基于粒子濾波的鋰離子電池壽命預測

劉丹燁 張玉朋

摘 要：針對傳統方法不能解決鋰離子電池非線性系統剩余壽命預測問題，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的復雜函數，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，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，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，而且還能模擬出經過老化擱置后電池在不同倍率下的放電行為。可以表示為公式：

（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，其中R1為不變的電池常數，R2則隨著老化擱置時間出現非線性的變化，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。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律，利用這個規律，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次數k，完成一次充放電為一個循環。縱坐標為容量數據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，數據在k=160點以前，粒子濾波算法主要依靠容量的觀測數據，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果，B曲線為未作任何處理得到的結果，C曲線是根據粒子濾波得到的預測曲線。可見，粒子濾波預測的結果基本與真實值吻合。

3 結束語

文章針對鋰離子電池非線性系統剩余壽命預測問題，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，國網山東無棣縣供電公司運維檢修部，職稱：助理工程師，專業：電氣工程。