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储能系统技术 电池管理系统BMS 深度学习 ★ 5.0

基于温度相关扩展卡尔曼滤波与深度学习的锂离子电池荷电状态与健康状态联合估计方法

A State-of-Charge and State-of-Health Joint Estimation Method of Lithium-Ion Battery Based on Temperature-Dependent Extended Kalman Filter and Deep Learning

作者 Shiquan Wang · Kai Ou · Wei Zhang · Ya-Xiong Wang
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年7月
技术分类 储能系统技术
技术标签 电池管理系统BMS 深度学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 荷电状态 健康状态 联合估计方法 扩展卡尔曼滤波 深度学习
语言:

中文摘要

准确估算荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)对于改进电池管理技术至关重要。然而,电池会受到温度和老化的影响,导致其呈现出更难以表征的非线性关系。本文提出了一种基于温度相关扩展卡尔曼滤波器(EKF)和深度学习的锂离子电池SOC - SOH联合估算方法。首先,创建包含温度和容量变量的电池模型状态矩阵、控制矩阵和观测矩阵,以便在本地端使用EKF进行实时SOC估算。其次,利用卷积神经网络(CNN)和注意力机制提取并加权电池老化特征,并结合门控单元解决长序列记忆问题,从而在远程计算平台上进行SOH估算。最后,通过在本地控制器上进行实时SOC估算实现双时间尺度联合模型,并在远程计算平台上计算SOH以修正可用容量,进而在放电结束时更新SOC。通过1C放电倍率循环实验验证,SOC和SOH估算的均方根误差均在1%以内。因此,所提出的SOC - SOH联合估算方法可通过本地和远程计算实现。

English Abstract

Accurate estimations of the state of charge (SOC) and state of health (SOH) are crucial for improving battery management techniques. However, batteries are affected by temperature and aging, leading to nonlinear relationships that are more difficult to be characterized. This article proposes an SOC–SOH joint estimation method of lithium-ion battery based on temperature-dependent extended Kalman filter (EKF) and deep learning. First, the battery model state, control, and observation matrices with temperature and capacity variables are created for real-time SOC estimation by using EKF at the local end. Second, battery aging features are extracted and weighted using convolutional neural networks (CNNs) and attention mechanisms and are combined with a gated unit to solve long time series memory problem for SOH estimation at remote computing platform. Finally, the dual time-scale joint model is realized by real-time SOC estimation on the local controller, and the SOH can be calculated on the remote computing platform to correct the available capacity to further update SOC at the end of the discharge. Through 1C discharge rate cycle experimental validation, the root mean square errors of SOC and SOH estimation were within 1%. Therefore, the proposed joint SOC–SOH estimation method can be achieved with local and remote computation.
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SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角看,这项基于温度依赖扩展卡尔曼滤波与深度学习的SOC-SOH联合估算技术具有显著的工程应用价值。该技术直击储能系统电池管理的核心痛点——在复杂温度环境和电池老化条件下实现精准状态估计,这对我司大规模储能电站和户用储能产品的安全性、经济性至关重要。

技术架构上,论文提出的"本地-云端"双时间尺度协同方案与我司PowerTitan、PowerStack等储能产品的分布式架构高度契合。本地控制器实时执行EKF算法进行SOC估算,满足毫秒级响应需求;云端平台利用CNN-注意力机制处理长时序数据进行SOH评估,实现计算资源的优化配置。这种设计可直接嵌入我司iSolarCloud智慧能源管理平台,提升全生命周期的电池资产管理能力。

技术成熟度方面,1%以内的均方根误差已达到商用级精度要求,但论文仅验证了1C倍率工况。我司储能系统面临更复杂的应用场景:电网调频需要2-4C的高倍率充放电,户用系统经历-30℃至60℃的极端温差。需要在多工况、全气候条件下进行充分验证,特别是深度学习模型在边缘设备上的推理效率和泛化能力。

潜在机遇在于,该技术可显著延长电池质保预测准确性,降低储能系统度电成本5-8%,这在当前激烈的市场竞争中构成差异化优势。建议与研发中心合作开展联合攻关,重点突破多化学体系适配、轻量化模型部署等工程化难题,加速技术向产品转化。