1绪论
1.1研究背景
纪录片《穹顶之下》引发全民关注，环境污染再一次成为焦点。影片作者柴静走访了多个污染现场寻找雾霾根源，并奔波于中国、美国、英国寻求空气污染治理的教训与经验，亲自和同伴一起拍摄、剪辑视频。全片从“雾霾是什么？从哪儿来？该怎么办？ ”三个问题切入，深入浅出地向观众讲解了雾霾的危害、产生原因、治理困难以及经验教训，同时解释了国内不少城市雾霾的现状，比如，我国的空气污染60%以上来自煤和油的燃烧，雾霾问题很大程度上是能源问题。我国煤炭消费量在2013年就超过了全世界其他国家用煤量的总和，车的增速也是历史罕见。作为世界上发展最快的发展中国家，我国不得不同时面对数量和质量要求这两大挑战，我国燃煤和燃油存在“消耗量大”、“相对低质”、“前端缺少清洁”、“末端排放缺乏控制”四大问题⑴。
能源是人类生存和社会发展的重要物质基础，文献[2]提出：能源是现代经济社会发展的基础；能源是经济社会发展的重要制约因素；能源安全事关经济安全和国家安全；能源消耗对生态环境的影响日益突出。全球能源基本状态与发展趋势为：世界化石能源储量丰富，各国资源占有分布不均；能源结构走向多元，化石能源仍是消费主体；发达国家能源消费高位徘徊，发展中国家能源需求加快增长；气候变化对能源发展影响加大，低碳和无碳能源成为新热点；国际能源问题政治化倾向明显，非供求因素影响增大。电力在能源中具有特别重要的地位，而文献[3]介绍了储能技术在电力系统中的应用。其列举的电力储能方式包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能、超级电容储能和电池储能，并给出了各储能技术在电力系统中的应用实例。文献[4]对储能技术在微电网中的应用进行了研究。储能技术在微电网中的作用包括：提供短时供电，电力调峰，改善微电网电能质量和提升微电网性能。其比较全面地介绍了各种储能在微电网中的应用研究现状，分别说明了各种储能方式的优点和不足之处，并对各种储能方式的性能指标进行了比较。其中，电池储能被认为是目前微电网中应用最广泛、最有前途的储能方式之一。
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1.2电池储能技术的发展
各种不同储能方式的储能特性均不相同，而电池储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低和灵活方便等优点，成为目前储能技术的发展方向。我们将分别从电池分类、电池充电技术和电池管理技术三个方面介绍电池储能技术的发展。
1.2.1电池分类
1799年，伏特在许多锋片和银片之间垫上浸透盐水的续布，平叠起来成功制成了世界上第一个电池一一伏特电堆，这个电池其实是串联的电池组，它成为早期电学实验和电报机的电力来源。1836年，丹尼尔对伏特电堆进行了改良，他使用稀硫酸作为电解液，制造出第一个不极化、能保持平衡电流的锌一铜电池。I860年，雷克兰士使用锌和萊的合金棒作为电池的负极，以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化猛和碳的混合物作为电池的正极，并插入一根碳棒收集电流。同时，负极棒和正极杯都浸在作为电解液的氯化铵溶液中，因此又被称为湿电池。1880年，负极被改进成锌罐，电解液变为糊状，基本上就是碳锌电池。1887年，赫勒森发明了最早的干电池，由于糊状电解液不会溢漏、便于携带而获得广泛应用。1890年，爱迪生发明了可充电铁镍电池。
铅酸电池：铅酸电池以铅及其氧化物作为电极、以硫酸溶液作为电解液，发展至今已有150多年历史，是最早规模化使用的二次电池。铅酸电池的储能成本低、可靠性好、效率较高，已经在交通、国防、通信、电力等部门广泛应用。但是，铅酸电池的循环寿命短、能量密度低、温度范围窄、充电速度慢、过充电容易放出气体、铅对环境影响大，使其后期发展受到很大的限制。
锂离子电池：锂离子电池电化学能量的存储取决于锂离子在正负极电极材料中的嵌入和脱嵌。早期锂离子电池的发展推动了移动电子设备的发展，但是传统的锂离子电池的安全和成本使其应用局限于移动电子设备，难以在储能系统中大规模应用。近年来，锂离子电池的研发重点是安全、高效、价格低廉的正极材料。憐酸铁锂正极材料的合成，首次从材料上降低了锂离子电池成本，使锂离子电池大规模应用于储能领域成为可能。目前多使用石墨作为锂离子电池的负极材料，石墨容量大、电压高，但其快速充电时可能带来安全隐患，于是开发高比能的金属及其氧化物以替代石墨。国内长寿命、低成本的憐酸铁锂电池的研究和生产发展很快，在电动车储能方面有发展前景。如果解决好系统的安全问题，憐酸铁锂电池也将在电力系统储能方面得到重视。
文献[8]提到，锂离子电池单体输出电压高、工作温度范围宽、比能量高、效率高、自放电率低，已广泛应用于便携式设备。其中，磷酸铁锂电池安全性能好、放电倍率高，在电动汽车和电网储能应用方面备受关注。文献[9]介绍了锂离子电池充放电原理和几种常用的锂离子电池充电方法。如图1-1所示，任何大于充电接受曲线的充电电流都不能提高充电速率，而且会增加析气量；而小于接受曲线的充电电流是电池允许的充电电流，不会对电池造成伤害。如图1-2所示，通过瞬时大电流放电可以消除极化现象，使电池接受充电曲线右移，提高充电效率，缩短充电时间。
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2锂离子电池的基本性能
研究锂离子电池的基本性能，主要从研究锂离子电池的基本原理出发，分析清楚锂离子电池的工作原理及锂离子电池所具有的特点。然后，我们将分别从锂离子电池的容量特性、内阻特性和开路电压等方面理解锂离子电池的基本性能。
2.1锂离子电池的基本原理
2.1.1锂离子电池的工作原理
电池容量是电池性能的重要指标之一，表示在特定放电倍率、放电截止电压和环境温度的条件下，电池所放出的电量，一般以安培.小时为单位（简称安时，以Ah表示)。电池容量取决于电池中活性物质的多少和活性物质的利用率，活性物质的量越多、活性物质的利用率越高，电池容量越大，反之容量越小。影响电池容量的因素很多。
本文根据电池厂家提供的额定放电倍率，在恒流放电的情况下，使用安时积分法测量电池容量。当电压达到电池厂家提供的放电截止电压时，电池放电结束。我们使用0.5C放电倍率作为电池容量的参考和模块测试的标准。
不同放电倍率下，电池放电电压与放出电量的关系如图2-1所示。随着放电倍率的增大，电池放电电压与放出电量的关系曲线近似向下平移。当放电至截止电压2.5V时，0.2C、0.5C和1C放电倍率分别放出的电量为44.61Ah、44.58Ah和44.21Ah。放电倍率越大，电池放出的电量越少，且放出的电量差别并不明显，约在1%以内。
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2.2锂离子电池的容量特性
除了放电倍率和环境温度，还有很多因素能够影响电池容量。比如，放电截止电压越低，电池所放出的电量越多。本文中的放电截止电压由电池生产厂家提供，因此不再考虑放电截止电压对电池容量的影响。再如，电池极板几何面积越大，电池的容量越大。而我们使用某特定电池时，电池尺寸己经确定，因此不再考虑几何尺寸对电池容量的影响。还有诸如电池充放电效率、自放电率以及各种稱合因素，都对电池容量有影响。根据实验经验，我们认为电池充放电效率近似为1，自放电率在短时间内可以不考虑。而各种稱合因素，分析起来很不方便，又不能得令人信服的结果。因此在下文中，我们将重点研究在正常使用工况下，电池充放电循环对电池容量及其他性能的影响。
为了得到电池内阻与环境温度的关系，我们引用[20]中的实验数据。在环境温度为10°C、25°C和40°C条件下，电池放电内阻、放电欧姆内阻和放电极化内阻分别如图2-8、图2-9和图2-10所示；电池充电内阻、充电欧姆内阻和充电极化内阻分别如图2-11、图2-12和图2-13所示。由图2-8?图2-13可知，无论在电池放电过程中还在电池充电过程中，电池内阻、欧姆内阻和极化内阻都随着温度的降低而增大，而且环境温度为25°C和40°C的情况差别不大，环境温度为10℃时差别较明显。对于各环境温度，充电过程中的电池内阻和电池极化内阻的差别比放电过程中的明显，而电池欧姆内阻差别相近。
电池开路电压（OCV)是指没有电流流过，电池达到平衡状态，正极与负极之间的电位差。电池开路电压，因电池正、负极与电解液的材料而异。在电池充电过程中，断电后电池电压将逐渐下降至稳定值；在电池放电过程中，断电后电池电压将逐渐上升至稳定值。电池荷电状态（SOC)是以百分比表示的电池可用容量。对于某一固定的SOC,其所对应的开路电压也是固定的；对于某一固定开路电压，其所对应的SOC也是固定的。因此有很多估计电池SOC的方法都会用到SOC-OCV曲线，提高SOC估计精度就需要更精确的SOC-OCV曲线。下面，我们设计合理的测试方法以获取精确的SOC-OCV曲线。
文献[20]提到两种测试电池SOC-OCV曲线的方法。一是使用相同小倍率（如0.05C)对电池进行恒流充电和放电，取充电与放电电压曲线的中值近似作为SOC-OCV曲线。虽然相同小倍率电流使电池充放电过程的极化电压极小，使两条充放电电压曲线关于开路电压曲线近似对称，但是两条充放电电压曲线并不关于开路电压曲线完全对称，因此这种方法并不常用。另一种方法比较常用，在电池充放电特定的容量后，让电池静置足够长的时间，以得到稳定的开路电压。静置时间不同，得到的开路电压会存在差异。在此我们不讨论电池稳定时间与各种因素的关系，我们使用海霸40Ah锂离子电池单体和恒翼能60V200A充放电测试仪，在室温环境下设计以下测试，以得到准确的SOC-OCV曲线：
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3锂离子电池SOC估计方法..............................25
3.1电池等效电路模型..............................25
4锂离子电池SOC估计校正..............................36
4.1 SOC初值校正..............................36
4.1.1满电校正..............................36
4.1.2 SOC-OCV 曲线校正..............................36
4.1.3其他校正方法..............................37
4.2 SOC估计补偿..............................38
4.2.1充放电效率..............................38
5总结与展望..............................46
5.1研究总结..............................46
5.2工作展望...............................47
4锂离子电池SOC估计校正
为了保证锂离子电池SOC估计的准确性，需要对SOC估计进行校正。我们将分别从电池SOC初值校正、电池SOC估计补偿以及考因素耦合时使用的耦合补偿，并将耦合补偿应用于安时积分法和扩展卡尔曼波法估计电池SOC。
4.1 SOC初值校正
4.1.1满电校正
在锂离子电池工作过程中，如果不对电池SOC估计进行校正，SOC估计误差将越来越大，甚至超出正常的使用范围。研究人员经常使用满电校正对电池SOC估计进行校正，满电校正是指使用标准充电方法将电池充满电时，将此时的SOC校正为100%。同时，有研究人员将电池在某一工况下放完电时，将此时的SOC校正为0%。但是，在电池工作过程中，一般很少将电池完全放电。而使用标准充电方法将电池充满电则比较常见，更容易实现。因此，满电校正是电池SOC估计最常用的方法。
SOC-OCV曲线校正是指利用电池SOC与开路电压的关系校正电池SOC，也是一种常用的电池SOC估计校正方法。文献[20]从开路电压电化学公式及其与极板内锂离子浓度的关系和电池SOC与极板内锂离子浓度的关系两个方面深入分析了 SOC-OCV曲线校正的理论基础，同时证明了 SOC-OCV曲线对相同环境温度和电池SOC能够保持高度一致。文献[20]认为，当电池断电时间较短时无法使用SOC-OCV曲线校正，因此以提高SOC-OCV曲线校正的使频率为出发点，对影响SOC-OCV曲线的充放电工况、电池断电时间和环境温度等影响因素进行分析，得到一簇SOC-OCV曲线和以下结论：在环境温度和电池SOC相同时，充放电得到的SOC-OCV曲线随着断电时间的增长逐渐向充电和放电曲线中心靠拢。但是静置3h后，两曲线的开路电压之间仍然存在一定的距离，下降的充电曲线还是无法与上升的放电曲线重合。
当电池断电时间不足2h时,利用Ih及更少静置时间所得的SOC-OCV曲线可以为此时SOC提供参考，但是这种方法误差较大。在高温环境下，电池开路电压恢复到稳定值需要的时间变短，因此使用断电时间小于2h的SOC-OCV曲线估计电池SOC的误差与低温时相比将有所减小。我们从电池SOC校正的准确度出发，不刻意提高SOC-OCV曲线校正旳频率，使电池断电后有足够长的静置时间，比如静置4h，小于此静置时间则不使用SOC-OCV曲线校正，以上次断电时的SOC作为电池此刻SOC。
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5总结与展望
5.1研究总结
我们以锂离子电池储能应用为目的，对锂离子电池SOC估计进行了研究。我们从锂离子电池的基本性能、锂离子电池的SOC估计和锂离子电池的SOC校正三个方面对锂离子电池的SOC进行了讨论，现在分别总结于下：
在锂离子电池的基本性能一章中，我们首先介绍了锂离子电池的基本原理，然后讨论了锂离子电池的容量特性、锂离子电池的内阻特性和锂离子电池的开路电压。锂离子电池的容量特性可以简单描述为：放电倍率越大，电池放出的电量越少；环境温度越低，电池放出的电量越少；放电截止电压越低，电池放出的电量越多等。锂离子电池的内阻特性可以简单描述为：在电池SOC的中间区域，电池内阻基本不变，在电池SOC的较小区域，剩余电量越少，电池内阻越大；环境温度越低，电池内阻越大。锂离子电池的开路电压可以简单描述为：在电池SOC的中间区域，电池开路电压变化平缓，在电池SOC的两端，电池开路电压与电池SOC呈较好的线性关系；环境温度越低，对应的开路电压越小。
在锂离子电池SOC估计方法一章中，我们首先介绍了锂离子电池等效电路模型，然后讨’论了扩展卡尔曼滤波器，使用基于PNGV等效电路模型的扩展卡尔曼滤波器对锂离子电池SOC进行了估计。在锂离子电池等效电路模型中，重点介绍了 PNGV电池模型、多元线性回归参数估计以及使用多元线性回归辨识PNGV电池模型参数。在扩展卡尔曼滤波器中，重点讨论了扩展卡曼滤波器的原理，以及将扩展卡尔曼滤波用于PNGV模型估计电池SOC的工作过程。最后，设计实验对使用基于PNGV等效电路模型的扩展卡尔曼滤波器估计锂离子电池SOC进行了验证。
在锂离子电池SOC估计校正一章中，我们首先介绍了锂离子电池SOC初值校正，然后讨论了锂离子电池SOC估计补偿，最后重点表达了锂离子电池SOC估计耦合补偿。在锂离子电池SOC初值校正中，重点介绍了满电校正、SOC-OCV曲线校正以及在SOC-OCV曲线校正基础上发展的其他校正方法。在锂离子电池SOC估计补偿中，重点讨论了电池充放电效率、电池可用容量以及环境温度等其他因素对锂离子电池SOC估计的补偿。在锂离子电池SOC估计耦合因素补偿中，首先对影响因素的耦合性进行了分析，然后提出考虑因素耦合的补偿方法，最后将其应用于安时积分法和扩展卡尔曼滤波法估计锂离子电池SOC。
参考文献（略）
参考文献（略）
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