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专利号: 2024107045736
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于数据和模型滤波融合的锂电池荷电状态估计方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:

1)根据锂电池脉冲充放电数据,所述锂电池脉冲充放电数据包括电池端电压、电流和表面温度,使用非线性最小二乘法离线辨识出锂电池的欧姆内阻R0、极化内阻R1、R2和极化电容C1、C2,基于此参数,建立锂电池的二阶RC等效电路模型;

2)根据传感器测得的母线电流和表面温度,得到传感器测量电压UdSensor和模型计算电压UdModel,扩展卡尔曼滤波不断将两个电压数据权重重新分配,最后输出状态变量SOCEKF;

3)以传感器采集的数据为输入,传感器采集的数据包括母线电流、单体电压和表面温度,电池SOC为输出,建立电池数据库,使用LSTM神经网络进行训练;根据训练的验证集误差,更新PSO的粒子状态信息,再更新LSTM参数,最后以PSO寻优后的LSTM输出SOCLSTM;

4)将扩展卡尔曼滤波估计的SOCEKF、PSO‑LSTM估计的SOCLSTM和室温作为输入,SOC作为输出,使用LSTM神经网络进行二次训练,输出最终结果SOCmix;

步骤4)中,将扩展卡尔曼滤波与LSTM融合估计SOC的步骤包括:以传感器测得的电流、电压、温度为输入,经过EKF及PSO算法优化后的LSTM模块,分别得到两个模块的SOC估计值SOCEKF、SOCLSTM,再将环境温度、SOCEKF和SOCLSTM作为第二个LSTM的输入,输出联合估计结果SOCmix,再将SOCmix作为EKF的系统状态预设值,以此循环迭代。

2.根据权利要求1所述的基于数据和模型滤波融合的锂电池荷电状态估计方法,其特征在于,步骤1)中,所述使用非线性最小二乘法离线辨识出锂电池的欧姆内阻R0、极化内阻R1、R2和极化电容C1、C2的步骤包括:(1)使用非线性最小二乘法离线辨识锂电池模型参数,电池模型采用二阶RC等效电路模型;由Thevenin原理,得三元锂电池状态转移方程组;

其中,上式中,U1,U2分别为电化学、浓差极化电压,Id为三元锂电池母线电流,η为充放电效率,t为充放电时间,Qn为电池可用容量,SOC(t)为当前时刻电池荷电状态;

设传感器采样周期为Ts,对上式进行离散化得:

(2)使用非线性最小二乘法离线辨识锂电池模型参数,离线参数辨识在零输入响应和零状态响应分别进行,零输入响应即在没有外加激励时,仅由t=0时刻的非零初始状态引起的响应,零输入响应取决于初始状态和电路特性,随时间按指数规律衰减;零状态响应即电路在零初始状态下由外施激励引起的响应;零状态响应、零输入响应的电压变化表达式和内阻计算公式如下:其中,ups、upI分别为零状态响应和零输入响应时的电压变化量,uC1、uC2分别为两个RC电路的电压变化量,i为母线电流,t为状态持续时间,τ1、τ2分别为两个RC电路的充放电时间常数,ud1、ud2分别为零输入响应的初始电压值,ΔU为电流加载/撤去瞬间的压降/压升。

3.根据权利要求1所述的基于数据和模型滤波融合的锂电池荷电状态估计方法,其特征在于,步骤2)中,使用扩展卡尔曼滤波得到SOC估计值SOCEKF的步骤包括:EKF分为初始化和循环计算两个环节,其中,循环计算环节又包括预测方程、状态不确定性方程、卡尔曼增益和矫正方程步骤;

(1)初始化步骤如下:

其中,E为单位矩阵, 为初值状态矩阵,X0为状态初值, 为初值的误差协方差值;

(2)循环步骤如下:

(a)预测方程:

其中, 为当前状态预测值,f为非线性方程, 为前一次的状态值,Uk‑1为前一次的系统输入值;

(b)协方差估计方程:

上式中, 为协方差估计值, 为状态矩阵,∑ω为输入噪声;

(c)卡尔曼增益方程:

其中,Lk为卡尔曼增益, 为观测矩阵,∑v为观测噪声,增益越大,EKF的修正幅度越大;

(d)矫正方程:

其中,Zk为输出观测向量,g为非线性方程,Yk为测量残差,测量残差用于衡量测量值与预测值的偏差;

(e)状态不确定性方程:

重复步骤(a)‑(e)循环计算; 即为扩展卡尔曼滤波估计的SOC值。

4.根据权利要求1所述的基于数据和模型滤波融合的锂电池荷电状态估计方法,其特征在于,步骤3)中,使用PSO寻优后的LSTM得到SOC估计值SOCLSTM的步骤包括;

(1)LSTM通过控制遗忘、输出和输入门,使自循环的权重始终动态变化,在模型参数不变的条件下,动态变化不同时刻的积分尺度;

在信息传递的过程中,首先通过遗忘门经sigmoid函数决定遗忘信息ft,如下式所示:ft=σ(Wf[Ht‑1,xt]+bf);

其次通过输入门,分别经sigmoid和tanh函数决定储存信息,如下式所示:it=σ(Wi[Ht‑1,xt]+bi);

最后,经过输出门更新细胞隐藏状态Ht,公式如下所示:

ot=σ(Wo[Ht‑1,xt]+bo);

Ht=ot×tanh(Ct);

上式中,Wf,i,c,o为各阶段的权重,bf,i,c,o为每一项的偏置量,Ct‑1、Ct分别为上一时刻与当前时刻的细胞状态,Ht‑1、Ht分别为上一时刻与当前时刻的输出;

(2)使用粒子群优化算法解决LSTM参数寻优的问题;

PSO算法基本公式如下:设在d维区域粒子群包含m个粒子,第i个粒子位置矢量第i个粒子速度矢量 第i个粒子个体最优位置粒子群全局最优位置

xi个体最优位置由以下方程决定:

第i个粒子在第t次迭代时,速度矢量和位置矢量更新方程:上式中,ω为惯性系数,影响PSO的寻优能力,ω越小,局部寻优能力越强;ω越大,全局寻优能力越强,c1、c2为PSO的学习因子,取c1=c2=2;r1、r1为(0,1)范围内相互独立的随机数,达到最大迭代次数后寻优结束。