一种锂离子电池组复合电化学极化模型的构建方法与流程

文档序号：19062268发布日期：2019-11-06 01:53阅读：360来源：国知局

本发明涉及锂离子电池组的电荷状态估算技术领域，尤其是一种锂离子电池组复合电化学极化模型的构建方法。

背景技术：

动力电池系统是中最重要的组成部分之一，对整机性能及安全性影响很大，锂离子电池凭借优异的性能，成为当前应用最为广泛的机用动力电池；对于锂离子电池来说，不仅需要继续寻找性能优良的电芯材料，还需要电池管理系统(batterymanagementsystem,bms)对其进行管理，以预防某些极限工况下锂离子电池自燃、自爆等危险情况的发生；电池的荷电状态(stateofcharge,soc)估算是bms的基础，其估计精度是判断电池管理系统优劣的重要依据，精确的soc估算有利于电池的充分、合理使用，延长电池的寿命，并提高电池的安全性；精确的锂离子电池模型是提高soc估算精度的前提，因此，电池模型的准确建立是电池管理系统的关键；电池是一个非线性系统，常用的电池模型可以分为电化学模型和等效电路模型两种，电化学模型根据电化学反应机理进行建模，通过数学关系描述电池内部作用通过纯数学描述电池的内部作用来充分描述电池的特性，但传统的纯电化学模型很难模拟电池的动态性能；等效电路模型根据电池的动态特性和工作原理，利用电阻、电容和电压源组成电路网络，建立等效电路模型；然而，对于大多数等效电路模型,开路电压(ocv)是直接测定或在实验中测定估计的几个指定的soc值，故在等效电路模型中，单纯的将ocv作为soc的函数不仅费时费力，甚至容易出错；更糟的是，ocv在多个soc上的离散表示对于卡尔曼滤波或基于卡尔曼滤波的soc估计技术来说并不直观。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的锂离子电池模型因精度不够而导致soc值不能精确估算的问题，提供一种锂离子电池组复合电化学极化模型的构建方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种锂离子电池组复合电化学极化模型的构建方法，包括：

s1，建立锂离子电池组的等效电路模型；

s2，基于基尔霍夫电路定律，构建所述等效电路模型的状态空间方程式；

s3，根据所述等效电路模型的状态空间方程式，计算锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子；

s4，采用最小二乘法求解锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子中需要辨识的参数，利用求解得到的需要辨识的参数计算所述等效电路模型的状态空间方程式中的参数，得到锂离子电池组复合电化学极化模型。

进一步的，所述等效电路模型的组成为：极化电阻rp和极化电容cp构成一阶rc电路；充电内阻rc和放电内阻rd分别反向串联二极管dc和二极管dd后并联，再依次串联一阶rc电路、欧姆内阻ro和锂离子电池组的开路电压uoc；该等效电路模型的闭路电压为ul。

进一步的，所述s2，基于基尔霍夫电路定律，构建所述等效电路模型的状态空间方程式为：

式中，r0为锂离子电池组的欧姆内阻；rp为锂离子电池组的极化电阻；cp为锂离子电池组的极化电容；rcd为锂离子电池组的充放电内阻，在充电时rcd＝rc，在放电时rcd＝rd；k为锂离子电池组的soc估算所处的时刻；ul(k)为锂离子电池组在k时刻的闭路电压；il(k)为锂离子电池组在k时刻的输出电流；up(k)为极化电阻rp两端在k时刻的电压；锂离子电池组的开路电压uoc由nernst模型进行等效，k1、k2、k3为由nernst模型选择的三个常数，soc(k)为锂离子电池组在k时刻的soc估算值；

进一步的，所述步骤s3中，根据所述等效电路模型的状态空间方程式，计算锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子的过程为：

s3-1，将状态空间方程式中极化电阻rp两端在k时刻的电压up(k)的微分式子，以一阶向后差分代替，得到up(k)的离散化等效微分式子：

式中，up(k)和up(k-1)分别为极化电阻rp两端在k时刻和k-1时刻的电压，t为锂离子电池组参数检测周期，也就是信号采样时间间隔；

s3-2，结合等效up(k)的微分式子以及up(k)的离散化等效微分公式，得到极化电阻rp两端在k时刻的电压up(k)的离散式子：

式中，il(k)和il(k-1)分别为锂离子电池组在k时刻和k-1时刻的输出电流；

s3-3，将极化电阻rp两端在k时刻的电压up(k)的离散式子代入所述状态空间方程式，得到锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子：

ul(k)＝a1+a2ul(k-1)+a3ln(soc(k))+a4ln(1-soc(k))+a5il(k)+a6il(k-1)

式中，需要辨识的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6的展开形式如下：

进一步的，所述步骤s4中，采用最小二乘法求解锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子中需要辨识的参数，利用求解得到的需要辨识的参数计算所述等效电路模型的状态空间方程式中的参数，得到锂离子电池组复合电化学极化模型的过程为：

s4-1，将锂离子电池组在k时刻的闭路电压ul(k)的离散式子看成一个由自变量和因变量组成的六元素集合，每个元素中包含n个单元，n＝1,2,3,…,k：

{ul(k)ul(k-1)soc(k)soc(k-1)il(k)il(k-1)}

其中，因变量的矩阵为：y＝[ul(1)ul(2)…ul(n)]^t；自变量的矩阵为：x＝[β(1)β(2)…β(n)]^t；

s4-2，根据ul(k)的离散式子可得：

β(k)＝[1ul(k-1)ln(soc(k))ln(1-soc(k))il(k)il(k-1)]

则有需要辨识的参数矩阵：a＝[a1a2a3a4a5a6]^t；

s4-3，采用最小二乘法估算，求解需要辨识的参数矩阵a＝(x^tx)^-1x^ty＝x^-1y，可以得到需要辨识的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6；

s4-4，根据需要辨识的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6的展开形式进一步变形得到等效电路模型的状态空间方程式中的参数计算式子：

将求解得到的需要辨识的参数a1、a2、a3、a4、a5、a6代入所述等效电路模型的状态空间方程式中的参数计算式子，将计算结果代入等效电路模型的状态空间方程式中，得到锂离子电池组复合电化学极化模型。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明综合考虑锂离子电池组的表征准确度和计算复杂度，结合不同等效电路模型的优点，使用电化学与等效电路结合的方式提出并构建了锂离子电池组复合电化学极化模型；所提出的锂离子电池组复合电化学极化模型通过对成组级联的锂离子电池组内部不同效应的模拟，实现锂离子电池组工况和工作过程的准确数学表达；并给出了基于锂离子电池组复合电化学极化模型的基于最小二乘法的锂离子电池参数辨识方法；为电化学模型与等效电路模型在电池管理中的联合应用提供了有益的参考与借鉴。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的锂离子电池组复合电化学极化模型的构建方法的流程框图。

图2为本发明的锂离子电池组的等效电路模型原理图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本实施例提供的一种锂离子电池组复合电化学极化模型(splice-electrochemicalpolarizationmodel，s-epm模型)的构建方法，如图1所示，包括：

s1，建立锂离子电池组的等效电路模型；如图2所示，所述等效电路模型的组成为：极化电阻rp和极化电容cp构成一阶rc电路；充电内阻rc和放电内阻rd分别反向串联二极管dc和二极管dd后并联，再依次串联一阶rc电路、欧姆内阻ro和锂离子电池组的开路电压uoc；该等效电路模型的闭路电压为ul。

s2，基于基尔霍夫电路定律，构建所述等效电路模型的状态空间方程式：

式中，r0为锂离子电池组的欧姆内阻，可以表征锂离子电池组在充放电过程中欧姆效应引起的正负极两端电压降；rp为锂离子电池组的极化电阻，cp为锂离子电池组的极化电容，rp和cp构成的一阶rc电路表征锂离子电池组充放电过程中的松弛效应，进而实现对锂离子电池组瞬态响应的表达；rcd为锂离子电池组的充放电内阻，在充电时rcd＝rc，在放电时rcd＝rd；k为锂离子电池组的soc估算所处的时刻；ul(k)为锂离子电池组在k时刻的闭路电压；il(k)为锂离子电池组在k时刻的输出电流；up(k)为极化电阻rp两端在k时刻的电压；锂离子电池组的开路电压uoc由nernst模型进行等效，nernst模型能够在锂离子电池组的整个充放电过程中提供较好的拟合效果，k1、k2、k3为由nernst模型选择的三个常数，可以由锂离子电池组成组工作所处于的特殊工作情况，通过不同组合测试确定；soc(k)为锂离子电池组在k时刻的soc估算值。