基于aic准则的变阶数rc等效电路模型及实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型及实现方法，该模型选取RC模型为基础模型，基于AIC准则在不同SOC处充分权衡模型的复杂度和精确性，确定每个SOC处的最优RC阶数，并通过控制切换开关实现变阶数的RC模型，以尽量简洁的模型结构在所有工作范围内精确模拟动力电池的动静态特性，易于工程实现且精度高，达到了模型复杂度和准确性的综合最优。本发明能够很好地模拟电池的动静态特性，并且适用于动力电池的恒流充放电、脉冲充放电和UDDS循环工况。
【专利说明】基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型及实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型及实现方法。
【背景技术】
[0002]能源危机、环境污染以及能源安全等诸多因素再一次将电动汽车推上历史舞台，已成为全世界关注的焦点。我国也将电动汽车产业列为重点发展的新型战略产业，希望通过发展电动汽车来促进我国汽车产业的结构调整和技术进步，最终实现汽车产业的“弯道超车”。
[0003]车载动力电池作为电动汽车的关键部件，其性能对整车的动力性、经济性和安全性至关重要，是制约电动汽车规模发展的关键因素。而搭建精确的电池模型对动力电池的合理设计和安全运行具有重要意义，主要体现在:利用模型可以开展电极反应特性的研究，为电极材料、电解液的开发提供帮助；电池模型是电池设计参考的重要手段之一；没有足够精确的动力电池模型，不可能开展电动汽车动力系统的动态特性仿真研究；精确的动力电池模型是设计动力电池监控和管理系统的基础，特别是SOC、SOH估计；是分析大规模电动汽车动力电池接入电网充放电对电网带来的影响的前提。
[0004]然而，电池内部的化学反应是一个对环境敏感并且极其复杂的非线性过程，且具有耦合性、磁滞效应和时变特性。其性能参数易受S0C、电流倍率、温度、寿命及自放电等众多因素的影响，如电池端电压与放电电流成非线性变化、电池可用容量随放电电流增大而减少、电池内阻随电池温度降低而变大等。电池模型发展到现阶段可以按照建模机理的不同划分为以下五种类型:电化学模型、分析模型、随机模型、神经网络模型和等效电路模型。但是到目前为止还没有一个在所有工作范围内既能精确地描述电池的动静态特性又结构简单易于工程实现的解析数学模型。换言之，传统的电池模型已不能够在模型复杂度和模型精度上取得折中。具体而言，现有模型的不足主要有:电压源与SOC之间的关系不够明确；某些模型未能反映电池的磁滞效应；有些模型过于简单，不能很好地描述电池的动态特性如电压回弹特性；有些模型过于复杂，精确度虽高，但工程上却难以实现。
[0005]等效电路模型因其简单直观的形式以及适宜于电气设计与仿真等优点已成为被广泛运用的一种新模型。在等效电路模型中，二阶RC模型相比其他等效电路模型物理意义清晰、模型参数辨识试验容易执行、参数辨识方法系统、模型精度较高，可以更加准确、直观地模拟电池的动态特性。但是，二阶RC模型在电池充放电初期和末期，由于模型阶数较低，存在较大的拟合误差，不能精确地模拟电池的动静态特性。增加RC的串联阶数虽然可以提高电池模型的准确性，能更好的模拟动力电池的充放电特性，但是如果动力电池模型的阶数过高，将不利于获取模型中的参数，并且也会大大增加模型的计算量，甚至会导致系统震荡，所以另一方面也应该限制RC的阶数。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决上述问题，提出了一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型及实现方法，该模型选取RC模型为基础模型，基于AIC准则在不同SOC处充分权衡模型的复杂度和精确性，确定每个SOC处的最优RC阶数，并通过控制切换开关实现变阶数的RC模型，以尽量简洁的模型结构在所有工作范围内精确模拟动力电池的动静态特性，达到了模型复杂度和准确性的综合最优，易于工程实现且精度高。
[0007]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，包括运行时间电路和1-V特性电路，其中，1-V特性电路包括两路支路，每个支路包括三组一个电容与一个电阻并联组成的RC回路，且每个支路的两组RC回路并联有切换开关。所述运行时间电路包括电池的自放电电阻Rd、电容Cq和电流控制电流源电路，电阻Rd与电容Cq并联在电流控制电流源的受控源两端,独立电源的一端接地。
[0009]所述1-V特性电路包括欧姆内阻R。、电化学极化内阻R1、电化学极化电容C1、浓差极化内阻R2、浓差极化电容C2、变阶数内阻R3、变阶数电容C3、切换开关Qp S1, Q2, S2和电流控制电流源、电压控制电压源电路，其中:
[0010]电压控制电压源电路的受控源的正极连接两路，一路连接二极管Dd后连接电阻Rld>电阻R2d、电阻R3d、电阻Rtjd后连接电池的正极，一路反接二极管D。后连接电阻Rlc;、电阻R2c>电阻R3。、电阻R。。后连接电池的正极，电容Cld并联在电阻Rld两端，切换开关Q2和电容C2d并联在电阻R2d两端，切换开关Q1和电容C3d并联在电阻R3d两端，电容Clc;并联在电阻札。两端，切换开关S2和电容c2。并联在电阻r2。两端，切换开关S1和电容c3。并联在电阻r3。两端，电压控制电压源电路的受控源正、负极之间的电压为电池开路电压0CV。
[0011]所述运行时间电路和1-V特性电路通过一个流控电流源和一个压控电压源建立联系，当对电池进行充放电时，负载电流ibat通过流控电流源对电容Cq进行充放电，改变Cq存储的电量，表征电池SOC的变化，Cq两端电压OCV也随之变化，1-V特性电路的受控电压源OCV随SOC的变化而变化。
[0012]所述切换开关Qp S1以及Q2、S2都断开时，变阶数RC模型为三阶RC模型；所述切换开关QpS1闭合，Q2、S2断开时，变阶数RC模型为二阶RC模型；所述切换开关QpS1闭合，Q2> S2也闭合时，变阶数RC模型为一阶RC模型。
[0013]所述电容Cq表示电池的可用容量，Cq = 3600 ^frf2，其中，Ca1i为用安时为单位的电池容量，和f2分别是电池循环寿命和温度的修正因子。
[0014]所述电流控制电流源的受控源的电流为电池的端电流ibat，当电池进行充放电时负载电流ibat通过电流控制电流源对电容Cq进行充放电，改变电容Cq中存储的电量，从而表征电池SOC的变化。
[0015]所述电流控制电流源的受控源两端的电压为电池开路电压0CV，所述开路电压OCV与SOC存在非线性关系，具体关系式为:
[0016]
【权利要求】
1.一种基于Aic准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:包括运行时间电路和1-V特性电路，其中，1-V特性电路包括两路支路，每个支路包括三组一个电容与一个电阻并联组成的RC回路，且每个支路的两组RC回路并联有切换开关；所述运行时间电路包括电池的自放电电阻Rd、电容Cq和电流控制电流源电路，电阻Rd与电容Cq并联在电流控制电流源的受控源两端，独立电源的一端接地。
2.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述1-V特性电路包括欧姆内阻凡、电化学极化内阻％、电化学极化电容C1、浓差极化内阻R2、浓差极化电容C2、变阶数内阻R3、变阶数电容C3、切换开关Qp Sp Q2、S2和电流控制电流源、电压控制电压源电路，其中: 电压控制电压源电路的受控源的正极连接两路，一路连接二极管Dd后连接电阻Rld、电阻R2d、电阻R3d、电阻Rtjd后连接电池的正极，一路反接二极管D。后连接电阻Rlc;、电阻R2。、电阻R3。、电阻R。。后连接电池的正极，电容Cld并联在电阻Rld两端，切换开关Q2和电容C2d并联在电阻R2d 两端，切换开关Q1和电容C3d并联在电阻R3d两端，电容Clc;并联在电阻Rlc;两端，切换开关S2和电容C2。并联在电阻R2。两端，切换开关S1和电容C3。并联在电阻R3。两端，电压控制电压源电路的受控源正、负极之间的电压为电池开路电压0CV。
3.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述运行时间电路和1-V特性电路通过一个流控电流源和一个压控电压源建立联系，当对电池进行充放电时，负载电流ibat通过流控电流源对电容Cq进行充放电，改变Cq存储的电量，表征电池SOC的变化，Cq两端电压OCV也随之变化，1-V特性电路的压控电压源OCV随SOC的变化而变化。
4.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述切换开关Q1J1以及02、&都断开时，变阶数RC模型为三阶RC模型；所述切换开关Q1J1闭合，Q2、S2断开时，变阶数RC模型为二阶RC模型；所述切换开关QpS1闭合，Q2、S2也闭合时，变阶数RC模型为一阶RC模型。
5.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述电容Cq表示电池的可用容量，Cq = 3600.Ca1i.f!.f2，CAh为用安时为单位的电池容量，和f2分别是电池循环寿命和温度的修正因子。
6.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述电流控制电流源的受控源的电流为电池的端电流ibat，当电池进行充放电时负载电流ibat通过电流控制电流源对电容Cq进行充放电，改变电容Cq中存储的电量，从而表征电池SOC的变化。
7.如权利要求1所述的一种基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型，其特征是:所述电流控制电流源的受控源两端的电压为电池开路电压0CV，所述开路电压OCV与SOC存在非线性关系，具体关系式为: OCV = CI1 + Ci1 InSOC+%ln(l—SOC) + +",SOC (1〉式中，&1~85为常数，由实验数据基于最小二乘法辨识得到。
8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的基于AIC准则的变阶数RC等效电路模型的实现方法，其特征是:包括以下步骤:1)对电池进行脉冲放电测试，获取不同SOC下电池端电压的零输入响应数据，并分别采用所述一阶、二阶和三阶Re模型，基于最小二乘法进行参数拟合； 2)根据步骤I获得的实验数据，计算不同SOC下不同阶数的RC模型拟合的残差平方和，并计算不同SOC不同模型阶数对应的AIC值； 3)根据AIC的“吝啬原理”，选取最小AIC值作为基准，从而确定每个SOC下模型的最佳RC阶数； 4)在具体SOC下，根据步骤3获得的最优RC阶数，对电池进行参数辨识，获得电池放电方向的欧姆内阻Rtl、电化学极化内阻R1、电化学极化电容C1、浓差极化内阻R2、浓差极化电容C2、变阶数内阻R3、变阶数电容C3以及放电开路电压OCV ； 5)基于最小二乘法辨识开路电压OCV与SOC间的关系。
9.如权利要求8所述的实现方法，其特征是:所述步骤I的具体方法为:以电池放电为例，电池放电结束后，电池模型RC支路的零输入响应可表示为:
10.如权利要求8所述的实现方法，其特征是:所述步骤2的残差平方和RSS可表述为:
【文档编号】G01R31/36GK103926538SQ201410185885
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】张承慧, 商云龙, 崔纳新 申请人:山东大学