一种基于大容量储能锂离子电池的电池建模方法

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。

主权项

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：$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{soc}}(k+1)\\ u_s(k+1)\\ u_l(k+1)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& e^{-\frac{\mathrm{\Delta t}}{R_s·C_s}}& 0\\ 0& 0& e^{-\frac{\mathrm{\Delta t}}{R_l·C_l}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{soc}}\left(k\right)\\ u_s\left(k\right)\\ u_l\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\Delta t}}{C_{\mathrm{soc}}}\\ \frac{\mathrm{\Delta t}}{C_s}\\ \frac{\mathrm{\Delta t}}{C_l}\end{array}\right]i_c\left(k\right)---\left(I\right)$u_c(k)=E(u_soc(k))+u_s(k)+u_l(k)+R_i·i_c(k)       （II）式（I）是模型的状态方程，式（II）是模型的输出方程；其中，u_soc(k)、u_s(k)和u_l(k)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_soc(k))为第k时刻电池的电动势，i_c(k)为第k时刻模型的输入量，表示经过电池的电流，u_c(k)为第k时刻模型的输出量，表示电池两端的电压；△t为第k时刻与第k+1时刻的时间间隔，C_soc为反映电池可充放电容量的电容，R_s和C_s为反映极化效应快过程的RC网络参数，R_l和C_l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：C_soc、E(u_soc)、R_s、C_s、R_l、C_l和R_i；（3）定义模型状态空间X(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_c、ω_d和ω_s，任何时刻电池的状态为此三个状态中的一个；ω_c表示电池正在充电，该状态下的模型参数记为ψ_c；ω_d表示电池正在放电，该状态下的模型参数记为ψ_d；ω_s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ψ_s|c，当静置状态的前一状态为放电状态时，则模型参数记为ψ_s|d；（4）定义模型拟合的时间序列T={t₀,t₁,t₂,...,t_n}，T是等间隔的，间隔时间为T_s，在t₀时刻电池拟合采用的模型参数为ψ_t0=(ψ_s|c+ψ_s|d)/2，此后任一时刻t_k的模型参数ψ_tk由前一时刻t_k‑1的模型参数ψ_tk‑1和当前时刻的电池状态决定，关系式为：ψ_tk=η·ψ_tk‑1+(1‑η)·ψ_α上式中，ψ_α为当前时刻的电池状态，ψ_α∈{ψ_c,ψ_d,ψ_s|c,ψ_s|d}，η为权重系数，η∈(0,1)。