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储能系统技术 储能系统 ★ 5.0

基于集总热模型KF-MLP估计算法的锂离子电池表面温度场重构

Surface Temperature Field Reconstruction of Lithium-Ion Batteries Toward Lumped Thermal Model-Based KF-MLP Estimation Algorithm

作者 Xiao Qi · Chaofeng Hong · Lijun Gu · Weixiong Wu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Informatics
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 锂离子电池 表面温度场 集总热模型 KF - MLP算法 温度重建
语言:

中文摘要

高容量、大型电池在电动汽车和储能系统中得到了广泛应用。实际上,这些电池的表面温度场通常分布不均且难以测量,这给温度安全监测带来了巨大挑战。因此,本文重构了集总热模型,并提出了一种卡尔曼滤波器(KF) - 多层感知器(MLP)联合估计算法,以重构锂离子电池(LIBs)的二维表面温度(ST)场。首先,设计了一种改进的集总热模型,仅使用一个传感器即可准确获取多点温度。然后,提出了一种 KF - MLP 神经网络,以减少计算资源的使用并增强模型的泛化能力。最后,设计了一种二维温度采集方法,以获取可靠的实验数据。通过实验验证了所提出的基于集总热模型的 KF - MLP 估计算法的有效性。在方形锂离子电池 5℃放电条件下,电池表面估计温度与实际温度之间的最大平均误差为 0.0761℃。

English Abstract

High-capacity and large-sized batteries are widely employed in electric vehicles and energy storage systems. The surface temperature field of these batteries is usually maldistributed and unmeasurable in practice, which brings great challenges to temperature safety monitoring. Thus, this article rebuilds the lumped thermal model and proposes a Kalman filter (KF)-multilayer perception (MLP) joint estimation algorithm to reconstruct the 2-D ST field of lithium-ion batteries (LIBs). First, an improved lumped thermal model is devised to accurately obtain multipoint temperatures with only one sensor. Then, a KF-MLP neural network is proposed to diminish the utilization of computational resources and enhance the model generalization capability. Finally, a 2-D temperature acquisition method is designed to obtain reliable experiential data. Experiments are designed to demonstrate the effectiveness of the proposed lumped thermal model-based KF-MLP estimation algorithm. Under 5 ^ C discharge conditions for square LIBs, the maximum average error between estimated and actual temperatures on the battery surface is 0.0761 ^ C.
S

SunView 深度解读

从阳光电源储能系统业务视角来看,该论文提出的锂电池表面温度场重建技术具有重要的工程应用价值。当前我司大容量储能系统广泛采用大尺寸电芯,其表面温度分布不均匀性显著,而传统热管理方案受限于传感器布点数量和成本,难以实现全面监测,这正是该技术所针对的核心痛点。

该研究的创新之处在于将改进的集总热模型与KF-MLP神经网络算法结合,仅需单个温度传感器即可重建二维温度场,在5°C放电工况下实现平均误差0.0761°C的高精度估算。这对我司储能产品具有三方面价值:首先,可大幅降低温度传感器数量,直接削减BMS硬件成本和系统复杂度;其次,精准的温度场信息能够优化热管理策略,提升电池系统安全性和循环寿命;第三,该技术可与我司现有的智慧能源管理平台深度融合,增强系统预测性维护能力。

从技术成熟度评估,该算法在实验室环境下已验证有效性,但工程化应用仍面临挑战:集总热模型的参数辨识需要针对不同电芯规格和Pack结构进行定制化开发;神经网络的泛化能力在复杂工况(如温度梯度剧烈变化、老化电池)下有待验证;算法的实时性与边缘计算硬件的适配也需进一步优化。

建议我司技术团队关注该方向的后续研究,可考虑与学术机构合作开展针对储能系统特定场景的算法验证,特别是在大规模储能电站和工商业储能产品中进行试点应用,探索将其集成到下一代智能BMS架构中的可行性,以强化我司在储能热管理技术领域的竞争优势。