剩余电量(soc1)；
[0058]
(8)对校正优化后的当前剩余电量(soc1)进行输出优化，得到最终的剩余电量(soc)。
[0059]
按照上述步骤(2)到步骤(8)，分别在5℃、25℃、45℃条件下，使用0.1c(260ma)电流放电一个循环，在放电过程中，每放出26mah电量，即将电池搁置一小时，再继续放电；按照3.2v放电截止电压，对电池电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，不同时刻的剩余电量soc进行估计；
[0060]
同时，建立对照组，采用市售电池测试仪对同样条件下，待测锂电池的电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，不同时刻的剩余电量进行测试，用市售电池测试仪测得的电量减去使用实施例1提供的电池电量计量方法测得的电量，对二者测得的结果进行对比，得到两种测试的误差结果如图3、图4、图5所示。
[0061]
由图3可知，在5℃条件下，使用实施例1方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为-2.3％；
[0062]
由图4可知，在25℃条件下，使用实施例1方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为0.9％；
[0063]
由图5可知，在45℃条件下，使用实施例1方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为1.7％。
[0064]
实施例2提供一种基于改进型模型预测控制的锂电池剩余容量计量方法，包括以下步骤：
[0065]
(1)创建电池标准模型。选取18650/2600mah锂离子可充电电池，使用电池测试仪，对满电的锂电池，分别在-20℃、0℃、20℃、40℃下，各使用0.2c(520ma)电流放电一个循环，在放电过程中，每放出52mah电量，即将电池搁置一小时，再继续放电；按照3.2v放电截止电压，电池电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，采集锂电池各项数据，包括开路电压ocv、电池直流阻抗r、电池温度t等，并抽取这些数据，建立电池标准模型，以开路电压表ocv(soc,t)、电池直流阻抗表r(soc,t)及温度系数表cf(soc,t)的形式存储于数据库中；为减少数据库使用存储空间和降低查表复杂程度，对上述表格均进行0℃均一化处理。
[0066]
(2)锂电池上电初始化，采集电池初始开路电压，查表电池标准模型数据库中的开路电压表ocv(soc,t)获取初始剩余电量，作为当前剩余电量soc(t)；根据当前剩余电量soc
(t)，查表数据库，得到当前开路电压ocv(soc,t)、当前电池直流阻抗r(soc,t)和当前电池温度系数cf(soc,t)；
[0067]
(3)在锂电池工作状态，采集电池当前电压vol、当前电流i1和当前温度t；
[0068]
(4)根据锂电池历史负载数据，选择恒电流模型，即对当前电流i1进行滤波，得到负载电流i；
[0069]
(5)按照预测器算法(公式
①
)，预测电池端电压vo；
[0070]
vo＝ocv(soc,t)
–
i*r(soc,t)*cf(soc,t)
ꢀꢀꢀ①
[0071]
(6)根据公式
②
，计算得到电压偏差vs：
[0072]
vs＝vol
–
vo
ꢀꢀꢀ②
[0073]
(7)对电压偏差(vs)进行校正优化，根据公式
①
，调整电池电量预测模型的输入参数当前剩余电量(soc(t))，对电池端电压(vo)进行修正，使电压偏差(vs)减小至10mv，得到校正优化后的当前剩余电量(soc1)；
[0074]
(8)对校正优化后的当前剩余电量(soc1)进行输出优化，得到最终的剩余电量(soc)。
[0075]
按照上述步骤(2)到步骤(8)，分别在-20℃、5℃、25℃、45℃条件下，使用0.2c(520ma)电流放电一个循环，在放电过程中，每放出52mah电量，即将电池搁置一小时，再继续放电；按照3.2v放电截止电压，对电池电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，不同时刻的剩余电量soc进行估计；
[0076]
同时，建立对照组，采用市售电池测试仪对同样条件下，待测锂电池的电量从100％(满电)到0％(截止电压)过程中，不同时刻的剩余电量进行测试，用市售电池测试仪测得的电量减去使用实施例2提供的电池电量计量方法测得的电量，对二者测得的结果进行对比，得到两种测试的误差结果如图6、图7、图8、图9所示。
[0077]
由图6可知，在-20℃条件下，使用实施例2方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为
±
3.2％；
[0078]
由图7可知，在5℃条件下，使用实施例2方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的平均电量误差为
±
2.5％；
[0079]
由图8可知，在25℃条件下，使用实施例2方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为2.5％；
[0080]
由图9可知，在45℃条件下，使用实施例2方法估计的电量与使用市售电池测试仪测得的电池剩余电量的误差为2.7％。
[0081]
由实施例1和实施例2可知，本发明提供的基于改进型模型预测控制的锂电池剩余电量计量方法，在-20℃～50℃之间均可良好工作，且计量精确，误差均控制在4％以内。
[0082]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。