一种基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及智能电网及锂离子电池技术领域，特别涉及到一种基于大容量储能锂 离子电池的电池建模方法。
【背景技术】
[0002] 近年来随着锂离子电池技术的快速发展，大容量锂离子电池在电网储能上的应用 技术逐渐成熟。在智能电网建设与新能源发电并网的推动下，电网电池储能技术受到了广 泛的关注。与此同时，为了更安全更经济地利用电池进行电网储能，人们对锂离子电池的工 作特性进行了深入的研究。
[0003] 电池模型是反映电池工作特性的重要工具，电池建模在储能系统研究中主要有三 方面的作用：系统仿真分析、状态估计算法研究和电池管理系统（BMS)电路设计。需要针对 所研究的内容确定所采用的电池模型的类型。例如，若研究电池系统的动态响应，需要搭建 具有动态特性的电池模型，若研究电池系统的极化特性，需要搭建包含极化效应元素的电 池模块。在荷电状态（S0C)、健康状态（S0H)和内阻估计算法中，需要根据电池模型确定算 法参数，同时通过模型仿真结果与实验记录数据对比验证算法。在进行电池管理系统电路 设计前，往往要先根据电池的特性进行电路仿真，确定电路参数。由于储能系统电路仿真结 果的真实性与参考价值取决于模型的精度，精确建模有利于开展电路设计的前期工作，对 开发电池管理系统起事半功倍的效果。
[0004] 在电池应用技术中常采用等效电路模型，包括Rint模型、戴维南模型、PNGV模型、 GNL模型及以此衍生的各种新模型。在电动汽车中，因充电时采用专有充电机进行恒流恒压 充电而常将充电特性忽略，因此电池模型也只注重反映电池的放电特性。在储能电站中，电 池组连接能量转换系统（PCS)进行充电和放电，充放电电流或电压不是恒定的，充电与放电 操作可随时切换。而电池在充电与放电过程中，电池内部的化学反应并不相同，外部呈现的 电特性也是不一样的。因此，为了准确反映电池的充电与放电特性，建立基于充放电特性解 耦的电池模型尤为重要。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在解决已有的电池模型存在的技术问题，特别是解决模型难以准确描述 电池充电与放电两个不同过程特性的缺点，且能够提高模型分析的有效性和模型仿真的准 确性。
[0006] 为了实现上述目的，本发明提出了一种基于大容量储能锂离子电池的电池建模方 法，包括以下步骤：
[0007] (1)建立大容量储能锂离子电池的改进型二阶戴维南等效电路模型，列写等效电 路模型的数学表达式如下：
【主权项】
1. 一种基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法，包括以下步骤： (1) 建立大容量储能锂离子电池的改进型二阶戴维南等效电路模型，列写等效电路模 型的数学表达式如下：
uc(k) =E(usoc(k)) +Us(k) +U1 (k) +Ri · ic(k) (II) 式（I)是模型的状态方程，式（II)是模型的输出方程；其中，11_〇〇、113(1〇和111(1〇为第 k时刻模型的三个状态量，分别表示反映电池荷电状态的电容电压、反映极化效应快过程的 电容电压、反映极化效应慢过程的电容电压，E(U stJk))为第k时刻电池的电动势，ijk)为 第k时刻模型的输入量，表不经过电池的电流，ue(k)为第k时刻模型的输出量，表不电池 两端的电压；Λ t为第k时刻与第k+Ι时刻的时间间隔，Cs。。为反映电池可充放电容量的电 容，Rs和C s为反映极化效应快过程的RC网络参数，R1和C1为反映极化效应慢过程的RC网 络参数，R i为电池的欧姆内阻； (2) 通过充放电实验辨识等效电路模型中的参数，包括：CS(K;、E(usJ ApCdC1和Ri ; (3) 定义模型状态空间Χ(ω)，包括充电状态、放电状态和静置状态三个取值，分别记为 ω。、(^和COs，任何时刻电池的状态为此三个状态中的一个；ω。表示电池正在充电，该状态 下的模型参数记为表示电池正在放电，该状态下的模型参数记为V d ;?3表示电池 处于静置状态，电池处于静置状态下，需要进一步判断静置状态的前一状态，当静置状态的 前一状态为充电状态时，则模型参数记为V sl。，当静置状态的前一状态为放电状态时，则模 型参数记为Vs|d ; (4) 定义模型拟合的时间序列T=Itci, h，t2, . . .，tn}，T是等间隔的，间隔时间为Ts，在tQ 时刻电池拟合采用的模型参数为Vttl=(VsJVsld)/2,此后任一时刻t k的模型参数Vtk由 前一时刻的模型参数Vtlrt和当前时刻的电池状态决定，关系式为： Vtk= η * Vtk-1+d-n) · Ψα 上式中，ψα为当前时刻的电池状态，ψα e {ψ。，vd，vsk，vs|d}，η为权重系数， n e (〇, 1)。
2. 根据权利要求1所述的基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法，其特征在于， 所述步骤（2)的方法包括如下步骤： (2-1)定义电池的最高充电电压为Vmax，最低放电电压为Vmin。电池以恒定电流充电至 电压达到Vmax定义为全充状态，电池以恒定电流放电至电压达到Vmin定义为全放状态。电池 从全充状态至全放状态所放出电的数值作为C s。。的数值； (2-2)电池从全放状态开始，以小电流充电至电压达到Vmax，再以小电流放电至电流达 到Vniin，记录整个过程中随时间变化的电池电压u。和反映电池荷电状态的电容电压us。。，得 到基于充电和基于放电的两条11。(11 3。。）关系曲线，取两曲线的中间值作为E(us。。）关系曲 线. -^4 ， (2-3 )电池从全放状态以恒定电流进行"充电-静置-充电"循环实验直至全充状态， 再以恒定电流进行"放电-静置-放电"循环实验直至全放状态，分别将充电静置和放电静 置过程中随时间变化的电压数据提取出来，以时间为自变量X，以电压为因变量y，列写关 系式如下：
上式中，&为静置前的充电或放电电流，L为静置时反映电池荷电状态的电容电压， 采用最小二乘法进行参数拟合，计算得到充电和放电过程的Rs、Cs、Rp C1，将充电静置过程 对应的参数记作Rs，。、Cs，。、I。、C 1,。，将放电静置过程对应的参数记作Rs，d、Cs， d、Rw、Qd; (2-4)根据（2-3)中的循环充放电实验，分别将充电至静置、静置至充电、放电至静置和 静置至放电四个情况下的电压变化量和电流变化量提取出来，电压变化量记作Λ u，电流变 化量记作Λ i，根据以下关系式依次得出上述四种情况下的Ri，分别记作Ri,。3、R i,s。、Riids和 Ri，sd : Ri= Λ u/ Λ i。
3.根据权利要求1所述的基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法，其特征在于： 所述充电状态、放电状态下的模型参数Ψ。、Vd分别为： Ψ c_tCsoc E (usoc) Rs c Cs c Rl c Cl c Ri； cs]? V d_ tCsoc E (usoc) Rs； d Cs； d R1； d C1； d Ri； ds], 所述电池处于静置状态，且静置状态的前一状态为充电状态，则： 以s|c [Csoc E(Usoc) Rs，c Cs，c Ri，c Ci，c Ri，sc]， 所述电池处于静置状态，且静止状态的前一状态为放电状态，则： Ψ s |d_ [Csoc E(Usoc) Rs，d Cs，d R1J C1J RiJd]。
【专利摘要】本发明提出了一种基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法，方法包括建立基于大容量锂离子电池的等效电路模型、在模型的基础上辨识不同状态下的模型参数、根据不同的运行状态选择对应的模型参数以及提出了状态切换时模型参数平滑变化的方法。本发明建立的模型具有能够准确描述电池的充电与放电特性，提高模型拟合的精度、模型分析的有效性以及模型仿真的准确度等优点，能够有效地辅助电池管理系统的设计和高级功能算法的开发。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104657520
【申请号】CN201310576182
【发明人】李相俊, 陆超, 杨代铭, 惠东
【申请人】国家电网公司, 中国电力科学研究院, 国网安徽省电力公司, 清华大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2013年11月18日