一種鋰電池分?jǐn)?shù)階變階等效電路模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種鋰電池分?jǐn)?shù)階變階等效電路模型及其辨識(shí)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染，電動(dòng)汽車應(yīng)運(yùn)而生并已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。 車載動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性至關(guān)重 要，是制約電動(dòng)汽車規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵因素。鋰電池具能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、性價(jià)比好和 單體電壓高等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源之一。精確的電池模型 對(duì)車載動(dòng)力鋰電池的合理設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重要意義，是電池 SOC (荷電狀態(tài)）、SOH (健 康狀態(tài)）估算方法的基礎(chǔ)。
[0003] 然而，建立一個(gè)精確且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電池模型絕非易事，這是因?yàn)殇囯姵貎?nèi)部的化 學(xué)反應(yīng)涉及電能、化學(xué)能、熱能的復(fù)雜轉(zhuǎn)換，具有高度的非線性和不確定性。目前，常用的電 池模型按建模機(jī)理的不同可為以下五類：①電化學(xué)模型、②分析模型、③隨機(jī)模型、④神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)模型和⑤等效電路模型。其中，等效電路模型因其簡(jiǎn)單直觀的形式以及適宜于電氣設(shè) 計(jì)與仿真等優(yōu)點(diǎn)已成為被廣泛運(yùn)用的一種新模型。在等效電路模型中，二階RC模型相比其 他等效電路模型物理意義清晰、模型參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)容易執(zhí)行、參數(shù)辨識(shí)方法系統(tǒng)、模型精度 較高，可以更加準(zhǔn)確、直觀地模擬電池的動(dòng)態(tài)特性。但是，二階RC模型在電池充放電初期和 末期，由于模型階數(shù)較低，存在較大的擬合誤差，不能精確地模擬電池的動(dòng)靜態(tài)特性。增加 RC的串聯(lián)階數(shù)雖然可以提高電池模型的準(zhǔn)確性，能更好的模擬動(dòng)力電池的充放電特性，但 是如果動(dòng)力電池模型的階數(shù)過(guò)高，將不利于獲取模型中的參數(shù)，并且也會(huì)大大增加模型的 計(jì)算量，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)震蕩，所以另一方面也應(yīng)該限制RC的階數(shù)。因此，定結(jié)構(gòu)等效電路 模型難以描述鋰電池兩端陡中間平的非線性電壓特性，不能解決模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性之 間的矛盾。
[0004] 為此，中國(guó)實(shí)用新型專利申請(qǐng)（申請(qǐng)?zhí)?01410185885. 7)和實(shí)用新型（專利號(hào) ZL201420226360. 9)提出了一種基于AIC準(zhǔn)則的變階RC等效電路模型，通過(guò)略微增加模型 的復(fù)雜度，能更加準(zhǔn)確地描述鋰電池兩端陡中間平的非線性電壓特性，誤差在〇. 04V以內(nèi)， 有效解決了模型復(fù)雜度和實(shí)用性之間的矛盾，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但是，該模型是整數(shù)階 的電池模型，模型的切換只能是整數(shù)階的變化，因此模型階數(shù)波動(dòng)大，不符合自然界中漸變 的發(fā)展規(guī)律，因此模型精度受到很大的限制。事實(shí)上，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜， 包括導(dǎo)電離子轉(zhuǎn)移、內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)、充放電遲滯效應(yīng)以及濃差擴(kuò)散效應(yīng)等，表現(xiàn)出較強(qiáng)的 非線性特性，更適合用分?jǐn)?shù)階模型來(lái)模擬。對(duì)比整數(shù)階模型，分?jǐn)?shù)階電池模型在設(shè)計(jì)上具 有更多的自由度、更大的柔性和新意。同時(shí)，它們的引入也增加了許多新的現(xiàn)象和規(guī)律，具 有常規(guī)整數(shù)階電池模型無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)越。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種鋰電池分?jǐn)?shù)階變階等效電路 模型及其辨識(shí)方法，根據(jù)鋰離子電池的電化學(xué)反應(yīng)原理，傳統(tǒng)二階RC等效電路模型使用兩 個(gè)整數(shù)階的RC網(wǎng)絡(luò)描述電池的極化效應(yīng)和濃差效應(yīng)，本實(shí)用新型將模型的兩個(gè)整數(shù)階RC 網(wǎng)絡(luò)推廣到非整數(shù)階（分?jǐn)?shù)階），并基于最小二乘法辨識(shí)不同SOC處的模型參數(shù)和階次，從 而獲得了一個(gè)根據(jù)SOC變階的分?jǐn)?shù)階等效電路模型。分?jǐn)?shù)階的引入實(shí)現(xiàn)了模型階數(shù)的連續(xù) 變化，使得模型更加穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性能更優(yōu)、精度更高。由于增加了分?jǐn)?shù)階變階參數(shù)，模型獲 得了更多的自由度、更大的柔性和新意。該模型是在傳統(tǒng)二階RC模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，并 未增加模型RC網(wǎng)絡(luò)的個(gè)數(shù)，有效解決了模型精度和簡(jiǎn)便性之間的矛盾，具有較高的實(shí)用價(jià) 值。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的具體方案如下：
[0007] 一種鋰電池分?jǐn)?shù)階變階等效電路模型，包括運(yùn)行時(shí)間電路及電池 I-V特性電路， 所述運(yùn)行時(shí)間電路及電池 I-V特性電路通過(guò)電流控制電流源及電壓控制電壓源進(jìn)行信號(hào) 傳輸；所述運(yùn)行時(shí)間電路包括電池的自放電電阻Rd及電容C Q，電阻Rd與電容C Q并聯(lián)在電流 控制電流源的兩端，電流控制電流源的一端接地；所述電池 I-V特性電路的電壓控制電壓 源的正極端與兩個(gè)相并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)支路的一端相連，負(fù)極端與電池模型的負(fù)極端相連，所 述兩個(gè)相并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)支路的每一個(gè)支路均包括兩個(gè)相串聯(lián)的分?jǐn)?shù)階RC回路和一個(gè)內(nèi)阻 R。，所述兩個(gè)相并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)支路的另一端與電池模型的正極端相連。
[0008] 所述電池 I-V特性電路中兩個(gè)相并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)支路中，放電支路包括依次串聯(lián)的 二極管Dd、分?jǐn)?shù)階電容FOE ld與電阻R ld組成的分?jǐn)?shù)階RC回路、分?jǐn)?shù)階電容FOE 2d與電阻R 2d 組成的分?jǐn)?shù)階RC回路及電阻Rtjd;
[0009] 充電支路包括依次串聯(lián)的反接二極管Dd、分?jǐn)?shù)階電容FOE1。與電阻R i。組成的分?jǐn)?shù) 階RC回路、分?jǐn)?shù)階電容FOE2。與電阻R 2。組成的分?jǐn)?shù)階RC回路及電阻R。。。
[0010] 所述運(yùn)行時(shí)間電路和I-V特性電路通過(guò)一個(gè)電流控制電流源及電壓控制電壓源 建立聯(lián)系，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充放電時(shí)，負(fù)載電流i bat通過(guò)電流控制電流源對(duì)電容C (3進(jìn)行充放 電，改變Cq存儲(chǔ)的電量，表征電池 SOC的變化，（^兩端電壓OCV也隨之變化，I-V特性電路 的受控電壓源OCV隨SOC的變化而變化。
[0011] 所述電容Cq表示電池的可用容量，Cq= 3600 · Ca1i* · f2，其中，Ca1i為用安時(shí)為 單位的電池容量，4和f2分別是電池循環(huán)壽命和溫度的修正因子。
[0012] 所述電流控制電流源的電流為電池的端電流ibat，當(dāng)電池進(jìn)行充放電時(shí)負(fù)載電流 ibat通過(guò)電流控制電流源對(duì)電容C Q進(jìn)行充放電，改變電容C Q中存儲(chǔ)的電量，從而表征電池 SOC的變化。
[0013] 所述電流控制電流源的兩端的電壓為電池開(kāi)路電壓0CV。
[0014] 兩個(gè)相并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)支路分別是RC網(wǎng)絡(luò)放電支路和RC網(wǎng)絡(luò)充電支路，兩個(gè)RC 網(wǎng)絡(luò)支路中的電容均為分?jǐn)?shù)階電容。
[0015] 所述RC網(wǎng)絡(luò)放電支路分?jǐn)?shù)階元件FOEl