鉅大LARGE | 點擊量：1042次 | 2021年08月16日
鋰離子電池荷電狀態(tài)估算的新辦法，估算結(jié)果快速精確
鋰離子電池作為緊要的儲能元件，其荷電狀態(tài)（SOC）筆直影響所在系統(tǒng)的運行狀態(tài)。為了實現(xiàn)對鋰離子電池SOC的精確估算，艦船綜合電力技術(shù)科技重點試驗室（海程大學）的研究人員李超然、肖飛、樊亞翔、楊國潤、唐欣，在2020年第9期《電工技術(shù)學報》上撰文，提出一種基于門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GRU-RNN）和Huber-M估計魯棒卡爾曼濾波（HKF）融合辦法的鋰離子電池SOC估算模型。
試驗結(jié)果聲明，基于GRU-RNN和HKF融合辦法的鋰離子電池SOC估算模型不僅能夠準確地實現(xiàn)鋰離子電池SOC估算，而且能夠降低測量誤差及異常值對估算結(jié)果的影響，使鋰離子電池SOC估算結(jié)果快速且精確收斂。
在現(xiàn)代化電力系統(tǒng)中，儲能裝備所起到的用途越來越緊要，其意義緊要包括：削峰填谷，實現(xiàn)電力系統(tǒng)能量靈活的管理和使用；提高電力系統(tǒng)可靠性，在故障時供應(yīng)臨時電能支撐；改善電能質(zhì)量和特性；滿足高能量大功率用電設(shè)備需求。
常見的儲能方式包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容儲能、超導磁儲能、鉛酸蓄電池儲能、鋰離子電池儲能等。其中，鋰離子電池因其高能量密度、高功率密度、清潔可靠等優(yōu)勢，已經(jīng)在便攜式電子設(shè)備、電動汽車輛和固定儲能裝置中獲得了廣泛使用。
作為儲能分系統(tǒng)中的緊要儲能元件，鋰離子電池的運行狀態(tài)對電力系統(tǒng)能源調(diào)配策略非常緊要，因此，要獲取鋰離子電池狀態(tài)信息并對其進行管理。其中，荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）是鋰離子電池緊要的狀態(tài)信息之一，其被含義為剩余電量與額定電量之比，用來掂量鋰離子電池中可用的電量，代表鋰離子電池的續(xù)航能力，類似于汽車“油表”的功能。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
然而，鋰離子電池SOC無法通過儀器測量筆直獲取，要通過儀器測量電壓、電流、溫度等間接進行估算。而由于鋰離子電池的時變性、非線性以及電化學反應(yīng)的不確定性等因素，電壓、電流、溫度與SOC之間的關(guān)系變得難以刻畫，使得鋰離子電池SOC獲取成為一大難題。
為了解決以上問題，研究人員提出了大量鋰離子電池SOC估算辦法，緊要分為安時積分法、開路電壓法、電化學阻抗法、基于模型的辦法、數(shù)據(jù)驅(qū)動的辦法和融合辦法。
其中，安時積分法依據(jù)電量的含義對電流繼續(xù)測試并進行積分得到電池釋放或吸收的電量，雖然被廣泛使用，但其無法獲取初始SOC，要結(jié)合其他辦法使用。
開路電壓法通過觀察電池開路電壓（OpenCircuitVoltage,OCV），利用開路電壓和SOC之間的關(guān)系獲得SOC，但充電和放電階段OCV-SOC的關(guān)系曲線不一致且中間段曲線平緩，不易于SOC辨識。另外，還要將電池長時間靜置才可以獲得穩(wěn)定的開路電壓，因此開路電壓法無法滿足SOC實時在線的估算需求。
電化學阻抗法則是通過測量電池交流內(nèi)阻獲取SOC，但電池交流內(nèi)阻受外部環(huán)境影響較大，且阻值難以測量，該辦法一般適用于試驗室研究，無法使用到實際中。
基于模型的辦法采用觀測器或濾波器框架，將電池SOC作為狀態(tài)量，并將安時積分法和電池模型分別作為狀態(tài)方程和觀測方程，通過觀測方程獲得的結(jié)果進行遞推式修正狀態(tài)量，進一步實現(xiàn)電池SOC估算。
常見的觀測器和濾波器包括卡爾曼濾波器、粒子濾波器、H∞觀測器、滑模觀測器等，采用的電池模型緊要包括電化學模型、等效電路模型、熱模型和擬合模型等。雖然基于模型的辦法能夠?qū)崿F(xiàn)鋰離子電池SOC估算，但是電池內(nèi)部復(fù)雜的化學反響應(yīng)動態(tài)變化的外部環(huán)境，使得難以建立準確的電池模型。
此外，基于模型的辦法要花費較大的計算資源對模型參數(shù)不斷進行辨識，這在一定程度上限制了該類辦法的使用。數(shù)據(jù)驅(qū)動的辦法通過機器學習算法來學習電池外部可觀測量和SOC之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，戒備了對鋰離子電池內(nèi)部機理和模型的精確研究，在電池SOC估算中也得到了廣泛使用。這類辦法緊要采用支持向量機、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機器學習辦法。
有關(guān)數(shù)據(jù)驅(qū)動的辦法而言，SOC估算結(jié)果與訓練集的選取有關(guān)，訓練集與所使用的電池工況越相近，則鋰離子電池SOC估算結(jié)果越準確。融合模型將上述辦法中的兩種或多種進行組合，以彌補單一辦法的缺陷并保留各自優(yōu)點，目前也得到了廣泛使用。
這類辦法的融合形式緊要以數(shù)據(jù)驅(qū)動辦法與濾波辦法結(jié)合以及濾波辦法自身結(jié)合為主，包括支持向量機與卡爾曼濾波辦法結(jié)合、模糊控制與卡爾曼濾波結(jié)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與卡爾曼濾波結(jié)合、粒子濾波與卡爾曼濾波結(jié)合等。
以數(shù)據(jù)驅(qū)動與濾波辦法結(jié)合的融合模型，一方面能夠利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的辦法表示非線性關(guān)系且易于實現(xiàn)，另一方面能夠結(jié)合濾波辦法迭代收斂的特性實時修正模型輸出，目前已經(jīng)成為實現(xiàn)鋰離子電池SOC估算的有效辦法。但以上辦法由于未考慮時序因素的影響，因而無法較好地解決時間遞歸問題。
有關(guān)鋰離子電池而言，SOC是時變狀態(tài)量，其歷史狀態(tài)對當前狀態(tài)的影響是無法忽視的。另外，為了實現(xiàn)鋰離子電池SOC的精確估計，算法非得對噪聲具有魯棒性。因此，艦船綜合電力技術(shù)科技重點試驗室（海程大學）的研究人員，對卡爾曼濾波器進行魯棒性改進，并在改進卡爾曼濾波辦法的框架下，分別引入安時積分法和考慮時序因素影響的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RecurrentNeuralNetworkwithGatedRecurrentUnit,GRU-RNN）和Huber-M估計魯棒卡爾曼濾波（Huber-MRobustKalmanFilter,HKF）融合辦法的鋰離子電池SOC估算模型，對動態(tài)工況下的鋰離子電池SOC進行估算。
該辦法在Huber-M估計魯棒卡爾曼濾波辦法的基礎(chǔ)上，將安時積分法所使用的庫侖計量公式作為狀態(tài)方程，并將基于GRU-RNN的鋰離子電池SOC估算結(jié)果作為觀測量，從而實現(xiàn)了鋰離子電池SOC的估算，整體研究思路如圖1所示。
圖1研究思路
該辦法具有以下優(yōu)勢：
①GRU-RNN能夠考慮時序因素有關(guān)鋰離子電池SOC的影響，具有較高的估算精度，同時能為HKF的狀態(tài)方程供應(yīng)準確的初始值，使濾波算法更快地收斂；②HKF能夠提高GRU-RNN的魯棒性，降低電壓、電流、溫度傳感器測量誤差和偶發(fā)性測量異常值以及SOC初始誤差對鋰離子電池SOC估算精度影響，進一步提升模型估算精度；③庫侖計量公式是對鋰離子電池SOC隨時間變化過程的描述，采用庫侖計量公式作為鋰離子電池狀態(tài)方程，即使GRU-RNN的估算結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，仍舊能夠保證最終鋰離子電池SOC估算結(jié)果的精確性。
圖2基于融合辦法的鋰離子電池SOC估算
研究人員在六種鋰離子電池運行工況和三種異常工況下驗證了模型的精確性和魯棒性。試驗結(jié)果聲明，該模型在三個溫度下Panasonic18650PF鋰離子電池探測數(shù)據(jù)集和鋰離子電池大倍率脈沖放電探測數(shù)據(jù)集上的最大MAE分別為0.56%和1.78%，最大MAX分別為2.39%和4.12%，最大RMSE分別為0.7%和2.01%。
該模型將GRU-RNN和HKF進行融合，一方面能夠通過HKF強化GRU-RNN的魯棒性，降低電壓、電流、溫度傳感器噪聲和異常值以及SOC初始誤差對鋰離子電池SOC估算精度的影響；另一方面，GRU-RNN能夠為HKF供應(yīng)準確的初始值，使濾波算法更快地收斂。
另外，由于HKF的狀態(tài)方程采用庫侖計量公式，即使GRU-RNN出現(xiàn)較大誤差，仍舊能夠保證鋰離子電池SOC估算精度。下一步將針對該算法的實用性進行研究并在裝置中進行實際使用。此外，還可以在當前新增算法魯棒性的基礎(chǔ)上，進一步考慮算法自適應(yīng)能力的提升，研究一種自適應(yīng)且魯棒的SOC估算辦法，從而使算法對不同電池對象和使用工況的變化具有自適應(yīng)能力。
以上研究成果發(fā)表在2020年第9期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“基于門控循環(huán)單元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Huber-M估計魯棒卡爾曼濾波融合辦法的鋰離子電池荷電狀態(tài)估算辦法”，作者為李超然、肖飛、樊亞翔、楊國潤、唐欣。
