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一、作者信息及文章摘要

2022年，北京理工大學 Peipei Xu博士開發(fā)了一種基于LFP電池的膨脹力曲線來預(yù)估電池SOC的方法，經(jīng)過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，在電池不同的工況條件下，膨脹力對SOC的變化比電壓更加敏感，因此本文提出膨脹力估計SOC的方法，首先采用LSSVM方法搭建膨脹力模型，可解決膨脹力與SOC的非單調(diào)變化問題，再結(jié)合浮動窗口法提升模型的適用性以及預(yù)估精度，最終所提出的SOC估計方法可實現(xiàn)預(yù)估電池不同環(huán)境溫度以及不同預(yù)緊力條件下的預(yù)估誤差在1%~0.54%之間，這是一種新穎的LFP電池的SOC估計方法。

二、試驗方案

1.本實驗中采用的LFP電池的信息如下表所示：

表1：電池信息

2.測試設(shè)備和流程：原位膨脹測試儀（IEST-SWE2100）和充放電設(shè)備(CT-8002-5V100A-NTFA)。如下圖所示：

圖1.膨脹力測試設(shè)備

圖2.電池測試流程

三、結(jié)果分析

圖3為1/25C倍率條件下得到的電壓曲線和膨脹力變化曲線，從圖中可明顯看到電壓曲線在27%~94%SOC存在一個電壓平臺，此時電壓變化僅0.07V，然而在此區(qū)間的膨脹力變化卻非常明顯，這個階段的膨脹力變化主要是由于負極石墨從LiC12到LiC6的相變引起的，說明采用膨脹力預(yù)估SOC是很有前景的，但是又看到此區(qū)間內(nèi)的膨脹力變化是非單調(diào)性的，因此它也會為預(yù)估的準確性帶來挑戰(zhàn)。

圖3. 準靜態(tài)條件下的電壓和膨脹力隨SOC的變化圖

為了驗證SOC預(yù)估模型，開展了在兩個動態(tài)工況（NEDC和DST）下，施加不同預(yù)緊力（15kg和30kg）和不同測試溫度(25℃和45℃)的膨脹力實驗。如圖4，結(jié)果顯示，在20%~90%SOC依舊存在明顯的電壓平臺，且膨脹力的變化趨勢與恒定電流充電模式下類似，說明膨脹力對電流的動態(tài)變化并不敏感，而對SOC的變化很敏感，這主要是是因為電壓依賴電極表面離子濃度的變化，而膨脹力是受電極體相離子濃度的變化。另外，電池的膨脹力會顯著隨預(yù)緊力的增加而增加，因此在電池模組設(shè)計中要重點關(guān)注預(yù)緊力的大小。

圖4.NEDC和DST循環(huán)工況下的膨脹力和電流電壓曲線圖

接下來，作者建立了LSSVM模型，并對其不斷訓練優(yōu)化，結(jié)合AUKF進行SOC預(yù)估，可實現(xiàn)對不同溫度、不同電流動態(tài)工況、不同預(yù)緊力的SOC預(yù)估。

圖5.基于AUKF和LSSVM預(yù)估SOC的流程圖

四、總結(jié)

本文作者介紹了一種新型的利用膨脹力估計LFP電池的SOC的方法，基于LSSVM和AUKF算法，可實現(xiàn)估計誤差小于1%，并適用于不同的溫度、動態(tài)電流和預(yù)緊力的工況條件。未來該方法有望拓展到其他電池體系，也可進一步對不同SOH和低溫條件下的電池建立SOC預(yù)估模型。

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1.恒壓力條件測試電池膨脹厚度曲線；

2.恒間隙條件下測試電池膨脹力曲線；

3.電池壓縮性能測試：應(yīng)力應(yīng)變曲線-壓縮模量；

4.電池膨脹力分步測試；

5.不同溫度控制：-20~80℃。

文獻原文

A syncretic state-of-charge estimator for LiFePO4 batteries leveraging expansion force. Journal of Energy Storage, 50 (2022) 104559.