一种小卫星电源系统锂电池SOC在线估计方法

本发明涉及卫星电源管理，具体为一种小卫星电源系统锂电池soc在线估计方法。

背景技术：

1、电源系统是卫星平台的关键分系统之一，负责为卫星提供安全可靠的供电，是卫星在轨稳定运行的基础。蓄电池组作为电源系统的储能装置，多采用以电化学形式储存能量的化学电池，其健康、稳定的工作是电源系统可靠、连续运行的前提。低轨卫星每天周期性地进出地影，因此其电池组面临频繁的充放电过程，在轨工况复杂，一直是能源系统的重点关注对象。

2、锂电池具有自放电率低，循环寿命高，放电倍率高，以及高比能量的优势，在以立方星为代表的小卫星中已得到大量应用。越来越多的商用货架(commercial off theshelf，cots)锂电池产品也得到在轨验证。商用锂电池的大量应用对其在轨管理也提出了更高的要求，而小卫星锂电池soc(state of charge充电状态)是电池工作的核心状态之一，准确快速估计锂电池soc对于电池的健康管理、寿命预测、电源系统充放电管理、卫星精细化在轨任务规划以及安全保护都具有重要的意义。

3、soc作为锂电池的内部参数，无法通过传感器直接测得，只能通过检测电压、电流等利用算法对soc进行估算。当前常用的锂电池soc估计方法及特点描述如下：

4、(1)安时积分法：原理简单，只需对电流进行时间上的积分，但存在较大的累计误差，需要定期修正，而修正方式在空间应用场景下难以实现；

5、(2)开路电压法：使用中需要对电池进行长时间的静置，实际空间应用场景中难以满足该要求；

6、(3)卡尔曼滤波法：具有较好的精度，但是算法要求模型精度高，同时涉及到大量的矩阵运算，收敛速度有受限，难以满足实时性要求；而且小卫星载荷资源有限，难以提供高性能运算资源用于锂电池soc估算；

7、(4)神经网络法：需要大量的样本数据进行训练，计算过程复杂；在小卫星空间应用场景中难以应用；

8、(5)滑模观测器：具有较好的精度以及鲁棒性，但是传统滑模观测器存在符号函数导致易出现抖动问题，虽然可以将符号函数改为sigmoid函数来削弱抖振，但并不能消除，不满足空间应用场景高精度要求。

9、因此，针对小卫星的空间应用场景，有必要寻找一种高精度低运算量的soc实时在线估计方法。

技术实现思路

1、为解决现有锂电池soc估计方法或精度低，或算法资源消耗大、耗时长，难以在小卫星应用场景中使用的问题，本发明提出一种小卫星电源系统锂电池soc在线估计方法。

2、本发明的技术方案为：

3、所述一种小卫星电源系统锂电池soc在线估计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：建立温度依赖双极化等效电路模型作为锂离子电池的等效电路模型，并基于soc定义式建立电池模型的状态空间方程；

5、步骤2：在不同温度和不同soc条件下，进行脉冲放电实验，对温度依赖双极化等效电路模型参数进行辨识，并拟合得到容量与温度的函数关系；

6、步骤3：对步骤1建立的状态空间方程进行处理，将电池状态方程表达为分量形式；利用分量形式电池状态方程，设计得到基于超螺旋滑模的soc观测器，并利用所述soc观测器进行小卫星用锂电池soc在线估计。

7、进一步的，步骤1中，温度依赖双极化等效电路模型中输出端电压vt表达式为：

8、vt＝vocv(soc,t)+v1+v2+ir0(soc,t)

9、其中，i为模型的输入电流；vocv(soc,t)为电池开路电压，与温度以及soc相关，v1，v2为电池浓差极化效应电压与电化学极化效应电压；r0(soc,t)为电池欧姆内阻，与温度以及soc相关。

10、进一步的，步骤1中，浓差极化效应电压v1与电化学极化效应电压v2由基尔霍夫定律描述，表达形式如下：

11、

12、其中，r1(soc,t)为浓差极化效应内阻，c1(soc,t)为浓差极化效应电容，r2(soc,t)为电化学极化效应内阻，c2(soc,t)为电化学极化效应电容，均与温度以及soc相关。

13、进一步的，步骤1中，soc定义的微分形式为：

14、

15、其中，z(t)表示为t时刻的soc，放电电流定义为负，qn(t)代表容量，与温度t相关；进而建立电池模型的状态空间方程为：

16、

17、式中，x＝[v1 v2 z]t，u＝i

18、

19、进一步的，步骤2具体包括以下步骤：

20、步骤2.1：不同温度条件下，恒流放电获取容量；

21、步骤2.2：根据步骤2.1获取不同温度条件下的容量，通过间歇性恒流放电至特定soc，得到特定soc下的电池开路电压；

22、步骤2.3：在特定soc条件下，通过脉冲放电实验辨识得到欧姆内阻r0(soc,t)以及极化效应阻容参数r1(soc,t)，c1(soc,t)，r2(soc,t)，c2(soc,t)，并拟合得到容量与温度的函数关系。

23、进一步的，步骤2.3中辨识的具体过程为：

24、在特定soc条件下，施加脉冲电流进行脉冲放电实验，并根据欧姆内阻参数辨识公式

25、

26、得到电池欧姆内阻r0；其中r01为施加脉冲电流时的欧姆内阻，r02为撤销脉冲电流时的欧姆内阻；ua、ub分别为施加脉冲前、后的电池端电压；uc、ud分别为撤销脉冲前、后的电池端电压；

27、极化效应参数辨识公式为：

28、施加脉冲电流后，电池端电压由于极化效应的响应方程

29、

30、以及撤销脉冲电流后，电池端电压由于极化效应的响应方程

31、

32、其中vocv为步骤2.2得到的电池的开路电压；i为流经电池的输入电流；vt为电池的输出端电压；v1(0)，v2(0)为极化效应rc回路撤销脉冲电流后的初值电压；r11,r21,c11,c21为施加脉冲电流后的极化效应内阻，r12,r22,c12,c22为撤销脉冲电流后的极化效应内阻，通过拟合得到r11,r21,c11,c21以及r12,r22,c12,c22；

33、再根据公式

34、

35、得到的极化效应内阻r1，r2以及极化效应电容c1，c2。

36、进一步的，步骤3中，将电池状态方程表达为分量形式的过程为：

37、将极化效应阻容参数r1(soc,t)，r2(soc,t)，c1(soc,t)，c2(soc,t)表示为简化形式r1，r2，c1，c2；

38、将浓差极化效应电压与电化学极化效应电压之和vp表示为如下形式：

39、

40、其中，rp、cp定义如下：

41、

42、则极化效应电压vp的动态方程改写为如下形式：

43、

44、将容量qn(t)表示为简化形式qn，对电池端电压进一步处理得：

45、

46、从而将电池的状态空间方程可写为如下分量形式：

47、

48、其中，b1＝1/qn+2/cp+r0/(rpcp)，a1＝1/(rpcp)，a2＝1/(qnr0)，b3＝2/cp。

49、进一步的，步骤3中，设计的分量形式的超螺旋滑模观测器为：

50、(1)端电压观测器：

51、

52、其中，k1以及k2为设定系数，sign()为符号函数；为端电压的观测值；为soc观测值对应的电池开路电压；

53、(2)soc观测器：

54、

55、其中，k21以及k22为设定系数，为极化效应电压的观测值；

56、(3)极化效应电压观测器：

57、

58、其中，

59、

60、ep＝∫k22sign(ez)

61、k31以及k32为设定系数，k为开路电压与soc的线性关系系数，

62、有益效果

63、本发明提出了一种小卫星电源系统锂电池soc在线估计方法，建立了温度依赖双极化等效电路模型作为锂离子电池的等效电路模型，能充分考虑温度变化对于锂电池内部参数的影响。并基于soc定义式获取电池模型的状态空间方程。通过不同温度下的脉冲放电实验获取状态方程中参数，优化状态方程中的极化效应表达式，设计基于超螺旋滑模观测器的soc估计算法。通过将温度变化导致的参数变化引入到状态方程中，能够充分的考虑温度对于容量以及内部参数的影响；通过采用超螺旋滑模观测器，能够减少传统滑模的抖动效果。

64、测试结果表明，本发明能够减弱环境温度等对soc估计结果的影响，提升小卫星soc的估计精度，并且运算量小，实时性高，满足小卫星应用场景需求。

65、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。