CN103544330B - 锂离子电池的等效电路模型构建方法 - Google Patents

锂离子电池的等效电路模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种锂离子电池的等效电路模型构建方法，包括：选择锂离子电池的初始等效电路模型，初始等效电路模型中具有多个未知参数；选择锂离子电池并对锂离子电池进行测试以得到多组测试数据；分别根据每一组测试数据得到初始等效电路模型的欧姆内阻和开路电压的等效电容；建立初始等效电路模型的仿真模型，并将每一组测试数据输入仿真模型并设定多个未知参数的初始值；通过仿真模型和优化工具箱对多个未知参数进行估计，并在仿真模型的输出电压与所述每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计以得到多个未知参数的最终值。本发明的实施例具有等效电路模型建模速度快，建模计算复杂度低的优点。

Description

锂离子电池的等效电路模型构建方法
技术领域
本发明涉及汽车制造技术领域，特别涉及一种锂离子电池的等效电路模型构建方法。
背景技术
目前，对于纯电动车和混合动力汽车来说，锂离子电池是一种很好的动力源。而建立锂离子电池模型是电动汽车仿真研究中必不可少的环节，因为可以利用电池模型来估计电池的重要参数SOC（荷电状态）和端电压。因此，建立锂离子电池模型对于纯电动汽车和混合动力汽车的研究具有重要意义。
对于锂离子电池的模型来说，应用最多的是电池等效电路模型。目前锂电池的等效电路模型主要有Rint模型、Thevenin模型和PNGV模型。这三种模型的建模，都是首先对电池进行测试获得测试数据，然后利用模型中电池的输出电压与输入电流的数学关系和多元线性回归方法来辨识等效电路模型中的参数，从而得到锂离子电池的等效电路模型。
目前的建模方法中，当获得测试数据后，利用锂离子电池等效电路模型中输出电压和输入电流的数学关系来进行参数辨识，这使得建模者需要根据所选择的不同的等效电路模型来建立不同的数学关系，而这些数学关系往往很复杂，这对锂离子电池等效电路模型的建模过程来说是一个复杂的步骤，致使锂离子电池等效电路模型的建模过程复杂且速度慢。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种建模速度快、计算复杂度低的锂离子电池的等效电路模型构建方法。
为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种锂离子电池的等效电路模型构建方法，包括以下步骤：选择锂离子电池的初始等效电路模型，其中，所述初始等效电路模型中具有多个未知参数；选择锂离子电池并在预设的多组测试参数下对所述锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试以得到多组测试数据，其中，所述测试数据包括输入电流、输出电压和温度；分别根据每一组测试数据得到初始等效电路模型的欧姆内阻和开路电压的等效电容；通过建模工具建立所述初始等效电路模型的仿真模型，并将每一组测试数据输入所述仿真模型并设定所述初始等效电路模型的多个未知参数的初始值；以及通过所述仿真模型和优化工具箱对所述多个未知参数进行估计，并在所述仿真模型的输出电压与所述每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计，以得到对应测试参数下的所述多个未知参数的最终值。
另外，根据本发明上述实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法还可以具有如下附加的：
在一些实例中，对所述锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试得到的输入电流为脉冲电流，且所述脉冲电流为标称电流的5倍。
在一些实例中，所述测试参数包括：输入脉冲电流、温度和锂离子电池的荷电状态。
在一些实例中，所述多个未知参数包括：欧姆内阻、开路电压、SEI膜内阻、SEI膜电压、极化内阻、双层电容、等效内阻以及等效电容。
在一些实例中，所述等效内阻包括第一和第二等效内阻、所述等效电容包括第一和第二等效电容。
在一些实例中，通过所述仿真模型和优化工具箱对所述多个未知参数进行估计，并在所述仿真模型的输出电压与所述每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计，以得到对应测试参数下的所述多个未知参数的最终值的步骤进一步包括：将估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压比较；如果所述估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值，则停止校验以得到多个未知参数的最终值，否则通过所述仿真模型对所述多个未知参数的初始值进行调整，直至所述估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值时，得到多个未知参数的最终值。
进一步地，所述第一阈值由经验值确定。
根据本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法，与目前的电动汽车的车用锂离子电池等效电路模型的建模方法相比，本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型建模不需要根据等效电路模型来建立输出电压和输入电流的数学关系式，而是直接利用锂离子电池的初始等效电路模型在建模工具中的仿真模型辨识初始等效电路模型中的未知参数，使得锂离子电池等效电路模型的建模更加简便快速、具有等效电路模型建模时间短、速度快、降低计算复杂度以及节省人力成本的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法的流程图；以及
图2为本发明一个实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法选择的初始等效电路模型的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法。
参考图1，根据本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法，包括如下步骤：
步骤S101，选择锂离子电池的初始等效电路模型，其中，初始等效电路模型中具有多个未知参数。
在该实例中，选择的锂离子电池的初始等效电路模型如图2所示，锂离子电池的初始等效电路模型是根据锂离子电池在使用过程中的电化学反应来制定的，在图2中，RAC是欧姆内阻，OCV是开路电压，SEI膜是代表锂离子电池在高频脉冲下的电化学反应，图2中的CSEI代表锂离子电池的SEI膜电容（SEI膜的界面电容），RSEI代表SEI膜内阻。CDL是双层电容，RBV是极化内阻，CDL和RBV表示锂离子电池在中频脉冲下的电化学反应，RWB1，CWB1，RWB2,CWB2是瓦尔堡阻抗等效的两个电阻电容回路中的内阻和电容，表示锂离子电池在低频脉冲下的电化学反应，即等效内阻包括第一等效内阻RwB1和第二等效内阻RWB2、等效电容包括第一等效电容CWB1和第二等效电容CWB2，因此，该初始等效电路模型能够全面反映锂离子电池的特性。在该实例中，多个未知参数包括但不限于：欧姆内阻、开路电压、SEI膜内阻、SEI膜电压、极化内阻、双层电容、等效内阻以及等效电容，即多个参数RAC、OCV、CSEI、RSEI、CDL、RBV、RWB1、CWB1、RWB2和CWB2均为未知参数。
需要说明的是，该初始等效电路模型中的这些参数都是未知的，并且都不是常数，而是温度和荷电状态（SOC）的函数，即随着温度和荷电状态的变化而变化。为了对这些未知参数进行辨识，在以下步骤中，将初始等效电路模型中的开路电压OCV等效成一个电容。而本发明实施例的目的正是要确定上述多个未知参数。
步骤S102，选择锂离子电池并在预设的多组测试参数下对锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试以得到多组测试数据，其中，测试数据包括输入电流、输出电压和温度。在该实例中，测试参数包括：输入脉冲电流、温度和锂离子电池的荷电状态（SOC）。
具体而言，以图2所示的初始等效电路模型为例，对锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试，即HPPC测试，记录测试过程中的输入电流、输出电压和温度。由于锂离子电池的初始等效电路模型中的参数是温度和荷电状态的函数，所以对锂离子电池的上述测试需要在不同温度和不同荷电状态以及输入脉冲电流下来进行，即在不同组的测试参数下进行测试。进一步地，温度选择为锂离子电池工作范围下的温度，优选地，将温度值选择为整数，便于将测试结果利用温度来进行查值。在每一个温度下进行测试时，需要在不同的荷电状态下施加脉冲电流，优选地，选择荷电状态90%，80%，…，10%时对锂离子电池施加脉冲电流，即每两个荷电状态之间的间隔为10%。在每个温度下都需要在这9个荷电状态点施加脉冲电流，以便得到对应的多组测试数据。在该实例中，对所述锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试得到的输入电流为脉冲电流，且脉冲电流为标称电流的5倍，即脉冲电流与标称电流的倍率选择为5。
需要说明的是，随着锂离子电池的使用，电池的容量、内阻等参数都会发生变化，因此锂离子电池的等效电路中的参数也会随之改变，所以在电池使用达到一定循环次数后需要对锂离子电池重新进行以上测试，从而得到锂离子电池的相应参数。
步骤S103，分别根据每一组测试数据得到初始等效电路模型的欧姆内阻和开路电压的等效电容。
具体地，利用上述步骤得到的测试数据来辨识初始等效电路模型中的未知参数。初始等效电路模型中的两个参数值欧姆内阻和开路电压的等效电容可以直接利用测试数据计算得到，且这两个参数值包括多组，多组参数值是在每个温度下的9个荷电状态点分别计算得到。除了上述两个参数外，锂离子电池的初始等效电路模型中的剩余参数还是未知的，要得到最终的锂离子电池的等效电路模型，则需要估计剩余参数的参数值。剩余的未知参数的参数值通过步骤S104和步骤S105得到。
步骤S104，通过建模工具建立初始等效电路模型的仿真模型，并将每一组测试数据输入仿真模型并设定初始等效电路模型的多个未知参数的初始值。
作为一个具体的例子，在上位机优化软件中，即建模工具中与建立初始等效电路模型相对应的仿真模型，并将仿真模型中的元素与初始等效电路模型中的元素（参数）一一对应。其中仿真模型的输入是步骤S102中的测试的输入电流，输出是步骤S102中测试的输出电压。接着，利用步骤S102中的测试数据和仿真模型对剩余未知参数进行辨识，即估计得到剩余未知参数的初始值。
步骤S105，通过所述仿真模型和优化工具箱对所述多个未知参数进行估计，并在仿真模型的输出电压与每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计，以得到对应测试参数下的多个未知参数的最终值。
进一步地，首先将估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压比较，接着判断如果估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值，则停止校验以得到多个未知参数的最终值，否则通过仿真模型对所述多个未知参数的初始值进行调整，直至所述估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值时，得到多个未知参数的最终值。
换言之，当参数辨识完成后，即得到未知参数的估计值以后，将多个估计值代入仿真模型进行仿真，利用步骤S102中测试时的输入脉冲电流来进行仿真，将仿真结果与测试数据进行比较。如果仿真结果与测试结果的误差小于第一阈值，即在使用者允许范围内，则使用这些参数。否则，改变参数辨识中未知参数的初始值，重新进行辨识，当误差在使用者允许范围内时，结束参数辨识过程。通常地，第一阈值由经验值确定，即由使用者根据经验判断误差是否在允许范围内。
在参数辨识结束后得到的参数，即未知参数的最终值是温度和荷电状态的函数，利用温度、荷电状态和辨识得到的最终值来构造查值表，将这些查值表应用于初始等效电路模型中，便得到最终的锂离子电池的等效电路模型。
根据本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型构建方法，与目前的电动汽车的车用锂离子电池等效电路模型的建模方法相比，本发明实施例的锂离子电池的等效电路模型建模不需要根据等效电路模型来建立输出电压和输入电流的数学关系式，而是直接利用锂离子电池的初始等效电路模型在建模工具中的仿真模型辨识初始等效电路模型中的未知参数，使得锂离子电池等效电路模型的建模更加简便快速、具有等效电路模型建模时间短、速度快、降低计算复杂度以及节省人力成本的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (7)

1.一种锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择锂离子电池的初始等效电路模型，其中，所述初始等效电路模型中具有多个未知参数；
选择锂离子电池并在预设的多组测试参数下对所述锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试以得到多组测试数据，其中，所述测试数据包括输入电流、输出电压和温度；
分别根据每一组测试数据得到初始等效电路模型的欧姆内阻和开路电压的等效电容；
通过建模工具建立所述初始等效电路模型的仿真模型，并将每一组测试数据输入所述仿真模型并设定所述初始等效电路模型的多个未知参数的初始值；以及
通过所述仿真模型和优化工具箱对所述多个未知参数进行估计，并在所述仿真模型的输出电压与所述每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计，以得到对应测试参数下的所述多个未知参数的最终值。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，对所述锂离子电池进行复合脉冲功率性能测试得到的输入电流为脉冲电流，且所述脉冲电流为标称电流的5倍。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，所述测试参数包括：输入脉冲电流、温度和锂离子电池的荷电状态。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，所述多个未知参数包括：
欧姆内阻、开路电压、SEI膜内阻、SEI膜电压、极化内阻、双层电容、等效内阻以及等效电容。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，所述等效内阻包括第一和第二等效内阻、所述等效电容包括第一和第二等效电容。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，通过所述仿真模型和优化工具箱对所述多个未知参数进行估计，并在所述仿真模型的输出电压与所述每一组测试数据中的输出电压之间的误差满足预定条件时停止估计，以得到对应测试参数下的所述多个未知参数的最终值的步骤进一步包括：
将估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压比较；
如果所述估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值，则停止估计以得到多个未知参数的最终值，否则通过所述仿真模型对所述多个未知参数的初始值进行调整，直至所述估计得到的仿真模型的输出电压与对应的一组测试数据中的输出电压的差值小于或等于第一阈值时，得到多个未知参数的最终值。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池的等效电路模型构建方法，其特征在于，所述第一阈值由经验值确定。
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