CN108090319B - 一种串联型锂离子电池系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种串联型锂离子电池系统建模方法，该建模方法根据已知锂离子电池单体模型，利用串联电路工作特性及筛选法，建立电池系统基本模型；再检测各电池单体端电压，并将其与基本模型输出端电压的1/N作为各单体SOC校正器的输入；再由N个单体SOC校正器得到N个单体SOC补偿值，通过加权得到电池系统SOC补偿值，再与电池系统模型输出的SOC叠加，得到校正后的SOC，从而更新电池系统基本模型，即新的串联型锂离子电池系统模型。本发明能解决串联型电池系统中各电池单体端电压并不一致而导致其电池性能参数及充放电特性难以被准确测量、估算的问题，达到准确预测串联型电池系统的端电压和SOC的目的。

Description

一种串联型锂离子电池系统建模方法

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，涉及一种串联型锂离子电池系统建模方法。

背景技术

锂离子电池因具有比能量高、循环寿命长、低自放电、无记忆效应等特点，已越来越广泛地应用于新能源、交通、航天等领域。同时，由于锂离子电池单体的额定容量、额定电压等相对较小，常将多个电池单体经串联构成电池系统，即串联型电池系统，可实现电池系统容量及电压等级的扩大。然而由于电池单体存在不一致性，且锂离子电池的性能参数(如电池端电压、内阻、容量等)易受充放电倍率、温度等因素影响，导致含大量电池单体的串联型电池系统的工作特性更加以准确表征，严重制约电池系统的开发与应用。因此，建立准确的串联型电池系统模型以有效预测其工作特性及性能参数，对其设计、控制及工程应用至关重要。

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，关于电池系统建模的文献不多，公开文献(CN105183934A)公开的一种基于参数校正器的串联型电池系统建模方法，其采用的建模方法为：根据已知锂离子电池单体性能参数，利用串联电路工作特性及筛选法，建立一个电池系统均值模型，再利用电池系统端电压测量值与均值模型端电压仿真值的差值及均值模型的荷电状态(State ofCharge,SOC)来设计参数校正器，最后将由参数校正器所得的SOC作为输入，来更新基本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，建立串联型电池系统模型。该模型考虑了电池系统端电压测量值的反馈作用，在一定程度上提高了电池系统模型精度，但因未考虑各单体电池不一致性对电池系统模型的影响，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串联型锂离子电池系统建模方法，解决串联型电池系统中各电池单体端电压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，达到准确预测串联型电池系统的端电压和SOC的目的。

本发明目的是通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种串联型锂离子电池系统，该系统由N个锂离子电池单体经串联而成，其结构图如图1所示。

一种串联型锂离子电池系统建模方法如下：根据已知锂离子电池单体模型(1)，利用串联电路工作特性及筛选法，建立一个电池系统基本模型(2)，再检测各电池单体端电压，分别将各电池单体端电压、电池系统基本模型输出端电压的1/N作为单体SOC校正器的输入，共N个单体SOC校正器，然后N个单体SOC校正器得到N个单体SOC补偿值，由N个单体SOC校正器和加权器构成电池系统SOC校正器(3)，最后由电池系统SOC校正器得到电池系统SOC补偿值，再与电池系统模型输出的SOC叠加，得到校正后的SOC，从而更新电池系统基本模型，即新的串联型锂离子电池系统模型。图2为串联型锂离子电池系统模型结构图。

所述电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，其电路图如图3所示，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。

所建立串联型电池系统基本模型为二阶等效电路模型，其电路图如图4所示。由基尔霍夫定律KVC得电池模型表达式为：U(t)＝U_b0[SOC(t)]-I_b(t)Z_b(t)。利用串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基本模型确定如下：基本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；基本模型中电池系统的阻抗计算如下：

其中，R_b(t)为电池系统内阻，R_bs(t)、R_bl(t)和C_bs(t)、C_bl(t)分别为描述电池系统暂态响应特性的电阻、电容。基本模型中R_bs(t)、R_bl(t)和C_bs(t)、C_bl(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。

所述的单体SOC校正器设计如下：首先检测N个电池单体的端电压U_i、获得系统基本模型输出端电压U_b的1/N，然后通过公式

获得N个单体SOC补偿值ΔSOC_i，式中i为大于1的自然数，b为标量。

所述的电池系统SOC补偿值ΔSOC_b计算如下：

式中，k_i为加权系数。

最后将补偿值ΔSOC_b与电池系统基本模型输出的SOC_b相加后，作为基本模型新的输入量SOC_r，以更新从而更新电池系统性能参数，进而更新电池系统基本模型。

所述电池系统基本模型输出的SOC_b的定义如下：

其中，SOC_b0为电池系统SOC初始值，一般为0～1的常数；Q_bu(t)为电池系统不可用容量，Q_b0为电池系统额定容量。

与公开文献(CN105183934A)相比，本发明具有以下有益的技术效果：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端电压变化情况，尤其是放电末期，其预测端电压精度更高，表明其模型精度更高。

附图说明

图1为串联型锂离子电池系统结构示意图；

图2为串联型锂离子电池系统模型结构图；

图3为锂离子电池单体等效电路模型图；

图4为串联锂离子电池系统等效电路模型图；

图5-1～图5-2为SOC₀不同时电池脉冲放电特性，其中图5-1为电池单体端电压变化情况，图5-2为串联型电池系统端电压校正前后对比情况。

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、串联型电池系统及电池单体模型

1.1串联型电池系统

串联型电池系统是由3个电池单体经串联而成，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，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、串联型锂离子电池系统等效电路模型

所建立串联型锂离子电池系统基本模型为二阶等效电路模型。根据基尔霍夫定律KVC得电池模型表达式为：U(t)＝U_b0[SOC(t)]-I_b(t)Z_b(t)。利用串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基本模型确定如下：基本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；基本模型中电池系统的阻抗计算如下：

其中，R_bs(t)、R_bl(t)和C_bs(t)、C_bl(t)的计算分别如下：

所述的单体SOC校正器设计如下：首先检测3个电池单体端电压、获得系统基本模型输出端电压U_b的1/3，然后通过公式

获得3个单体SOC补偿值ΔSOC_i，式中i为大于1的自然数，b为标量。

所述的电池系统SOC补偿值ΔSOC_b计算如下：

式中，k_i取值为1。

最后将补偿值ΔSOC_b与电池系统基本模型输出的SOC_b相加后，作为基本模型新的输入量SOC_r，以更新从而更新电池系统性能参数，进而更新电池系统基本模型。

3、模型仿真结果及效果对比

为验证所发明模型的准确性，将本发明所提的电池系统模型(校正前)与公开文献(CN105183934A)所建立的电池系统模型(校正后)进行对比分析，仿真试验为脉冲工况，脉冲放电时负载电流变化为：开始时刻以0.8A恒流工作600s，之后静置600s后，再以0.8A恒流工作600s，如此循环。初始时刻，3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、0.95、0.9。

图5为SOC₀不同时电池脉冲放电特性，其中图5-1为电池单体端电压变化情况，图5-2为串联型电池系统端电压校正前后对比。由图5-1可知，当电池单体的SOC₀＝0.9时，代表其初始电池电量最少，在串联电路中，各电池单体放电电流相等，因而其最先达到放电结束，即最小的电池单体最先达到截止电压而结束放电。除初始端电压不同外，三个电池单体放电特性基本一致。由图5-2可知，整个放电过程中，校正后的仿真结果与校正前的仿真结果都能逼近参考值，但在放电末期，校正后的电池系统端电压能更准确地跟随参考值，其误差更小，从而表明所建立的电池模型能更准确地预测串联型锂离子电池系统的工作特性。

最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (3)

1.一种串联型锂离子电池系统建模方法，所述串联型锂离子电池系统是由N个锂离子电池单体通过串联而成，其中N为大于1的自然数，其特征在于，所述串联型锂离子电池系统建模方法具体包括如下步骤：

步骤(1)：根据已知锂离子电池单体模型，利用串联电路工作特性及筛选法，建立一个电池系统基本模型；

步骤(2)：检测各电池单体端电压，分别将各电池单体端电压、电池系统基本模型输出端电压的1/N作为单体荷电状态SOC校正器的输入；

步骤(3)：共N个单体SOC校正器，通过N个单体SOC校正器得到N个单体SOC补偿值；

步骤(4)：由N个单体SOC校正器和加权器构成电池系统SOC校正器；

步骤(5)：由所述电池系统SOC校正器得到电池系统SOC补偿值；

步骤(6)：将所述电池系统SOC补偿值与电池系统基本模型输出的SOC叠加，得到校正后的SOC；

步骤(7)：根据校正后的SOC，更新电池系统基本模型，得到新的串联型锂离子电池系统模型；

所述单体SOC校正器设计如下：首先检测各电池单体端电压U_i，获得系统基本模型输出端电压U_b的1/N，然后通过公式

获得N个单体SOC补偿值ΔSOC_i，式中i为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种串联型锂离子电池系统建模方法，其特征在于，所述电池系统基本模型为含2个RC并联电路、受控电压源U_b0(SOC)及电池内阻R_b的二阶等效电路模型，其基尔霍夫定律KVC表达式为U(t)＝U_b0[SOC(t)]-I_b(t)Z_b(t)，开路端电压计算公式为

其中，U_0i(SOC)表示第i个电池单体开路端电压；阻抗计算公式为

其中，R_b(t)为电池系统内阻，R_bs(t)、R_bl(t)和C_bs(t)、C_bl(t)分别为描述电池系统暂态响应特性的电阻、电容；R_bs(t)、R_bl(t)和C_bs(t)、C_bl(t)的计算公式为：

其中，下标i为第i个电池单体，取值为大于1的自然数；

c₀～c₂、d₀～d₂、e₀～e₂、f₀～f₂均为模型系数，由电池测量数据经拟合得到；

SOC₀为电池单体SOC初始值，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。

3.根据权利要求2所述的一种串联型锂离子电池系统建模方法，其特征在于，所述电池系统SOC补偿值ΔSOC_b计算如下：

式中，k_i为加权系数。

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