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本文亮點(diǎn)：1.區(qū)別于多數(shù)面向?qū)嶒?yàn)室的鋰離子電池容量估計(jì)研究，本文面向?qū)嵻?chē)應(yīng)用場(chǎng)景，基于實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)提出了一種易于使用的容量辨識(shí)方法。2.對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)常用的三元鋰離子電池與磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池由于其電壓特性其狀態(tài)估計(jì)更為困難，而本文正是以磷酸鐵鋰電池為重點(diǎn)研究對(duì)象。3.方法得到了實(shí)車(chē)驗(yàn)證，精度較高。
摘 要 鋰離子電池作為電動(dòng)汽車(chē)的重要部件之一，其健康程度直接影響車(chē)輛的續(xù)航能力、安全性能以及整體運(yùn)行效率。其中，容量作為描述電池健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，實(shí)車(chē)條件下的準(zhǔn)確估計(jì)是一個(gè)難題。為此，本文提出一種結(jié)合安時(shí)積分與等效電路模型，將容量作為待辨識(shí)參數(shù)之一，通過(guò)粒子群優(yōu)化算法以實(shí)現(xiàn)容量辨識(shí)的方法。在此基礎(chǔ)上，聚焦于磷酸鐵鋰電池的電壓特殊性，提出了一種面向慢充工況的特異性?xún)?yōu)化方法，以解決容量辨識(shí)過(guò)程中模型端電壓擬合較差的問(wèn)題,主要通過(guò)截取充電末期電壓片段與使用雙維度目標(biāo)函數(shù)兩種方法實(shí)現(xiàn)。本文基于兩款搭載磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型進(jìn)行了精度驗(yàn)證。鑒于實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)缺乏容量標(biāo)簽，本文首先基于靜置充電片段計(jì)算容量作為標(biāo)簽值。由于標(biāo)簽數(shù)量不足，又采用小里程下的標(biāo)稱(chēng)容量作為標(biāo)簽，通過(guò)這兩種方法進(jìn)行精度驗(yàn)證。結(jié)果顯示，兩款車(chē)型的平均絕對(duì)百分比誤差分別為2.33%和3.38%，表明該方法具有較高的精度與適用性，為實(shí)車(chē)容量估計(jì)提供了一種思路與方法。
關(guān)鍵詞 電動(dòng)汽車(chē)；實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)；容量估計(jì)；磷酸鐵鋰電池
隨著零碳目標(biāo)的推進(jìn)、新能源汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展，鋰離子電池作為一種動(dòng)力與儲(chǔ)能元件得到了廣泛應(yīng)用，其相較于煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源具有可回收、效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。其中，鋰離子電池作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的重要組成部分，會(huì)隨著車(chē)輛的使用逐漸退化，并展現(xiàn)出可用容量減少、內(nèi)阻增大等現(xiàn)象。過(guò)度老化的鋰離子電池易發(fā)生內(nèi)短路、析鋰等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能觸發(fā)熱失控，危及駕駛?cè)说纳?cái)產(chǎn)安全。在這一背景下，鋰離子電池的健康狀態(tài)(state of health，SOH)成為了一個(gè)衡量老化的關(guān)鍵指標(biāo)。SOH不僅反映了鋰離子電池的當(dāng)前性能和未來(lái)使用壽命，而且對(duì)電池的安全管理與維護(hù)至關(guān)重要。因此，準(zhǔn)確評(píng)估鋰離子電池的SOH一直是學(xué)術(shù)領(lǐng)域與工程中關(guān)注的問(wèn)題，有效的SOH評(píng)估有助于電池管理，預(yù)防熱失控。
鋰離子電池的SOH通?；谌萘炕騼?nèi)阻來(lái)定義。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)而言，一般認(rèn)為當(dāng)電池容量相對(duì)其初始標(biāo)稱(chēng)容量下降到80%時(shí)，意味著電池已達(dá)到使用壽命的終點(diǎn)，續(xù)駛里程大大減少。而內(nèi)阻的增加會(huì)直接影響電動(dòng)汽車(chē)的功率輸出，若當(dāng)前內(nèi)阻與初始內(nèi)阻的比值達(dá)到200%，同樣標(biāo)志著電池可能已經(jīng)達(dá)到壽命終點(diǎn)，會(huì)影響車(chē)輛的動(dòng)力性。其中，由于容量直接影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，能夠直觀反映電池的最大輸出能力，使得它成為了研究和應(yīng)用中最常用的SOH指標(biāo)，其單位是安時(shí)(ampere-hour，Ah)。但容量無(wú)法通過(guò)傳感器直接采集獲得，因此容量估計(jì)方法得到了較多的研究與較大發(fā)展，其主要包括：①直接測(cè)量法；②基于模型的方法；③基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。直接測(cè)量法是指直接對(duì)鋰離子電池進(jìn)行容量測(cè)試的方法，容量一般通過(guò)采集電流與時(shí)間的信號(hào)進(jìn)行積分獲得，該方法得到的容量最為準(zhǔn)確，是實(shí)驗(yàn)室中的常用方法，但需要借助測(cè)試平臺(tái)且耗費(fèi)大量時(shí)間，因此難以直接應(yīng)用到實(shí)車(chē)。基于模型的方法包括使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、機(jī)理模型、等效電路模型(equivalent circuit model，ECM)等。Sun等結(jié)合阿侖尼烏斯經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行容量估計(jì)；Chen]結(jié)合雙水箱半機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)容量的估計(jì)與預(yù)測(cè)。其中，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪枪こ讨械某Ｓ梅椒?，但其精度有限。機(jī)理模型，如偽二維模型(pseudo-two-dimensional model，P2D)等具有較為復(fù)雜的方程與參數(shù)，僅在研究與仿真中較為常用，難以應(yīng)用于實(shí)車(chē)。而ECM由于計(jì)算量適中，使其在工程中具有較好的應(yīng)用潛力。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)法是近年來(lái)被廣為研究的方法，如Yang等將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)與雙向長(zhǎng)短期記憶(long short-term memory，LSTM)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電容器剩余使用壽命的估計(jì)與預(yù)測(cè)；Zhao等使用堆疊集成的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)估計(jì)電池的容量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要考慮電池退化的復(fù)雜機(jī)理，可直接建立特征與容量的映射模型。但由于實(shí)車(chē)容量的標(biāo)簽難以獲取，該方法一直沒(méi)有得到有效且廣泛的推廣。綜上所述，3種容量估計(jì)方法各有優(yōu)劣，多數(shù)研究雖然展現(xiàn)了較高的精度，但大多基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)車(chē)的容量估計(jì)仍有困難。
目前電動(dòng)汽車(chē)大多搭載三元鋰離子(Li NixCoyMn1-x-yO2，NCM)電池或磷酸鐵鋰(lithium iron phosphate，LFP)電池，其中由于LFP電池具有較高的安全性得到了消費(fèi)者的信賴(lài)。然而，LFP電池特殊的電壓平臺(tái)特性對(duì)電池狀態(tài)的估計(jì)提出了挑戰(zhàn)，這同樣增加了準(zhǔn)確估算其電池容量的難度。為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種基于ECM與粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization，PSO)的實(shí)車(chē)容量辨識(shí)方法，并針對(duì)LFP電池電壓平臺(tái)帶來(lái)辨識(shí)困難問(wèn)題提出了一種特異性?xún)?yōu)化方法，提升了PSO在辨識(shí)容量時(shí)的魯棒性與精度。
1 方法論
1.1 等效電路模型
ECM是使用電阻、電容和電感等電路單元模擬鋰離子電池充放電動(dòng)態(tài)行為的模型，在鋰離子電池狀態(tài)估計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，如電池功率狀態(tài)(state of power，SOP)估計(jì)、荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)估計(jì)。其中一階電阻-電容(RC)模型是最常用的ECM，相較于內(nèi)阻(Rint)模型，其精度更高，而相較于多階RC模型，其計(jì)算量較小，能夠滿(mǎn)足本文中對(duì)容量的辨識(shí)要求。其原理如圖1與式(1)所示，共包含電源、內(nèi)阻、電容多個(gè)模塊。
圖1 一階RC等效電路模型
式中，Uocv為電池開(kāi)路電壓(open-circuit voltage，OCV)；U0為歐姆內(nèi)阻R0引起的極化電壓；U1為極化內(nèi)阻引起的極化電壓；Ut為電池端電壓；I為電流。
極化電壓U1的計(jì)算方法見(jiàn)式(2)～式(3)。
式中，R1為極化內(nèi)阻；C1為極化電容；τ為時(shí)間常數(shù)；R為電阻；C為電容；圖片為復(fù)電壓。
當(dāng)ECM的各項(xiàng)參數(shù)已知時(shí)，便可以通過(guò)式(1)計(jì)算模型的端電壓Ut。
1.2 粒子群優(yōu)化算法
PSO是一種模擬鳥(niǎo)群覓食的尋優(yōu)算法，其通過(guò)種群初始化與迭代的方式不斷更新局部最優(yōu)解與全局最優(yōu)解直至找到最優(yōu)值，其原理如式(4)～式(5)所示。式(4)為粒子的速度更新公式，式(5)為粒子的位置更新公式。
式中，vk+1為k+1時(shí)刻的某粒子速度；w、c1、c2為權(quán)重；r1、r2為隨機(jī)數(shù)；pkpbest為局部最優(yōu)解；xk為k時(shí)刻的粒子位置；pkgbest為全局最優(yōu)解。
1.3 基于PSO-ECM的容量辨識(shí)
由于一階RC模型中并無(wú)容量值，因此還需要建立容量與ECM的聯(lián)系以進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。式(1)中Uocv為電池的OCV，而OCV與SOC具有穩(wěn)定的映射關(guān)系，因此引入安時(shí)積分模型建立ECM與容量的關(guān)系，如式(6)所示。
式中，SOC0為初始SOC值；I為電流；t為時(shí)間；Cap為容量。
則ECM的待辨識(shí)參數(shù)為SOC0、Cap、R0、R1、τ，以上參數(shù)需要設(shè)置合理的待辨識(shí)范圍以幫助PSO進(jìn)行高效尋優(yōu)，其中SOC一般會(huì)作為電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)的關(guān)鍵采集參數(shù)上傳至云端，因此SOC0的待辨識(shí)范圍可取充電起始時(shí)BMS記錄SOC的上下一定范圍的區(qū)間；而容量作為最主要的待辨識(shí)參數(shù)，其范圍選取十分重要，若容量真實(shí)值處于待辨識(shí)范圍之外，計(jì)算的端電壓將會(huì)嚴(yán)重偏離參考值。因此，Cap的參數(shù)范圍通?？梢砸詷?biāo)稱(chēng)容量的1.2倍作為上界，0.7倍作為下界；R0和R1的參數(shù)范圍可通過(guò)計(jì)算后取上下界或經(jīng)驗(yàn)選取；τ的參數(shù)范圍可利用經(jīng)驗(yàn)選取為0~100。以上參數(shù)的設(shè)置僅作為參考，使用時(shí)需要結(jié)合具體的場(chǎng)景，算法辨識(shí)的整體流程，如圖2所示。首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗得到充電片段，再選擇滿(mǎn)足一定條件的充電片段進(jìn)入算法，最后基于PSO-ECM模型辨識(shí)模型參數(shù)，從而獲得容量辨識(shí)值。
圖2 基于PSO-ECM的容量辨識(shí)流程圖
1.4 面向LFP電池慢充工況的特異性?xún)?yōu)化
使用PSO對(duì)ECM的參數(shù)(SOC0、Cap、R0、R1、τ)辨識(shí)時(shí)，需要設(shè)置合理的目標(biāo)函數(shù)，其中模型計(jì)算端電壓與參考端電壓之間的均方根誤差(root mean square error，RMSE)是一種常用的目標(biāo)函數(shù)，可描述為式(9)。
通過(guò)計(jì)算參考端電壓與ECM計(jì)算端電壓的RMSE可以衡量ECM參數(shù)辨識(shí)的準(zhǔn)確度。當(dāng)RMSE足夠小時(shí)，兩條電壓曲線(xiàn)幾乎重合，可認(rèn)為此時(shí)的ECM能夠模擬真實(shí)電池；相反，當(dāng)RMSE較大時(shí)，ECM擬合的效果較差。如圖3所示，為某NCM電池的參考端電壓與ECM模型計(jì)算端電壓圖像，圖3(a)的RMSE較小，模型計(jì)算值貼近真實(shí)值，而圖3(b)的RMSE較大，模型計(jì)算值偏離真實(shí)值。
圖3 ECM模型計(jì)算端電壓與參考端電壓 (a) 擬合程度好；(b) 擬合程度差
相較于圖3中NCM電池的電壓特性，LFP電池的電壓特性更加復(fù)雜。由于其正負(fù)極材料特性的影響，正極磷酸鐵鋰與負(fù)極石墨的相變過(guò)程共同導(dǎo)致了較大范圍的電壓平臺(tái)。而正極的電勢(shì)在充電末期相變過(guò)程結(jié)束后會(huì)快速上升，進(jìn)而導(dǎo)致端電壓的急速抬升。因此，獨(dú)特的電壓特性使得準(zhǔn)確辨識(shí)LFP電池容量更加困難。如圖4(a)所示，為某LFP電池慢充工況下的參考端電壓曲線(xiàn)與ECM計(jì)算端電壓曲線(xiàn)，首先可以觀察到區(qū)域1兩電壓平臺(tái)之間有一個(gè)抬升部分，此處兩條曲線(xiàn)偏離程度較大，ECM擬合程度較差；其次可觀察到區(qū)域2的參考端電壓曲線(xiàn)有急速抬升現(xiàn)象，而ECM計(jì)算端電壓保持較低值。這是由于LFP電池100%SOC時(shí)的開(kāi)路電壓較低(遠(yuǎn)低于上截止電壓)，且慢充過(guò)程電流倍率較小使極化電壓計(jì)算值較小，進(jìn)而導(dǎo)致ECM難以模擬區(qū)域2電壓的急速抬升，使得PSO辨識(shí)時(shí)會(huì)得到較大的電壓RMSE。因此，兩者的影響使得辨識(shí)過(guò)程中整體的RMSE較大，端電壓曲線(xiàn)擬合程度低。此外，由于區(qū)域1的電壓變化范圍較小[如圖4(b)所示,約為3.35~3.38 V]，對(duì)整體的RMSE計(jì)算影響較小，這會(huì)導(dǎo)致盡管區(qū)域1的曲線(xiàn)偏離程度較大，但對(duì)PSO尋優(yōu)過(guò)程的影響不明顯。而區(qū)域2兩條曲線(xiàn)較大的分離會(huì)導(dǎo)致整體較大的RMSE。
圖4 面向LFP電池的特異性?xún)?yōu)化 (a) 特異性?xún)?yōu)化區(qū)域；(b) 電量維度計(jì)算方法
為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種面向搭載LFP電池車(chē)輛慢充工況下的特異性?xún)?yōu)化方法。首先針對(duì)區(qū)域2進(jìn)行了數(shù)據(jù)截取，取100%SOC時(shí)的OCV與充電末期的極化電壓的和作為截取邊界；再針對(duì)區(qū)域1提出了一種雙維度的目標(biāo)函數(shù)，在單電壓維度的基礎(chǔ)上增加了電量維度的RMSE計(jì)算，這使得區(qū)域1的電壓平臺(tái)拐點(diǎn)能夠得到更好擬合，電量的計(jì)算方法如式(10)所示。
式中，Q為充電過(guò)程中的電量，Ah。
值得說(shuō)明的是，圖4(a)描述了在某個(gè)SOC狀態(tài)下，鋰離子電池開(kāi)始充電至充電結(jié)束的電壓隨時(shí)間變化。類(lèi)似的是，圖4(b)的電量-電壓圖描述了這個(gè)過(guò)程的充入電量與電壓的變化關(guān)系：隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，鋰離子電池的電量不斷積累，其端電壓不斷上升。若記電壓維度為y軸方向，電量維度為x軸方向，則可以計(jì)算當(dāng)坐標(biāo)為yi時(shí)，兩條曲線(xiàn)x坐標(biāo)的RMSE，如式(11)所示。
則損失函數(shù)可表示為
式中，α為權(quán)重，用于分配x軸和y軸兩個(gè)維度的RMSE對(duì)PSO尋優(yōu)過(guò)程的影響程度。
圖5展示了Model-2車(chē)型某個(gè)充電片段參考端電壓與ECM計(jì)算端電壓曲線(xiàn)的對(duì)比，可以觀察到優(yōu)化后兩者整體趨勢(shì)更加一致。特別地，對(duì)優(yōu)化區(qū)域2進(jìn)行處理后，觀察到整體RMSE顯著降低。而在優(yōu)化區(qū)域1之后，兩個(gè)電壓曲線(xiàn)在平臺(tái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的吻合度提高。然而需要指出的是，在對(duì)區(qū)域1優(yōu)化后，可能會(huì)導(dǎo)致端電壓的RMSE略有上升。如圖5(c)所示，當(dāng)電壓平臺(tái)拐點(diǎn)擬合度提升時(shí)，尾部反而有些偏離，其原因有兩點(diǎn)：一是為了更好地?cái)M合電壓平臺(tái)拐點(diǎn)，在目標(biāo)函數(shù)中的x軸方向設(shè)置了較大的權(quán)重；其次，本文中實(shí)車(chē)中的參考端電壓在第2個(gè)電壓平臺(tái)仍有一定的上升趨勢(shì)，而實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的OCV-SOC曲線(xiàn)較為平坦，一定程度上也使得優(yōu)化后的端電壓RMSE反而有一定上升。
圖5 某LFP充電片段優(yōu)化前后對(duì)比 (a) 原始曲線(xiàn)；(b) 優(yōu)化區(qū)域2；(c) 優(yōu)化區(qū)域1、2
總體而言，這種優(yōu)化策略顯著降低了整體電壓的RMSE，同時(shí)從兩個(gè)維度影響了PSO的辨識(shí)效果，使其更加全面。在實(shí)際應(yīng)用中，如果發(fā)現(xiàn)單一電壓維度難以準(zhǔn)確擬合，可以考慮采用這種優(yōu)化方法來(lái)提高辨識(shí)精度。但需要說(shuō)明的是，由于快充策略下電流倍率較大，LFP電池的區(qū)域1的拐點(diǎn)將被覆蓋，即不顯示出兩電壓平臺(tái)間的抬升現(xiàn)象，且快充狀態(tài)下極化電壓較大且存在電流切換，電壓可能會(huì)急速上升并存在多次跳變，因此以上的特異性?xún)?yōu)化僅針對(duì)LFP車(chē)輛的慢充工況。
1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)
為了評(píng)價(jià)辨識(shí)容量的精度，本文選取絕對(duì)百分比誤差(absolute percentage error, APE)、平均絕對(duì)百分比誤差(mean absolute percentage error, MAPE)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，如式(13)～式(14)所示。
2 實(shí)車(chē)容量辨識(shí)
2.1 數(shù)據(jù)介紹
本文中使用的車(chē)輛數(shù)據(jù)來(lái)自某云端大數(shù)據(jù)平臺(tái)，包含2款、4輛搭載LFP電池的車(chē)輛，其數(shù)據(jù)采樣精度為10 s。數(shù)據(jù)包含車(chē)輛號(hào)、絕對(duì)時(shí)間戳、單體電壓、電流、溫度、SOC等，記兩車(chē)型為Model-1和Model-2，參數(shù)詳情如表1所示。
表1 參數(shù)詳情
由于該方法需要OCV-SOC關(guān)系曲線(xiàn)，因此需要選用與兩款車(chē)型搭載的LFP電池型號(hào)相同的LFP電池進(jìn)行OCV測(cè)試，其測(cè)試流程如下所示：
①以1/3 C進(jìn)行25 ℃下標(biāo)準(zhǔn)容量測(cè)試獲得標(biāo)稱(chēng)容量C；
②擱置3 h后以1/3 C恒流恒壓充電至上截止電壓，并靜置3 h；
③以1/3 C恒流放電5%SOC的電量(5% C)，并靜置3 h；
④重復(fù)步驟③直至電池放空。
兩款電池的OCV-SOC曲線(xiàn)如圖6所示。
圖6 兩車(chē)型開(kāi)路電壓-荷電狀態(tài)曲線(xiàn)
2.2 結(jié)果分析
如圖7所示，為兩款車(chē)型各兩輛車(chē)的容量辨識(shí)結(jié)果，從4幅圖中可以觀察到車(chē)輛的容量辨識(shí)值均呈現(xiàn)隨著里程增大而減小的趨勢(shì)，其中Model-1兩輛車(chē)6萬(wàn)公里衰減了約15 Ah，Model-2兩輛車(chē)2萬(wàn)公里衰減了約8 Ah，可以說(shuō)明PSO-ECM算法辨識(shí)得到的容量值趨勢(shì)合理，符合鋰離子電池容量的衰減規(guī)律。但可以觀察到，容量辨識(shí)結(jié)果并非穩(wěn)定下降，而是隨著里程變化有一定上下波動(dòng)，甚至有較為嚴(yán)重的離群點(diǎn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有多個(gè)：其一，車(chē)輛本身數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，其受數(shù)據(jù)采樣、傳輸、存儲(chǔ)等多因素影響；其二，數(shù)據(jù)清洗后可能仍存在異常數(shù)據(jù)，如圖8(a)所示的電壓跳變，異常的參考端電壓可能導(dǎo)致PSO辨識(shí)過(guò)程中電壓維度的RMSE計(jì)算值始終較大，使得算法難以尋找到容量的最優(yōu)辨識(shí)值；其三，PSO的尋優(yōu)過(guò)程具有一定的隨機(jī)性，對(duì)單一充電片段進(jìn)行多次容量辨識(shí)也可能產(chǎn)生不同的容量辨識(shí)結(jié)果，如圖8(b)所示，為某個(gè)充電片段10次獨(dú)立辨識(shí)的結(jié)果，其原因是辨識(shí)受到PSO粒子初始化的隨機(jī)性、尋優(yōu)過(guò)程的隨機(jī)性、參數(shù)設(shè)置等多因素的影響，即使在所有參數(shù)都調(diào)至最優(yōu)的情況下，多次辨識(shí)的結(jié)果一般也會(huì)圍繞著真值上下波動(dòng)，但這種不確定性可近似視為高斯噪聲，通?？赏ㄟ^(guò)多次辨識(shí)取均值的方法處理。然而，實(shí)際使用中這種方法可能會(huì)大量消耗計(jì)算資源，因此可考慮如卡爾曼濾波等算法以減少噪聲影響。
圖7 PSO-ECM容量辨識(shí)值隨里程變化圖像 (a)~(b) 車(chē)型Model-1；(c)~(d) 車(chē)型Model-2
圖8 容量辨識(shí)結(jié)果波動(dòng)原因 (a) 異常電壓圖像；(b) 單片段重復(fù)獨(dú)立辨識(shí)結(jié)果
2.3 精度評(píng)價(jià)
圖9 充電前后的去極化過(guò)程
本文基于實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)篩選可用片段的條件為：①充電片段為慢充，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性；②充電片段的起始SOC應(yīng)小于30%，終止SOC大于80%，以盡可能規(guī)避LFP電池電壓平臺(tái)；③前后靜置時(shí)間大于1 h，以滿(mǎn)足去極化的需要。需要說(shuō)明的是，實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)中滿(mǎn)足以上條件的充分靜置片段較少，其中Model-1車(chē)型兩輛車(chē)中僅有3個(gè)可用片段，Model-2車(chē)型無(wú)滿(mǎn)足要求的充電片段。記BMS記錄的SOC初始值與終止值為SOCre1和SOCre2，修正后的SOC為SOCco1和SOCco2，則3段可用片段具體信息如表2所示。
表2 Model-1的3個(gè)可用驗(yàn)證片段誤差
由于滿(mǎn)足充分靜置的片段過(guò)少，考慮增加一組容量驗(yàn)證標(biāo)簽：可以認(rèn)為車(chē)輛行駛里程小于5000 km容量幾乎無(wú)衰減，則能夠以標(biāo)稱(chēng)容量作為標(biāo)簽進(jìn)行驗(yàn)證，記基于該方法的驗(yàn)證標(biāo)簽為L(zhǎng)abel-2。則兩種驗(yàn)證方案的誤差，如圖10所示。由圖10(a)可知，基于PSO-ECM算法在Model-1車(chē)型的最大APE為6.9%、最小APE僅為0.2%、MAPE為2.33%。在Model-2車(chē)型的驗(yàn)證精度，如圖10(b)所示。相較于Model-1車(chē)型其MAPE較大，為3.38%，最大APE為6.10%，但考慮到云端數(shù)據(jù)質(zhì)量、LFP電池特性、PSO辨識(shí)隨機(jī)性等帶來(lái)的影響，精度已經(jīng)能夠基本達(dá)到實(shí)車(chē)容量辨識(shí)的要求。
圖10 兩車(chē)型精度驗(yàn)證 (a) Model-1；(b) Model-2
總的來(lái)說(shuō)，驗(yàn)證結(jié)果表明基于PSO-ECM的容量辨識(shí)方法在兩種LFP電池車(chē)型都具有較高的容量辨識(shí)精度。但值得說(shuō)明的是，由于聚焦于LFP電池的實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)與面向慢充工況下的特異性?xún)?yōu)化，本文僅對(duì)LFP電池車(chē)輛做了精度驗(yàn)證與分析，但該方法對(duì)NCM車(chē)輛具有更好適用性，這是由于NCM電池具有更加簡(jiǎn)單的電壓特性。同時(shí)，若不考慮LFP電池慢充工況的場(chǎng)景，該方法也適用于多階段的快充工況，僅使用電壓維度作為目標(biāo)函數(shù)即可滿(mǎn)足要求。但相較于慢充工況，快充工況下由于電流切換會(huì)使電壓突變，使得PSO辨識(shí)時(shí)的電壓RMSE略有增大，可能會(huì)導(dǎo)致容量辨識(shí)結(jié)果有更大的波動(dòng)。
3 結(jié) 論
聚焦于電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池容量估計(jì)問(wèn)題，本文提出了一種結(jié)合安時(shí)積分模型與ECM的方法，將電池容量作為待辨識(shí)參數(shù)之一引入ECM當(dāng)中，再基于PSO算法辨識(shí)模型參數(shù)。同時(shí)，為了解決LFP電池獨(dú)有的電壓平臺(tái)特性所帶來(lái)的辨識(shí)困難問(wèn)題，提出了一種面向LFP電池慢充工況的特異性?xún)?yōu)化方法，通過(guò)截取充電末期電壓上升片段與使用一種雙維度目標(biāo)函數(shù)以?xún)?yōu)化粒子群算法的尋優(yōu)過(guò)程，降低辨識(shí)過(guò)程中的RMSE值，提升ECM對(duì)電池電壓的擬合程度與算法的辨識(shí)精度與魯棒性。由于實(shí)車(chē)沒(méi)有容量標(biāo)簽，為了進(jìn)行算法的精度驗(yàn)證，分別使用基于靜置的OCV法和里程較小時(shí)使用標(biāo)稱(chēng)容量作為標(biāo)簽的兩種驗(yàn)證方案進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。其中在Model-1車(chē)型上APE低于6.9%、最小APE為0.2%、MAPE為2.33%，在Model-2車(chē)型上APE低于6.10%、最小APE為0.73%、MAPE為3.38%。結(jié)果表明，算法適用于搭載了LFP電池的實(shí)車(chē)容量估計(jì)，且辨識(shí)精度較高、魯棒性較好。綜上所述，本文所提出方法在實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)上得到了應(yīng)用與驗(yàn)證，具有較高的工程應(yīng)用潛力與適用性，其不僅適用于特性更為復(fù)雜的LFP電池，更適用于NCM電池，且適用于不同充電工況。但本文中未詳細(xì)分析溫度對(duì)容量辨識(shí)結(jié)果的影響，這個(gè)課題還需在未來(lái)的研究中做進(jìn)一步推進(jìn)。
