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        基于粒子濾波的鋰離子電池壽命預(yù)測(cè)

        2015-06-25 22:01:18劉丹燁張玉朋
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年21期
        關(guān)鍵詞:粒子濾波非線性

        劉丹燁 張玉朋

        摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)方法不能解決鋰離子電池非線性系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)問題,提出了一種基于粒子濾波算法的電池壽命預(yù)測(cè)方法。能有效解決非線性問題,準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了電池壽命的預(yù)測(cè)。

        關(guān)鍵詞:壽命預(yù)測(cè);粒子濾波;容量退化;非線性

        引言

        鋰離子電池壽命受到放電電流、溫度、電池材料等諸多因素的影響,電池的剩余容量是放電電壓、電流、溫度及電池過去的充放電歷史等參數(shù)的復(fù)雜函數(shù),對(duì)鋰離子電池的壽命預(yù)測(cè)是一個(gè)非線性預(yù)測(cè)問題,針對(duì)此類問題傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法不足以滿足要求,文章提出了一種基于粒子濾波的電池使用壽命的預(yù)測(cè)方法。

        1 鋰離子電池根據(jù)容量衰減為判定的壽命模型

        鋰離子電池容量衰減的主要原因是電池負(fù)極的副反應(yīng)引起的。Broussely 等分析了鋰電池在不同電壓、不同溫度下放置時(shí)電池容量的衰減情況,如下式所示電池儲(chǔ)存壽命t的模型:

        式中:x 表示電池?fù)p失的相對(duì)容量比;k,n和d為常數(shù),S,e0和γ分別表示離子電池SEI 膜面積、厚度和電導(dǎo)率。這里所用的模型中只考慮溫度(15~60℃)對(duì)電池容量壽命的影響,沒有涉及離子電池的電壓,具有比較大的局限性。

        不久前,Liaw等[2]從電池的容量衰減的角度出發(fā),提出利用ECM等效回路模型來預(yù)測(cè)電池的儲(chǔ)存壽命。該模型不僅擬合程度高,而且還能模擬出經(jīng)過老化擱置后電池在不同倍率下的放電行為。可以表示為公式:

        (2)

        式中:V0是指放電中的開路電壓,Q(0)是電池的初始容量,從這個(gè)公式看出,電池端電壓是放電電流與歐姆接觸R1,電池的電化學(xué)反應(yīng)R2的函數(shù),其中R1為不變的電池常數(shù),R2則隨著老化擱置時(shí)間出現(xiàn)非線性的變化,擬合公式如下:

        R2=a+b(SOC)C+dexp[(1-SOC)C] (3)

        式中:a、b、c、d和e都是鋰粒子電池SOC和老化時(shí)間t的函數(shù)。對(duì)于絕大部分的鋰離子電池,它的容量隨著時(shí)間的變化具有很明顯的規(guī)律,利用這個(gè)規(guī)律,就可以較好的預(yù)測(cè)電池壽命。

        2 在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行電池容量的退化實(shí)驗(yàn)(圖1)

        隨著充電和放電次數(shù)的增加,粒子電池所儲(chǔ)存的能量在逐漸的減小。這里橫坐標(biāo)表示充放電循環(huán)次數(shù)k,完成一次充放電為一個(gè)循環(huán)??v坐標(biāo)為容量數(shù)據(jù)c,這里已歸化處理過了。當(dāng)容量為0.7時(shí),說明電池達(dá)到失效點(diǎn)。

        從圖1可以看出,數(shù)據(jù)在k=160點(diǎn)以前,粒子濾波算法主要依靠容量的觀測(cè)數(shù)據(jù),濾波之后得到a,b,c,d的值,預(yù)測(cè)未來120個(gè)k的趨勢(shì)。圖中A曲線為實(shí)際測(cè)量得到的結(jié)果,B曲線為未作任何處理得到的結(jié)果,C曲線是根據(jù)粒子濾波得到的預(yù)測(cè)曲線。可見,粒子濾波預(yù)測(cè)的結(jié)果基本與真實(shí)值吻合。

        3 結(jié)束語

        文章針對(duì)鋰離子電池非線性系統(tǒng)剩余壽命預(yù)測(cè)問題,提出了基于粒子濾波算法的電池壽命預(yù)測(cè)方法。研究為復(fù)雜噪聲條件下非高斯非線性系統(tǒng)的剩余壽命預(yù)測(cè)提供了一種切實(shí)可行的解決思路,對(duì)研究電池非線性壽命預(yù)測(cè)具有重要的參考價(jià)值。

        參考文獻(xiàn)

        [1]Broussely M,Herreyre S,Biensan P,et al.Aging mechanism in Li ion cells and calendar life predictions [J].J Power Sources,2001,97/98:13-21.

        [2]Liaw B Y,Rudolph G J,Ganesan N,et al.Modeling capacity fade in lithium-ion cells [J].J Power Sources,2005,140:157-161.

        作者簡(jiǎn)介:劉丹燁,女,國網(wǎng)山東無棣縣供電公司運(yùn)維檢修部,職稱:助理工程師,專業(yè):電氣工程。

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