CN105116338B - 一种基于soc补偿器的并联型电池系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，该并联型电池系统是由N个电池单体通过并联而成。所述方法如下：根据已知锂离子电池单体性能参数，利用并联电路工作特性及各支路电池单体的电流特性，建立一个电池系统均值模型，再利用各支路电池电流的实际值与均值模型支路电流进行比较来设计一个SOC补偿器，从而确定各电池单体性能参数与电池系统性能参数的数理关系，建立并联型电池系统模型。本发明所建立的并联型电池系统模型能有效地模拟并联型电池系统的充放电工作特性，所发明的建模方法既可适用于电池单体并联，也适用电池模块并联。

Description

一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法

技术领域

本发明属于智能电网中MW级电池储能系统设计与控制技术领域，涉及一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法。

背景技术

因具有比能量高、无记忆效应、循环寿命长、低自放电等优点，以锂离子电池为载体的电池系统，已被广泛应用于电力、能源、军事等领域。同时，受电池单体自身额定容量及电压等因素的制约，通常需要将多个电池单体经并联构成更大容量的电池系统，即并联型电池系统。对于并联型电池系统而言，因其内部的各电池单体存在不一致性导致充放电时各支路充放电流并不会相同；同时电池充放电过程是一个复杂的非线性过程，而电池性能参数易受充放电倍率、温度、生产工艺等因素影响，因而要建立有效的电池系统模型以准确预测其工作特性是个极具挑战的问题。

目前，国内外关于电池建模的研究及专利多集中在电池单体方面，其主要建模方法包括电化学模型、分析模型及等效电路模型等，其中等效电路模型因直观、简单、物理意义明确等优点而被广泛应用于电气工程领域。关于并联型电池系统建模的研究及专利相对较少，多采用定参数简化模型来建模，极少考虑电池单体参数变化对并联型电池系统工作特性的影响，导致其模型精度有限。

发明内容

本发明解决的问题是在于提供一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，解决并联型电池系统中各电池单体性能参数并不一致而导致其电池性能参数(如电压、电流等)及充放电特性难以被准确测量、估算的问题，达到准确预测并联型电池系统的充放电工作特性的目的。

本发明目的是通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种并联型电池系统，该系统由N个电池单体经并联而成。

一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法如下：根据已知锂离子电池单体性能参数，利用并联电路工作特性及筛选法确定参数均值模型，然后将参数均值模型所得参数作为电池模型的输入，再利用基尔霍夫定律KVC建立电池模型。将电池系统中各支路电池电流的测量值I_m*与均值模型对应支路电流仿真值I_m作为输入，设计出一个SOC补偿器，得到各支路的电池SOC的补偿值ΔSOC_m.。最后将各补偿值ΔSOC_m.与SOC模块输出的SOC_I相加，所得的SOC实际值SOC^*作参数均值模型的输入，来更新参数均值模型中各电池单体性能参数与电池系统性能参数的数理关系，再经电池模型，从而建立并联型电池系统模型。

所述电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，模型主电路由2个RC并联电路、受控电压源U₀(SOC)及电池内阻R等组成，其数学表达式为：U(t)＝U₀[SOC(t)]-I(t)[R(t)+R_s(t)/R_s(t)jωC_s(t)+R_l(t)/R_l(t)jωC_l(t)]，其中，U₀(SOC)为电池单体开路端电压，R(t)为电池单体内阻，R_s(t)、R_l(t)和C_s(t)、C_l(t)分别为描述电池单体暂态响应特性的电阻、电容，以上性能参数均与SOC相关，SOC的定义为：其中，SOC₀为电池单体SOC初始值，一般为0～1的常数；Q_u(t)为电池单体不可用容量，Q₀为电池单体额定容量。U₀(SOC)、R_s(t)、R_l(t)和C_s(t)、C_l(t)的计算分别如下：

其中，a₀～a₅、c₀～c₂、d₀～d₂、e₀～e₂、f₀～f₂、b₀～b₅均为模型系数，可由电池测量数据经拟合而得。

所建立并联型电池系统参数均值模型为二阶等效电路模型。由基尔霍夫定律KVC得电池模型表达式为：U_P(t)＝U_0P[SOC(t)]-I_P(t)Z_P[SOC(t)]。利用并联电路工作特性及筛选法确定各电池单体性能参数与电池系统的参数均值模型数理关系如下：参数均值模型中电池系统的开路端电压计算如下：其中，U_0i(SOC)表示第i个电池单体开路端电压；参数均值模型中电池系统的阻抗计算如下：其中，R_p(t)为电池系统内阻，R_ps(t)、R_pl(t)和C_ps(t)、C_pl(t)分别为描述电池系统暂态响应特性的电阻、电容。参数均值模型中R_p(t)、R_ps(t)、R_pl(t)和C_ps(t)、C_pl(t)的计算分别如下： 其中，下标i为第i个电池单体，取值为大于1的自然数。

所述SOC补偿器的设计如下：通过检测电池系统各支路电池电流的测量值I_m*与均值模型对应支路电流仿真值I_m进行比较，其中均值模型对应支路电流仿真值I_m的大小为由m个电池支路并联而成的电池模型电流I_p的m分之一，即I_m＝I_p/m，然后将所得差值代入锂离子电池电流I变化与SOC变化近似成线性的关系式中，得到各支路的电池SOC的补偿值ΔSOC_m，具体计算如下：式中，k_SOC为补偿系数。最后将各补偿值ΔSOC_m与SOC模块所得的SOC_I相加后，作为参数均值模型新的输入量SOC^*，以更新电池系统性能参数。SOC^*计算如下：式中，ΔSOC_m为第m个支路电池模块SOC补偿值，k为大于1的自然数。

所述SOC模块的定义如下：其中，SOC_p0为电池系统SOC初始值，一般为0～1的常数；Q_pu(t)为电池系统不可用容量，Q_p0为电池系统额定容量。

与未用采SOC补偿器相比，本发明具有以下有益的技术效果：一是整个放电过程，本发明所提的电池系统等效电路模型能准确地预测电池系统的工作特性；二是在放电初始期和末期效果更明显，更加准确地跟随实验数据，其预测精度更高。

附图说明

图1为并联型电池系统结构示意图；

图2为含2个电池单体的并联型电池系统结构示意图；

图3为电池单体等效电路模型图；

图4为并联型电池系统参数均值模型图；

图5为基于SOC补偿器的并联型电池系统模型结构图；

图6-1～图6-2为SOC₀不同时电池恒流放电特性，其中图6-1为电池单体端电压变化情况，图6-2为并联型电池系统端电压补偿前后对比情况；

图7-1～图7-2为SOC₀不同时电池脉冲放电特性，其中图7-1为电池单体端电压变化情况，图7-2为并联型电池系统端电压补偿前后对比情况。

具体实施方式

下面结合具体的实例对本发明作进一步的详细说明，所述为对本发明的解释而不是限定。

1、并联型电池系统及电池单体模型

1.1并联型电池系统

并联型电池系统是由N个电池模块并联而成，而每个电池模块又由多个电池单体串联而成，其结构图如图1所示。为便于分析，本实例中假设并联型电池系统由2个电池模块并联而成，每个电池模块只有一个电池单体构成，即此并联型电池系统由2个电池单体并联而成，如图2所示。每个电池单体的额定电压为3.7V，额定容量为860mAh，放电截止电压为3V。

1.2电池单体等效电路模型

电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，模型主电路由2个RC并联电路、受控电压源U₀(SOC)及电池内阻R等组成，电池单体电路图如图3所示，其数学模型表达式为：U(t)＝U₀[SOC(t)]-I(t)[R(t)+R_s(t)/R_s(t)jωC_s(t)+R_l(t)/R_l(t)jωC_l(t)]，式中，U₀(SOC)、R_s(t)、R_l(t)和C_s(t)、C_l(t)的计算分别如下： 其中，a₀～a₅取值分别为-0.915、-40.867、3.632、0.537、-0.499、0.522，c₀～c₂取值分别为0.1063、-62.49、0.0437，d₀～d₂取值分别为-200、-138、300，e₀～e₂取值分别为0.0712、-61.4、0.0288，f₀～f₂取值分别为-3083、-180、5088，b₀～b₅取值分别为-0.1463、-30.27、0.1037、0.0584、0.1747、0.1288。

2、并联型电池系统等效电路模型

所建立并联型电池系统参数均值模型为二阶等效电路模型，如图4所示。根据基尔霍夫电压定律KVC得电池模型表达式为：U_p(t)＝U_0p[SOC(t)]-I_p(t)Z_p[SOC(t)]。利用并联电路工作特性及筛选法确定各电池单体性能参数与电池系统性能参数的参数均值模型数理关系如下：参数均值模型中电池系统的开路端电压计算如下：其中，U_0i(SOC)表示第i个电池单体开路端电压；参数均值模型中电池系统的阻抗计算如下：参数均值模型中R_p(t)、R_ps(t)、R_pl(t)和C_ps(t)、C_pl(t)的计算分别如下： 其中，下标i为第i个电池单体，取值为大于1的自然数。

所述参数补偿器的设计如下：通过检测电池系统各支路电池电流的测量值I_m*与均值模型对应支路电流仿真值I_m进行比较，其中均值模型对应支路电流仿真值I_m的大小为由m个电池支路并联而成的电池模型电流I_p的m分之一，即I_m＝I_p/m，然后将所得差值再代入锂离子电池电流I变化与SOC变化近似成线性的关系式中，得到各支路的电池SOC的补偿值ΔSOC_m，具体计算如下：式中，k_SOC取值为1，m取值为1、2。最后将各补偿值ΔSOC_m与SOC模块所得的SOC_I相加后，作为参数均值模型新的输入量SOC^*，以更新电池系统性能参数，建立新的电池系统模型。SOC^*计算如下：式中，ΔSOC_m为第m个支路电池模块SOC补偿值。图5为基于SOC补偿器的并联型电池系统模型结构图。

3、模型仿真结果及效果对比

仿真试验主要包括恒流与脉冲两种工况，一是恒流工况，即电池以恒流方式(1.6A)向外供电；二是脉冲工况，即以脉冲电流方式向外供电放电，具体为：先以1.6A恒流工作600s，静置600s后，再以1.6A恒流工作600s，如此循环。初始时刻，2个电池单体的初始容量均不相等，即SOC的初始并不相同，分别为1、0.9。图6为SOC₀不同时电池恒流放电特性，其中图6-1为各支路电池电池分配情况，图6-2为并联型电池系统端电压补偿前后对比情况。由图6-1可知，放电初始时刻，由于2个电池单体的SOC₀的不同，SOC₀值大的电池单体其放电电流亦大，SOC₀值小的电池单体其放电电流亦小，但两个电池单体放电电流的平均值等于负载电流(1.6A)的一半；随着放电时间的增加，两个电池单体放电电流最终趋于相等(0.8A)，表明两个电池单体最终各承担负载电流的一半。由图6-2可知，在整个放电过程中，采用SOC补偿器后的电池系统端电压仿真结果(红线)比补偿前的仿真结果(黑线)始终更接近其实际实验数据(虚线)，尤其是放电初始阶段和放电结束阶段，证明了所提模型在恒流工况下具有较高的精确度。

图7为SOC₀不同时电池脉冲放电特性，其中图7-1为各支路电池电池分配情况，图7-2为并联型电池系统端电压补偿前后对比。由图7-1可知，在第一个600s放电阶段，因SOC₀的不同，SOC₀大的电池单体承担更多的负荷，其放电电流也大，反之，电池单体放电流亦小；在第一个600s静置阶段，因两个电池单体的SOC₀不相同，即容量不同，导致电池系统对外静置时，SOC₀大的电池单体向SOC₀小的电池单体充电；随着放电过程的持续，最终两个电池单体的放电电流趋于相等，当电池系统再次静置时，两个电池单体也不再彼此间充放电(3000s时刻后)。由图7-2可知，整个放电过程中，补偿后的电池系统模型的端电压仿真结果(红线)始终更接近其实验数据(虚线)，尤其是在初始阶段，从而进一步验证了所提出模型在脉冲工况也能更加准确地预测电池系统工作特性。

Claims (5)

1.一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，其特征在于所述的并联型电池系统是由N个电池单体通过并联而成，其中N为大于1的自然数；

所述方法包括以下步骤：

根据已知锂离子电池单体性能参数，利用并联电路工作特性及筛选法确定参数均值模型，然后将参数均值模型所得参数作为电池模型的输入，再利用基尔霍夫定律KVC建立电池模型；

将电池系统中各支路电池电流的测量值I_m*与均值模型对应支路电流仿真值I_m作为输入，设计出一个SOC补偿器，得到各支路的电池SOC的补偿值ΔSOC_m.，m为第m个电池支路，取大于1的自然数；

最后将各补偿值ΔSOC_m.与SOC模块输出的SOC_I相加，所得的SOC实际值SOC^*作参数均值模型的输入，来更新参数均值模型中各电池单体性能参数与电池系统性能参数的数理关系，之后经电池模型，建立并联型电池系统模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，其特征在于所建立的并联型电池系统模型为含2个RC并联电路的二阶等效电路模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，其特征在于所述的SOC补偿器设计如下：将电池系统中各支路电池电流的测量值I_m*与均值模型对应支路电流仿真值I_m进行比较，其中均值模型对应支路电流仿真值I_m的大小为由m个电池支路并联而成的电池模型电流I_p的m分之一，即I_m＝I_p/m，然后将所得差值代入锂离子电池电流I变化与SOC变化近似成线性的关系式中，得到各支路的电池SOC的补偿值ΔSOC_m，即式中，k_SOC为SOC补偿系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，其特征在于所述的参数均值模型输入量SOC^*计算如下：式中，ΔSOC_m为第m个支路电池模块SOC补偿值，k为大于1的自然数。

5.根据权利要求1所述的一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，其特征在于所述的建模方法不仅适用于电池单体并联方式，也可应用于电池模块并联方式。