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储能系统技术
★ 5.0
基于集总质量模型的柱状锂离子电池荷电状态与核心温度估计
Lumped-Mass Model-Based State of Charge and Core Temperature Estimation for Cylindrical Li-Ion Batteries Considering Reversible Entropy Heat
| 作者 | Jiale Xie · Xiaobing Chang · Guang Wang · Zhongbao Wei · Zhekang Dong |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电池荷电状态 电池核心温度 等效电路模型 热模型 联合估计 |
语言:
中文摘要
准确估算电池的荷电状态(SoC)和核心温度(CoT)对于制定高效的能量管理和热管理策略至关重要。本文聚焦圆柱形锂离子电池,构建了一个等效电路模型和一个双状态热模型;然后利用包含温度、热量和荷电状态的桥梁变量,将这两个不同物理性质的集总参数模型进行闭环处理。值得注意的是,除了传统的欧姆效应不可逆生热之外,通常被忽略的可逆熵热也被建模并通过实验进行了校准。随后,采用变遗忘因子最小二乘法自适应地识别电模型和热模型的参数。最后,利用一种计算效率高且能处理非线性问题的算法,即基于奇异值分解的卡尔曼滤波器,对荷电状态和核心温度进行联合估算。动态负载激励下的实验验证了所设计方案的鲁棒性和准确性,荷电状态估算误差低至 5%,核心温度估算误差低至 0.2 °C,表现良好。
English Abstract
Reliable estimation of the state of charge (SoC) and core temperature (CoT) of battery cells is paramount for formulating efficient energy and thermal management strategies. Focusing on cylindrical Li-ion batteries, this article constructs an equivalent circuit model and a two-state thermal model; then these two different-physics lumped-mass models are close-looped using bridge variables encompassing temperature, heat, and SoC. Notably, in addition to the conventional irreversible thermogenesis of ohmic effect, the generally ignored reversible entropy heat is modeled and experimentally calibrated as well. Then, both the electrical and thermal model parameters are adaptively identified using the variable forgetting factor least square algorithm. Finally, a computationally efficient and nonlinearity-compatible algorithm, namely the singular value decomposition-based Kalman filter, is utilized for the joint estimation of SoC and CoT. Experimental validations under dynamic load excitations demonstrate the robustness and accuracy of the designed scheme, achieving favorable performance with errors as low as 5% for SoC and 0.2 °C for CoT.
S
SunView 深度解读
从阳光电源储能系统业务视角来看,这项针对圆柱形锂离子电池的SoC和核心温度联合估计技术具有重要应用价值。该技术通过构建电-热耦合集总参数模型,特别是将通常被忽略的可逆熵热纳入建模范畴,显著提升了电池状态估计的精度,这对我们的储能系统安全性和能量管理效率至关重要。
该技术的核心优势在于其工程实用性。采用变遗忘因子最小二乘算法实现参数自适应辨识,结合计算高效的SVD-Kalman滤波器,使得算法在保证精度的同时(SoC误差≤5%,温度误差≤0.2°C)具备良好的实时性,这与我们储能系统BMS对快速响应的要求高度契合。特别是对圆柱形电池的针对性研究,与我们部分储能产品采用的21700、4680等圆柱电池技术路线直接相关。
从产品价值角度,精准的核心温度估计能够优化我们储能系统的热管理策略,避免传统表面温度测量的滞后性导致的过热风险,这对提升系统安全性和延长电池寿命具有直接意义。同时,高精度SoC估计可改善能量调度策略,提高储能系统的可用容量和经济性。
技术挑战主要在于从实验室环境到工业化应用的跨越:不同电芯厂家的熵热系数差异需要建立标准化的标定流程;大规模电池组应用时的计算负载优化;以及与现有BMS架构的集成适配。建议我们可考虑在下一代储能产品中试点应用该技术,特别是在高倍率应用场景和极端温度环境下验证其鲁棒性,为产品差异化竞争力提供技术支撑。