基于粒子濾波的鋰離子電池壽命預測

劉丹燁 張玉朋

摘 要：針對傳統(tǒng)方法不能解決鋰離子電池非線性系統(tǒng)剩余壽命預測問題，提出了一種基于粒子濾波算法的電池壽命預測方法。能有效解決非線性問題，準確實現(xiàn)了電池壽命的預測。

關鍵詞：壽命預測；粒子濾波；容量退化；非線性

引言

鋰離子電池壽命受到放電電流、溫度、電池材料等諸多因素的影響，電池的剩余容量是放電電壓、電流、溫度及電池過去的充放電歷史等參數(shù)的復雜函數(shù)，對鋰離子電池的壽命預測是一個非線性預測問題，針對此類問題傳統(tǒng)的預測方法不足以滿足要求，文章提出了一種基于粒子濾波的電池使用壽命的預測方法。

1 鋰離子電池根據(jù)容量衰減為判定的壽命模型

鋰離子電池容量衰減的主要原因是電池負極的副反應引起的。Broussely 等分析了鋰電池在不同電壓、不同溫度下放置時電池容量的衰減情況，如下式所示電池儲存壽命t的模型：

式中：x 表示電池損失的相對容量比；k，n和d為常數(shù)，S，e0和γ分別表示離子電池SEI 膜面積、厚度和電導率。這里所用的模型中只考慮溫度（15～60℃）對電池容量壽命的影響，沒有涉及離子電池的電壓，具有比較大的局限性。

不久前，Liaw等[2]從電池的容量衰減的角度出發(fā)，提出利用ECM等效回路模型來預測電池的儲存壽命。該模型不僅擬合程度高，而且還能模擬出經(jīng)過老化擱置后電池在不同倍率下的放電行為?？梢员硎緸楣剑?/p>

（2）

式中：V0是指放電中的開路電壓，Q（0）是電池的初始容量，從這個公式看出，電池端電壓是放電電流與歐姆接觸R1，電池的電化學反應R2的函數(shù)，其中R1為不變的電池常數(shù)，R2則隨著老化擱置時間出現(xiàn)非線性的變化，擬合公式如下：

R2=a+b（SOC）C+dexp[（1-SOC）C] （3）

式中：a、b、c、d和e都是鋰粒子電池SOC和老化時間t的函數(shù)。對于絕大部分的鋰離子電池，它的容量隨著時間的變化具有很明顯的規(guī)律，利用這個規(guī)律，就可以較好的預測電池壽命。

2 在實驗室條件下進行電池容量的退化實驗（圖1）

隨著充電和放電次數(shù)的增加，粒子電池所儲存的能量在逐漸的減小。這里橫坐標表示充放電循環(huán)次數(shù)k，完成一次充放電為一個循環(huán)?？v坐標為容量數(shù)據(jù)c，這里已歸化處理過了。當容量為0.7時，說明電池達到失效點。

從圖1可以看出，數(shù)據(jù)在k=160點以前，粒子濾波算法主要依靠容量的觀測數(shù)據(jù)，濾波之后得到a，b，c，d的值，預測未來120個k的趨勢。圖中A曲線為實際測量得到的結(jié)果，B曲線為未作任何處理得到的結(jié)果，C曲線是根據(jù)粒子濾波得到的預測曲線?？梢姡Ｗ訛V波預測的結(jié)果基本與真實值吻合。

3 結(jié)束語

文章針對鋰離子電池非線性系統(tǒng)剩余壽命預測問題，提出了基于粒子濾波算法的電池壽命預測方法。研究為復雜噪聲條件下非高斯非線性系統(tǒng)的剩余壽命預測提供了一種切實可行的解決思路，對研究電池非線性壽命預測具有重要的參考價值。

參考文獻

[1]Broussely M，Herreyre S，Biensan P，et al.Aging mechanism in Li ion cells and calendar life predictions [J].J Power Sources，2001，97/98：13-21.

[2]Liaw B Y，Rudolph G J，Ganesan N，et al.Modeling capacity fade in lithium-ion cells [J].J Power Sources，2005，140：157-161.

作者簡介：劉丹燁，女，國網(wǎng)山東無棣縣供電公司運維檢修部，職稱：助理工程師，專業(yè)：電氣工程。