[发明专利]一种锂离子蓄电池的温度组合电路模型及其参数识别方法

摘要

一种锂离子蓄电池的温度组合电路模型，它由能量平衡电路和电压响应电路两部分组成，能量平衡电路，用于预测电池的可继续运行时间和荷电状态SOC；电压响应电路，用于模拟电池的瞬态响应，电路中的各元件是变量，根据环境的温度和SOC的变化而不断变化；一种锂离子蓄电池温度组合模型的参数识别方法，它有四大步骤：一、荷电状态与电池开路电压关系识别；二、电池容量与温度关系识别；三、自放电电阻识别；四、内阻和极化参数的识别。本发明逼近蓄电池在不同温度下的真实响应，为电池的状态估算提供指导，具有特征鲜明、构造直观、物理意义明确、各参数方便识别、便于在工程中实现等优点。

主权项

1.一种锂离子蓄电池的温度组合电路模型，其特征在于：它由两部分组成，左半部分为能量平衡电路，用于预测电池的可继续运行时间和荷电状态SOC；右半部分为电压响应电路，用于模拟电池的瞬态响应，电路中的各元件是变量，会根据环境的温度和SOC的变化而不断变化；其中能量平衡电路由电容C(T)、自放电电阻RSd、电流i(t)控制的电流源组成；电容C(T)表示蓄电池的相对容量，它是温度敏感型电容，受环境温度影响大，电容端电压USOC随着负载电流i(t)和自放电电流Id的变化而变化；设定电容电压USOC(t)取值范围为[0，1]，USOC(t)与电池的荷电状态SOC等价，因此对SOC的估算就是对USOC(t)的估算；Rsd为自放电电阻，电池在无负载的情况下，电量会慢慢消失的现象被称为自放电，任何电池都会有不同程度的自放电，用Rsd来表示；电流i(t)控制的电流源表示对电容C(T)的充放电；右半部分的电压响应电路是二阶RC网络，由受控电压源Uoc、二极管、欧姆内阻Ro、极化电阻Ra和Rc、极化电容Ca和Cc组成；受控电压源Uoc是电池的开路电压，表示电池的电动势；其中，Ucoc(soc，T)和Udoc(soc，T)分别表示电池充电开路电压和电池放电开路电压，他们是USOC(t)的函数；电池的内阻包括欧姆内阻和极化内阻；欧姆内阻指电池电极本身的电阻、正负极与隔离层的接触电阻，Rco(soc，T)和Rdo(soc，T)分别表示电池的充电欧姆内阻和放电欧姆内阻；二极管用来选择充放电的通路；极化内阻指电池正负极进行电化学反应时极化所引起的电阻，模型中用二阶RC电路来模拟电池的极化效应，表示电极上的瞬态响应；电池在充放电时，其两端电压呈突变性或渐变性两种情况变化；用模型中的Ro表现电压突变的电阻特性，用Ra和Rc、Ca和Cc表现电压渐变的电容特性；温度组合模型的状态方程(1)和输出方程(2)、(3)：UL(t)＝Ucoc(soc，T)+Ua(t)+Uc(t)+Rco(soc，T)i(t)  (2)UL(t)＝Udoc(soc，T)+Ua(t)+Uc(t)+Rdo(soc，T)i(t)  (3)其中，Ucoc(soc，T)＝f1(USOC(t)，T)代表电池充电开路电压与UsOC(t)和T的非线性关系，Udoc(soc，T)＝f2(USOC(t)，T)代表电池放电开路电压与USOC(t)和T的非线性关系；将温度组合模型的状态方程(1)和输出方程(2)、(3)离散得：UL[k]＝Ucoc[soc，T]+Ua[k]+Uc[k]+Rco[soc，T]i[k]  (5)UL[k]＝Udoc[soc，T]+Ua[k]+Uc[k]+Rdo[soc，T]i[k]  (6)公式中，有5个函数表达式需要识别，分别是C[T[k]]，Ucoc[soc，T]，Udoc[soc，T]，Rco[soc，T]和Rdo[soc，T]，有5个参数需要识别，分别是Rsd，Ra，Ca，Rc和Cc；所述锂离子蓄电池的温度组合电路模型的参数识别方法，具体步骤如下：参数识别过程为：2.1.Uoc为电池的开路电压，是荷电状态的函数，此函数关系利用单体电池测试系统，对电池进行脉冲充放电获得；首先，脉冲充电充电关系曲线Ucoc(soc，T)＝f1(USOC(t)，T)拟合方法如下：2.11.以温度为22℃的数据为依据，拟合SOC与充电开路电压的曲线，为Ucoc(soc)＝f11(soc)；2.12.用‑17℃的实际值减去22℃的实际值，得温度相关误差实际值，利用数据拟合得到关于SOC的OCV温度变化误差曲线OCVErr(soc)；2.13.最终得到公式为利用上面步骤，得到数据；其次，脉冲放电放电关系曲线Udoc(soc，T)＝f2(USOC(t)，T)拟合方法如下：2.14.以温度为22℃的数据为基准，拟合SOC与放电开路电压的曲线，为Udoc(soc)＝f21(soc)；2.15.用‑17℃的实际值减去22℃的实际值，得温度相对误差实际值，利用数据拟合得到关于SOC的OCV温度变化误差曲线OCVErr(soc)2.16.最终得到公式为，利用上面步骤，得到数据；2.2.利用单体电池测试系统，分别在不同温度点，以0.2C的电流，对电池恒流充电至充电上限电压，估算C(T[k])；2.21.分别测量在恒定温度‑10℃，0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，25℃，30℃和40℃下的电池容量，设分别为C(‑10)，C(0)，C(5)，C(10)，C(15)，C(20)，C(25)，C(30)和C(40)；2.22.利用f(T[k])＝C(T[k])/Cn将容量数据变换，得Cf(‑10)，Cf(0)，Cf(0)，Cf(5)，Cf(10)，Cf(15)，Cf(20)，Cf(25)，Cf(30)和Cf(40)；2.23.利用数据集拟合f(T[k])；2.3.自放电电阻Rsd识别过程如下：2.31.将电池充满，测量开路电压Voc1；2.32.将电池静止大于15天，测量开路电压Voc2；2.33.利用公式将Voc1和Voc2变换成相应的荷电状态Vsoc1和Vsoc2；2.34.经过D＝55天测试得到Voc1＝4.040v，Voc2＝4.032v，然后利用变换得，Vsoc1＝0.9306，Vsoc2＝0.9232；则2.4.欧姆内阻Ro识别识别过程如下：首先，充电关系曲线Rco(soc，T)的拟合方法：2.41.以温度为‑17℃的数据为依据，拟合SOC与Ro的曲线，为Rco(soc)＝fco(soc)；2.42.用22℃的实际值减去‑17℃的实际值，得温度相关误差实际值，利用数据拟合得到关于SOC的R0温度变化误差曲线ROErr(soc)2.43.最终得到公式为其次，放电关系曲线Rdo(soc，T)的拟合方法：2.44.以温度为‑17℃的数据为依据，拟合SOC与Ro的曲线为Rdo(soc)＝fdo(soc)；2.45.用22℃的实际值减去‑17℃的实际值，得温度相关误差实际值，利用数据拟合得到关于SOC的Ro温度变化误差曲线ROErr(soc)；2.46.最终得到公式为，2.5.极化参数识别过程如下：设在时间段(t1，t2)，有n个测量数据集合[1，UL[1]]，[2，UL[2]]，…，[n，UL[n]]，利用公式将数据集合映射成[1，U[1]]，[2，U[2]]，…，[n，U[n]]；现在有公式及满足公式的数据集[1，U[1]]，[2，U[2]]，…，[n，U[n]]，利用非线性最小二乘法，对公式中的R_a，C_a，R_c和C_c进行最优化估计；用四个极化参数的数学期望作为最后识别结果，Ra＝0.0032，Ca＝739.36，Rc＝0.0108和Cc＝40987。