CN110031762A - 一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法，属于锂离子电池测试的技术领域，其特征在于：至少包括如下步骤：S1、确定等效电路模型；S2、基于matlab搭建等效电路模型；S3、进行电池试验，并将电池的试验数据输入matlab数据库；S4、在matlab中进行参数拟合，S5、输出5个参数，即R0、R1、R2、C1、C2，得到精确电池模型；计算后得到5个参数的数据表格，即可通过表格确立电池的等效电路模型，进行所需的测试和验证。本发明可以对于卡尔曼滤波的SOC估算方中电池模型的建模和参数进行迅速而简洁的设计估算，能够自动提取电池充放电的必要数据进行电池模型的参数估算。

Description

一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法

技术领域

本发明属于锂离子电池测试的技术领域，应用于锂离子电池BMS系统，具体涉及一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法。

背景技术

近年来，随着环保和节能问题的日益突出，锂离子电池由于比能量高，绿色环保等优点，作为大容量动力电源，逐步在汽车、航天、船舶等领域都有了实际应用。锂离子电池的能量密度越来越高、容量越来越大、电池单体的串联数量也越来越多，在电池组的长期使用过程中，由于组成的电池模块的多节锂离子电池一致性较差引起某一节或者几节电池出现过充过放的现象，进而引起整个电池模块的性能下降，容量不足，甚至导致失效严重影响使用寿命。对于电池组来说，电池管理系统不可缺少。

动力锂离子电池组的荷电状态(SOC)是表征锂电池组状态的重要参数之一，准确估算SOC是锂电池组安全和优化控制充放电能量的保证。电池以SOC描述电池剩余电量，是电池使用过程中的重要参数。电动汽车要求准确估计电池SOC，从充分发挥电池能力和提高安全性两个角度对电池进行高效管理，以进一步提高整车性能；SOC不仅能为驾驶员提供续航里程的确切信息，而且也将直接影响到电池管理系统的决策和控制。比如，电动汽车上除了利用电压来判断电池充放电状态外，有时可以利用SOC来做为充放电判断的标准，因为SOC是真正反映电池内部电量多少的指标。

传统电池管理系统SOC估算的精度不高，目前使用较多的电流积分法应用中遇到的问题有：动力电池可能在任何一个SOC开始工作，如果初始SOC就有误差，那么这个误差是无法消除的，因为电流积分法是一个纯积分环节，纯积分环节本身无法消除初值带来的误差。因此SOC初值的准确估计直接影响整个电流积分法估计的精度。而且由于电流测量不准，将造成SOC计算误差，长期积累，误差越来越大；在高温状态和电流波动剧烈的情况下，误差更大。所以有必要改进当前锂电池SOC的估算算法。

显然，对于锂离子电池的等效电路参数的检测和精确估算是对于SOC估计准确度的重点。现有的锂离子电池都是1阶等效电路进行估算，实际bms(battery managementsystem)的SOC估算精度较低。而且进行模型估算需要相当大的时间和人力，估算方法也五花八门。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法。本发明为了能够准确估计锂离子电池的荷电状态(SOC)，同时对电池实际可用的最大充、放电功率进行预测，在研究电池充、放电过程中的滞回现象的基础上，建立基于电压滞回特性的二阶RC等效电路模型。为了避免因噪声统计特性造成的误差，将卡尔曼滤波算法应用到锂离子电池的SOC估计中，减少了估计过程中的模型误差和算法误差，提高了估计的鲁棒性。将电池电压、电流和SOC的估计值作为联合约束条件预测锂离子电池实际可用的最大充、放电功率，对电池做脉冲充、放电实验，实验分析表明,与混合脉冲功率特性(HPPC)测试方法相比，联合约束算法提高了预测电池功率的准确性。

本发明的目的是提供一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法，至少包括如下步骤：

S1、确定等效电路模型；具体为：

根据精度需求和计算时间限制，选用二阶RC等效电路模型；上述二阶RC等效电路模型包括：连接于电源正极的电阻R₀、连接于电源负极的第一RC电路、与上述第一RC电路电连接的第二RC电路，上述第一RC电路包括第一电容C_p1和第一电阻R_p1；上述第二RC电路包括第二电容C_p2和第二电阻R_p2；

S2、基于matlab搭建等效电路模型；具体为：

S201、使用matlab Simulink模块搭建上述等效电路模型，根据2阶RC等效电路搭建电池模型，以SOC，温度为输入变量，编辑出Em、C1、C2、R1、R2和R0六个参数表格模块，其中：Em为所选电池内阻、C1为上述第一RC电路第一电容C_p1、C2为上述第二RC电路包括第二电容C_p2、R1为上述第一RC电路第一电阻R_p1、R2为上述第二RC电路第二电阻R_p2，R0为连接于电源正极的电阻R₀，

S202、然后参照2阶RC等效电路图，将六个参数模块通过matlab simulink的搭建模块功能连接以搭建电池模型；

S203、再利用matlab simulink模块，给电池模型搭建模拟电路环境，给与温度输入，电流输入，电压传感器，热电阻，最终搭建完善的模拟试验环境；

S3、进行电池试验，并将电池的试验数据输入matlab数据库；具体为：

根据需求定制实验，针对于汽车动力电池，进行40℃、20℃、0℃、-20℃的温度选择和0-100％全SOC范围的放电充电试验，然后将试验数据输入matlab，试验数据导入电压、电流和温度，在matlab中分别创建矩阵；

S4、在matlab中进行参数拟合，具体为：

导入试验数据后，使用matlab Simulink模块进行设置；

打开matlab simulink，选择parameter estimation选项进入参数拟合选项，新建transient Data,设置输入端为电流数据，输出端为电压数据，选择要拟合的参数R0 R1 R2C1 C2(二阶等效电路的五个参数)，阈值根据选择的电池进行设置，阈值范围为0到1之间；设置结束后开始拟合，进而得到电池模型电路参数；

S5、输出5个参数R0 R1 R2 C1 C2(二阶等效电路的五个参数)，得到精确电池模型；

计算后得到5个参数的数据表格，即可通过表格确立电池的等效电路模型，进行所需的测试和验证。

本发明具有的优点和积极效果是：

通过采用上述技术方案，本发明可以对于卡尔曼滤波的SOC估算方中电池模型的建模和参数进行迅速而简洁的设计估算。通过该方法可以自动提取电池充放电的必要数据进行电池模型的参数估算。同时无需任何手动的计算，节省时间和人力。并且可规模化应用；本发明通过matlab的相关应用可以自动估算出精确的电池等效电路模型参数。

附图说明

图1为本发明优选实施例中的流程图；

图2为本发明优选实施例中的二阶RC等效电路图；

图3为本发明优选实施例中的利用matlab simulink搭建的电池二阶RC等效电路模型；

图4为本发明优选实施例中的利用matlab simulink搭建的电池模拟电路模型。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

为了提高控制系统的安全行，本发明采用下述技术手段予以实现：

请参阅图1、一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法，包括：

步骤一、确定等效电路模型

根据需求确定所用模型，该方法根据精度需求和计算时间限制，使用二阶RC等效电路模型；请参阅图2、上述二阶RC等效电路模型包括：连接于电源正极的电阻R₀、连接于电源负极的第一RC电路、与上述第一RC电路电连接的第二RC电路，上述第一RC电路包括第一电容C_p1和第一电阻R_p1；上述第二RC电路包括第二电容C_p2和第二电阻R_p2；

步骤二、在matlab中搭建电路模型

请参阅图3和图4、使用matlab Simulink软件搭建电路模型，根据2阶rc等效电路搭建电池模型，以soc，温度为输入变量，编辑出Em c1 c2 r1 r2 r0 6个参数表格模块，然后根据2阶rc等效电路图，将6个参数模块连接以搭建电池模型。再利用simulink，给电池模型搭建模拟电路环境，给与温度输入，电流输入，电压传感器，热电阻(模拟热传导散热)。最终搭建完善的模拟试验环境；

步骤三、进行电池试验并将电池的试验数据输入matlab：

实验根据需求定制，以汽车动力电池为例，一般进行40℃,20℃,0℃,-20℃的温度选择和0-100％全soc范围的放电充电试验。然后将试验数据输入matlab，试验数据导入电压电流和温度，在matlab中分别创建矩阵；

步骤四、4、在matlab中进行参数拟合

导入试验数据后，使用matlab Simulink内置的功能进行设置。

打开simulink，选择parameter estimation选项进入参数拟合选项。新建transient Data,设置输入端为电流数据输出端为电压数据，选择要拟合的参数R0 R1 R2C1 C2(二阶等效电路的五个参数)，阈值根据选择的电池进行设置，一般为0到1之间。初始猜测可根据经验进行猜测。设置结束后可开始拟合，经过一段时间的电脑计算，即可得到精确的电池模型电路参数。如果电脑配置有限，往往需要较多的时间进行电脑计算；

步骤五、输出5个参数，得到精确电池模型；

计算后得到5个参数的数据表格，即可通过表格确立电池的等效电路模型，进行所需的测试和验证。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种锂离子电池等效电路数据参数的拟合方法，其特征在于：至少包括如下步骤：

S1、确定等效电路模型；具体为：

根据精度需求和计算时间限制，选用二阶RC等效电路模型；上述二阶RC等效电路模型包括：连接于电源正极的电阻R₀、连接于电源负极的第一RC电路、与上述第一RC电路电连接的第二RC电路，上述第一RC电路包括第一电容C_p1和第一电阻R_p1；上述第二RC电路包括第二电容C_p2和第二电阻R_p2；

S2、基于matlab搭建等效电路模型；具体为：

S201、使用matlab Simulink模块搭建上述等效电路模型，根据2阶rc等效电路搭建电池模型，以SOC，温度为输入变量，编辑出Em、C1、C2、R1、R2和R0六个参数表格模块，其中：Em为所选电池内阻，C1为上述第一RC电路第一电容C_p1，C2为上述第二RC电路第二电容C_p2，R1为上述第一RC电路第一电阻R_p1，R2为上述第二RC电路第二电阻R_p2，R0为连接于电源正极的电阻R₀，

S202、然后参照2阶rc等效电路图，将六个参数模块通过matlab simulink的搭建模块功能连接以搭建电池模型；

S203、再利用matlab simulink模块，给电池模型搭建模拟电路环境，给与温度输入，电流输入，电压传感器，热电阻，最终搭建完善的模拟试验环境；

S3、进行电池试验，并将电池的试验数据输入matlab数据库；具体为：

根据需求定制实验，针对于汽车动力电池，进行40℃、20℃、0℃、-20℃的温度选择和0-100％全SOC范围的放电充电试验，然后将试验数据输入matlab，试验数据导入电压、电流和温度，在matlab中分别创建矩阵；

S4、在matlab中进行参数拟合，具体为：

导入试验数据后，使用matlab Simulink模块进行设置；

打开matlab simulink，选择parameter estimation选项进入参数拟合选项，新建transient Data,设置输入端为电流数据，输出端为电压数据，选择要拟合的参数R0、R1、R2、C1、C2，阈值根据选择的电池进行设置，阈值范围为0到1之间；设置结束后开始拟合，进而得到电池模型电路参数；

S5、输出5个参数，即R0、R1、R2、C1、C2，得到精确电池模型；

计算后得到5个参数的数据表格，即可通过表格确立电池的等效电路模型，进行所需的测试和验证。