一种锂离子电池功率输入电热耦合模型建立方法与流程

本发明属于电池管理技术领域，涉及一种锂离子电池功率输入电热耦合模型建立方法。

背景技术：

电池模型是新能源汽车动力总成系统仿真模型的重要组成部分，电池模型能否准确体现电池动态响应决定了动力总成系统仿真模型的精度以及控制策略的合理性。

锂离子电池电特性、热特性相互耦合：电池温度会引起电池容量、内阻等电气参数变化，从而影响电池的电气动态响应；电池充放电电流、开路电压、电容及电阻等电气参数变化会改变电池生热率，进而影响电池的温度变化情况。现阶段新能源汽车动力总成系统仿真模型中的电池模型大多为内阻模型，而内阻模型并不能体现电池极化现象，也未考虑到电池电热耦合特性，因此内阻模型误差较大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池功率输入电热耦合模型建立方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种锂离子电池功率输入电热耦合模型建立方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：构建锂离子电池功率输入等效电路模型；

步骤2：模型的参数辨识；

步骤3：基于matlab/simulink仿真平台搭建功率输入电热耦合模型，在动态工况下模型精度验证；

步骤4：将功率输入电池耦合模型应用于新能源汽车动力总成系统仿真模型。

可选的，所述步骤1具体为：

步骤1.1：锂离子电池功率输入2-rc等效电路模型

假设电池输入/输出功率能时刻满足功率需求，将需求功率取代电流作为模型的输入；

其中，p表示模型的输入，即外电路的需求功率，单位为w；

vt表示端电压，单位为v；

i表示电流，单位为a，以充电方向为正方向；

ocv表示开路电压，受soc和温度的影响，单位为v；

r、r1和r2分别为受soc、温度与电流方向影响的欧姆内阻和两个极化内阻，单位为ω；

c1和c2则是考虑、温度与电流方向变化的极化电容，单位为f；

v1和v2表示极化电压，单位为v；

需求功率为：

p＝vti＝(ocv+ri+v1+v2)i(1)

端电压为：

vt＝ocv+ri+v1+v2(2)

根据基尔霍夫定律，两个极化电压分别表示为：

式中：为v1的变化率；为v2的变化率；

电池的soc与电池的可用容量和充放电有关，表示为：

式中：soc(t)为soc在t时刻的值；soc(t0)为soc的在t时刻的值；q为最大可用容量；

电模型中待识别的参数为：

θe＝[r1r2c1c2rocvq](6)；

步骤1.2：锂离子电池热模型

在搭建热模型之前，先提出生热率模型：

式中：qre为电池生热率，单位为w；为温熵系数，单位为v/k；t为温度，单位为k；

锂离子电池热模型为集总参数热网络模型，为简化模型，做出如下假设：

(1)电池热物性参数为定值；

(2)忽略辐射与电池内部对流；

(3)电池均匀生热；

(4)铝制电池外壳导热系数高，温度分布均匀；

cc与cs分别对应电池内部介质热容与壳体热容，单位为j/k；ri与r0分别表示电池的内部至表面的热阻与电池表面至环境介质的热阻，单位为k/w；tamb、ts和tin分别表示环境温度、电池表面温度和电池内部温度，单位为k；

热模型由式(8)表示：

令：

则式(8)转变为：

将式(10)进行拉普拉斯变换得：

对式(11)进行整理得：

热模型待识别的参数为：

在生热率已知的条件下，由式(13)估算出电池内部和表面温度，即实现电池表面温度与核心温度的在线估计；

步骤1.3：耦合原理

电热耦合模型的子模型通过生热率模型与温度进行耦合；功率输入2-rc等效电路模型根据需求功率以及现阶段温度输出出电池开路电压、电流、内阻以及电容参数至生热率模型，生热率模型根据参数以及温度计算出电池生热率；集总参数热网络模型则根据电池生热率估计电池核心与表面温度，电池平均温度反馈至电模型与生热率模型，如此实现闭环耦合。

可选的，所述步骤2具体为：

步骤2.1：电模型参数辨识

在5℃、15℃、25℃、35℃、45℃五个温度下对某款18650电池进行各项测试，得到电流、电压数据以辨识不同温度下的电模型参数；通过双脉冲测试结果来辨识不同环境温度与soc下的ocv；通过静态容量测试数据来获取不同环境温度下的电池容量；通过混合脉冲功率性能测试数据来识别不同环境温度与soc条件下的欧姆内阻、极化内阻以及极化电容；

步骤2.2：热模型参数辨识

热模型参数辨识包括温熵系数的辨识与热物性参数的辨识；

通过直接测量法获取不同soc条件下的温熵系数；

在热物性参数辨识之前，分别在某款18650电池内部以及表面的轴向中心位置布置内置式与外置式热电偶，以获取电池内外温度变化情况；1.5c倍率的脉冲充放电工况下，通过热电偶获取的电池内外温度变化数据，基于最小二乘法离线辨识热模型热物性参数。

可选的，所述步骤3具体为：

对某款18650电池进行动态工况测试，记录该电池动态工况测试数据，包括负载功率、电压、电流、电池表面温度与内部温度，基于matlab/simulink仿真平台搭建功率输入电热耦合模型，验证动态工况下的模型精度。

可选的，所述步骤4具体为：

多个单体电池串并联成电池组以满足汽车的电压、容量要求以及功率需求，为将提出的模型应用于新能源汽车动力总成系统仿真模型，需要根据电池组内电池串并联方式确定电池组模型与其他模型的输入输出接口；

假设电池组内各电池电热参数一致，若某款新能源汽车电池组串并联方式为n串m并；电池组模型输入为电池组功率需求pp，则单体电池功率需求为：

以单体电池功率需求作为锂离子电池功率输入电热模型的输入，模型即输出单体电池电压、电流、soc以及电池内外温度；

则电池组模型输出的电池组电流为：

ip＝i·m(15)

电池组模型输出的电池组端电压为：

vp＝vt·n(16)

由于电池组内各电池电热参数一致，则电池组模型soc和温度与单体电池模型一致。

本发明的有益效果在于：本发明给出的功率输入锂离子电池电热耦合模型能准确描述电池动态响应，将其应用于新能源汽车动力总成系统模型，对于提高新能源汽车动力总成系统模型精度以及控制策略合理性有重要意义。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为锂离子电池功率输入2-rc等效电路模型；

图2为锂离子电池集总参数热网络模型；

图3为锂离子电池功率输入电热耦合模型原理。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种锂离子电池功率输入电热耦合模型及其建立方法和应用，主要包括以下步骤：

步骤1：构建锂离子电池功率输入等效电路模型；

步骤2：模型的参数辨识；

步骤3：基于matlab/simulink仿真平台搭建功率输入电热耦合模型，在动态工况下模型精度验证。

步骤4：将功率输入电池耦合模型应用于新能源汽车动力总成系统仿真模型。

步骤11.1锂离子电池功率输入2-rc等效电路模型

假设电池输入/输出功率能时刻满足功率需求，将需求功率取代电流作为模型的输入，模型示意如图1所示。

其中，p表示模型的输入，即外电路的需求功率(w)；vt表示端电压(v)；i表示电流(a)(以充电方向为正方向)；ocv表示开路电压，受soc和温度的影响(v)；r,r1和r2分别为受soc、温度与电流方向影响的欧姆内阻和两个极化内阻(ω)；c1和c2则是考虑、温度与电流方向变化的极化电容(f)；v1和v2表示极化电压(v)。

所以有需求功率：

p＝vti＝(ocv+ri+v1+v2)i(1)

端电压为：

vt＝ocv+ri+v1+v2(2)

根据基尔霍夫定律，两个极化电压可以分别表示为：

式中：为v1的变化率；为v2的变化率。

电池的soc与电池的可用容量和充放电有关，可以表示为：

式中：soc(t)为soc在t时刻的值；soc(t0)为soc的在t时刻的值；q则是最大可用容量。

电模型中待识别的参数为：

θe＝[r1r2c1c2rocvq](6)

1.2锂离子电池热模型

在搭建热模型之前，要先提出生热率模型。本发明基于bernardi生热模型提出适用于2-rc等效电路模型的生热率模型。

式中：qre为电池生热率(w)；为温熵系数(v/k)；t则是温度(k)。

本发明提出的锂离子电池热模型为集总参数热网络模型，为简化模型，需做出如下假设：(1)电池热物性参数为定值；(2)忽略辐射与电池内部对流；(3)电池均匀生热；(4)铝制电池外壳导热系数高，温度分布均匀。热模型原理图如图2所示。

图中，cc与cs分别对应电池内部介质热容与壳体热容(j/k)；ri与r0分别表示电池的内部至表面的热阻与电池表面至环境介质的热阻(k/w)；tamb、ts和tin分别表示环境温度、电池表面温度和电池内部温度(k)。热模型可由式(8)表示：

令：

则式(8)转变为：

将式(10)进行拉普拉斯变换得：

对式(11)进行整理得：

热模型待识别的参数为：

综上所述，在生热率已知的条件下，由式(13)可估算出电池内部和表面温度，即可实现电池表面温度与核心温度的在线估计。

1.3耦合原理

上述内容分别讲述了电热耦合模型的子模型，而二者通过生热率模型与温度进行耦合，具体耦合原理如图3所示。功率输入2-rc等效电路模型根据需求功率以及现阶段温度输出出电池开路电压、电流、内阻以及电容等参数至生热率模型，生热率模型根据这些参数以及温度计算出电池生热率。而集总参数热网络模型则根据电池生热率估计电池核心与表面温度，电池平均温度反馈至电模型与生热率模型，如此实现闭环耦合。

步骤21.电模型参数辨识：

本发明在5℃、15℃、25℃、35℃、45℃五个温度下对某款18650电池进行各项测试，得到电流、电压数据以辨识不同温度下的电模型参数。通过双脉冲测试结果来辨识不同环境温度与soc下的ocv；通过静态容量测试数据来获取不同环境温度下的电池容量；通过混合脉冲功率性能测试数据来识别不同环境温度与soc条件下的欧姆内阻、极化内阻以及极化电容。具体参数辨识过程可参见xu(10.3390/electronics8091012)的参数辨识方法。

2.热模型参数辨识：

热模型参数辨识包括温熵系数的辨识与热物性参数的辨识。

通过直接测量法获取不同soc条件下的温熵系数。

在热物性参数辨识之前，分别在某款18650电池内部以及表面的轴向中心位置布置内置式与外置式热电偶，以获取电池内外温度变化情况。1.5c倍率的脉冲充放电工况下，通过热电偶获取的电池内外温度变化数据，基于最小二乘法离线辨识热模型热物性参数。具体参数辨识过程可参见chen(10.1002/er.5281)的热模型参数辨识方法。

步骤3

对某款18650电池进行动态工况测试，记录该电池动态工况测试数据(负载功率、电压、电流、电池表面温度与内部温度)，基于matlab/simulink仿真平台搭建功率输入电热耦合模型，验证动态工况下的模型精度。

步骤4

多个单体电池串并联成电池组以满足汽车的电压、容量要求以及功率需求，为将本发明提出的模型应用于新能源汽车动力总成系统仿真模型，需要根据电池组内电池串并联方式确定电池组模型与其他模型的输入输出接口。

假设电池组内各电池电热参数一致，若某款新能源汽车电池组串并联方式为n串m并；电池组模型输入为电池组功率需求pp，则单体电池功率需求为：

以单体电池功率需求作为锂离子电池功率输入电热模型的输入，模型即可输出单体电池电压、电流、soc以及电池内外温度。

则电池组模型输出的电池组电流为：

ip＝i·m(15)

电池组模型输出的电池组端电压为：

vp＝vt·n(16)

由于电池组内各电池电热参数一致,则电池组模型soc和温度与单体电池模型一致。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。