锂电池状态监测方法及系统、装置、存储介质

技术领域

本申请属于锂电池技术领域，涉及一种锂电池状态监测方法及系统、装置、存储介质。

背景技术

目前，由于能源危机和环境问题，电动汽车发展迅速，尤其是纯电动汽车，电池是其最关键的部件之一。锂离子电池具有能量密度和功率密度高、寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点，目前被认为是电动汽车的首选候选者。为了更好地利用电池，需要利用电池管理系统(BMS)。电池管理系统(BMS)中需要对电池状态进行在线估计，例如：电池荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)和功能状态(SOF)，从而可以提前对电池情况进行预警。

目前常用的电化学模型包括等效电路模型，经验模型以及基于实际物理情况的伪二维电化学模型。伪二维电化学模型(P2D)是由多个偏微分方程组耦合得到的，P2D模型的精度很高，可以模拟电池内部的各种电化学过程。由于其复杂的耦合非线性偏微分方程(PDEs)，严格的基于物理的P2D模型需要大量的计算和内存。因此，P2D模型不能直接应用于实车BMS中对电池状态进行在线估计和实时控制。

发明内容

本申请的目的在于提供一种锂电池状态监测方法及系统、装置、存储介质，用于解决上述现有技术中存在的问题。

第一方面，本申请提供一种锂电池状态监测方法，所述方法包括：获取固相表面浓度估计模型，基于所述固相表面浓度估计模型分别估算锂电池的正极和负极的锂离子固相表面浓度；基于所述正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位；将正极和负极的电极平衡电位以及液相场参数输入至电场方程进行电场解耦以估算锂电池终端电压；基于锂电池终端电压估算锂电池荷电状态。

在第一方面的一种实现方式中，所述固相表面浓度估计模型包括：

Δt＝t

其中，t

在第一方面的一种实现方式中，所述基于所述正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位包括：对于锂电池的正极和负极，分别获取锂离子固相表面浓度与电极平衡电位的拟合函数；基于所述拟合函数以及正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位。

在第一方面的一种实现方式中，所述锂电池终端电压的估算方式包括：基于正极和负极的电极平衡电位、正极和负极的过电位以及正极和负极的极液相过电势计算正极和负极的固相过电势；将正极和负极的固相过电势相减得到锂电池终端电压。

在第一方面的一种实现方式中，所述方法还包括基于锂电池荷电状态进行实时预警。

在第一方面的一种实现方式中，所述给定系数λ

建立优化目标函数：

其中，MIN表示最小化，Δc为锂离子固相表面浓度和锂离子平均浓度之间的理论差距，c′

求解优化目标函数，获取λ

第二方面，本申请提供一种锂电池状态监测系统，所述系统包括：固相表面浓度估算模块，被配置为获取固相表面浓度估计模型，并基于所述固相表面浓度估计模型分别估算锂电池的正极和负极的锂离子固相表面浓度；电极平衡电位估算模块，被配置为基于所述正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位；终端电压估算模块，被配置为将正极和负极的电极平衡电位以及液相场参数输入至电场方程进行电场解耦以估算锂电池终端电压；状态参数估算模块，被配置为基于锂电池终端电压估算锂电池荷电状态。

在第二方面的一种实现方式中，所述系统包括预警模块，所述预警模块被配置为基于锂电池荷电状态进行实施预警。

第三方面，本申请提供一种锂电池状态监测装置，所述装置包括：存储器，被配置为存储计算机程序；以及处理器，被配置为调用所述计算机程序以执行根据本申请第一方面所述的锂电池状态监测方法。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行以实现根据本申请第一方面所述的锂电池状态监测方法。

如上所述，本申请所述的锂电池状态监测方法及系统、装置、存储介质，具有以下有益效果：本申请对锂电池伪二维模型中的固相扩散方程进行简化，通过固相表面浓度估计模型对锂电池固相表面浓度进行近似处理，避免了求解反应颗粒内部的浓度变化情况，不仅降低了计算量同时减少了缓存需要用到的资源，提高了计算速度，同时近似处理的结果与直接求解偏微分方程的结果非常接近，但是计算量更少，可以用来实时在线估计电池内部健康状况。

附图说明

图1显示为本申请实施例中锂电池状态监测方法的整体流程框图。

图2显示为本申请实施例中锂电池状态监测方法的具体流程框图。

图3A显示为本申请实施例中正极锂离子固相表面浓度与正极电极平衡电位的拟合曲线。

图3B显示为本申请实施例中负极锂离子固相表面浓度与负极电极平衡电位的拟合曲线。

图4显示为本申请实施例中锂电池状态监测系统的结构示意图。

图5显示为本申请实施例中锂电池状态监测装置的结构示意图。

元件标号说明

4锂电池状态监测系统

41 固相表面浓度估算模块

42 电极平衡电位估算模块

43 终端电压估算模块

44 状态参数估算模块

5锂电池状态监测装置

51 存储器

52 处理器

S1～S4 步骤

S21～S22 步骤

S31～S32 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，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申请的其他优点与功效。本申请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，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，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。

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申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本申请提供了一种锂电池状态监测方法及系统、装置、存储介质。本申请以传统伪二维模型为基础，提出一种简化伪二维模型中固相扩散计算的方法，可以实现实时估计电池内部反应颗粒的固相表面浓度，从而更加快速、准确的预测电池剩余电荷状态，以对电池内部情况提前预警。

伪二维模型(P2D模型)包含四个偏微分方程及一个代数方程；四个偏微分方程依次表征固相电势，固相扩散过程，液相电势和液相扩散过程，代数方程为巴特勒福尔默(Butler-Volmer)方程。P2D模型的仿真求解可以分为两个步骤，首先是浓度场的求解，包括固相浓度和液相浓度，浓度场求解完成后，固相浓度和液相浓度一起输入到电场中，进行电场解耦，从而得到电池内部实时变化情况，尤其是需要实时监测的电压情况。

固相扩散过程描述了正负极区域中反应颗粒内部的浓度变化情况，目前的求解方法是使用数值方法求解上述偏微分方程，需要对半径r以及时间t进行离散处理，离散维数通常很大，为了得到固相表面浓度需要从r＝0按照离散网格逐步计算到

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行详细描述。

如图1所示，本实施例提供一种锂电池状态监测方法，所述方法包括如下步骤S1至步骤S4。

在步骤S1中，获取固相表面浓度估计模型，基于所述固相表面浓度估计模型分别估算锂电池的正极和负极的锂离子固相表面浓度。

具体地，所述固相表面浓度估计模型包括：

Δt＝t

其中，t

上述固相表面浓度估计模型中，λ

建立优化目标函数：

其中，MIN表示最小化，Δc为锂离子固相表面浓度和锂离子平均浓度之间的理论差距，c′

求解优化目标函数，获取λ

在上述浓度估计模型中，N越大，锂离子固相表面浓度计算的精度越高，但计算资源耗费将增加，为了平衡计算精度与计算速度，在一些实施例中，N取为2，进而，在这些实施例中，固相表面浓度估计模型简化为：

Δt＝t

进而，在本实施例的固相表面浓度估计模型中需要利用上述优化计算方法优化计算得到λ

在步骤S2中，基于所述正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位。

参见图2，步骤S2具体包括步骤S21和步骤S22：

在步骤S21中，对于锂电池的正极和负极，分别获取锂离子固相表面浓度与电极平衡电位的拟合函数。

此处，需要获取大量实验样本以拟合得到锂离子固相表面浓度与电极平衡电位的拟合函数。

需要说明的是：对于锂电池的正极和负极，需要分别进行曲线拟合得到相应的拟合函数。

在一些实施例中，为了更好的进行曲线拟合，在进行拟合时，将c

在步骤S22中，基于所述拟合函数以及正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位。

在此步骤中，直接调用锂电池各计算域(正极计算域和负极计算域)的拟合函数，将正极和负极的锂离子固相表面浓度带入拟合函数中求取正极和负极的电极平衡电位。

在步骤S3中，将正极和负极的电极平衡电位以及液相场参数输入至电场方程进行电场解耦以估算锂电池终端电压。

进一步参见图2，步骤S3中锂电池终端电压的估算具体包括步骤S31和步骤S32。

在步骤S31中，基于正极和负极的电极平衡电位、正极和负极的过电位以及正极和负极的极液相过电势计算正极和负极的固相过电势。

具体地，正极和负极的固相过电势通过下式计算得到：

φ

φ

其中，φ

基于上述计算公式，正极平衡电位ocv

在步骤S32中，将正极和负极的固相过电势相减得到锂电池终端电压，具体表示为：V＝φ

在步骤S4中，基于锂电池终端电压估算锂电池荷电状态。

电池的荷电状态(state of charge，SOC)衡量了电池中剩余电荷的可用状态，一般用百分比表示，可以等效为手机中的电量百分比。目前在估算锂电池内部的剩余电量SOC时，最常用的是卡尔曼滤波方法，其中卡尔曼滤波方法中的观测值即为锂电池终端电压。锂电池终端电压V计算的越快，提供的数据量越多，对锂电池SOC的估算越有利，越能准确的估算电池的健康状态，从而对电池情况进行预警。由于采用卡尔曼滤波方法来估计锂电池荷电状态属于常规方法，因此，本实施例不展开说明。

在其他一些实施例中，基于上述实施例中步骤S1至步骤S4估算得到锂电池荷电状态后，还包括步骤S5：基于锂电池荷电状态进行实时预警。例如，当锂电池荷电状态低于设定阈值，如SOC小于30％时提示电量不足，当SOC小于20％时提示电量严重不足，从而可以及时进行充电，以更好地对锂电池进行维护，提高其使用寿命。

在本申请锂的电池状态监测方法中，对锂电池伪二维模型中的固相扩散方程进行简化，通过固相表面浓度估计模型对锂电池固相表面浓度进行近似处理，避免了求解反应颗粒内部的浓度变化情况，不仅降低了计算量同时减少了缓存需要用到的资源，提高了计算速度，同时近似处理的结果与直接求解偏微分方程的结果非常接近，但是计算量更少，可以用来实时在线估计电池内部健康状况。

本申请实施例所述的锂电池状态监测方法的保护范围不限于本实施例列举的步骤执行顺序，凡是根据本申请的原理所做的现有技术的步骤增减、步骤替换所实现的方案都包括在本申请的保护范围内。

本申请实施例还提供一种锂电池状态监测系统，所述锂电池状态监测系统可以实现本申请所述的锂电池状态监测方法，但本申请所述的锂电池状态监测方法的实现装置包括但不限于本实施例列举的锂电池状态监测系统的结构，凡是根据本申请的原理所做的现有技术的结构变形和替换，都包括在本申请的保护范围内。

如图4所示，本实施例提供一种锂电池状态监测系统，所述锂电池状态监测系统4包括：固相表面浓度估算模块41、电极平衡电位估算模块42、终端电压估算模块43和状态参数估算模块44。

固相表面浓度估算模块41被配置为获取固相表面浓度估计模型，并基于所述固相表面浓度估计模型分别估算锂电池的正极和负极的锂离子固相表面浓度。电极平衡电位估算模块42被配置为基于所述正极和负极的锂离子固相表面浓度分别估算正极和负极的电极平衡电位。终端电压估算模块43被配置为将正极和负极的电极平衡电位以及液相场参数输入至电场方程进行电场解耦以估算锂电池终端电压。状态参数估算模块44被配置为基于锂电池终端电压估算锂电池荷电状态。

上述实施例中锂电池状态监测系统4中的固相表面浓度估算模块41进行固相表面浓度估算的方法、电极平衡电位估算模块42进行电极平衡电位估算的方法、终端电压估算模块43进行电池终端电压估算的方法以及状态参数估算模块44进行锂电池荷电状态估算的方法的具体实施过程在上文的一些实施例中已具体说明，此处不再赘述。

在其他一些实施例中，锂电池状态监测系统还包括预警模块，所述预警模块被配置为基于锂电池荷电状态进行实施预警。

如图5所示，本实施例提供一种锂电池状态监测装置，所述锂电池状态监测装置5包括：存储器51，被配置为存储计算机程序；以及处理器52，被配置为调用所述计算机程序以执行上述锂电池状态监测方法。

优选地，所述存储器51包括：ROM、RAM、磁碟、U盘、存储卡或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

优选地，所述处理器52可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置或方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如，模块/单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或单元可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块/单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块/单元显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块/单元来实现本申请实施例的目的。例如，在本申请各个实施例中的各功能模块/单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块/单元单独物理存在，也可以两个或两个以上模块/单元集成在一个模块/单元中。

本领域普通技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令处理器完成，所述的程序可以存储于计算机可读存储介质中，所述存储介质是非短暂性(non-transitory)介质，例如随机存取存储器，只读存储器，快闪存储器，硬盘，固态硬盘，磁带(magnetic tape)，软盘(floppy disk)，光盘(optical disc)及其任意组合。上述存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。该可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如固态硬盘(solid state disk，SSD))等。

本申请实施例还可以提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算设备上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机或数据中心进行传输。

所述计算机程序产品被计算机执行时，所述计算机执行前述方法实施例所述的方法。该计算机程序产品可以为一个软件安装包，在需要使用前述方法的情况下，可以下载该计算机程序产品并在计算机上执行该计算机程序产品。

上述各个附图对应的流程或结构的描述各有侧重，某个流程或结构中没有详述的部分，可以参见其他流程或结构的相关描述。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。