CN110470994A - 一种动力电池峰值功率的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动力电池峰值功率的预测方法，其是基于等效电路模型输入输出差分方程形式，并考虑动力电池在电压、电流联合限制下的峰值功率在线预测，包括计算电压限制下的峰值电流I^v(充电为放电为)，计算电流限制下的峰值电流I^vi(充电为放电为)，计算峰值功率PP^vi(充电为放电为)，本发明可以提高峰值功率预测的精度及计算效率，并降低峰值功率预测结果发散的风险，降低对硬件能力的要求。

Description

一种动力电池峰值功率的预测方法

技术领域

本发明属于新能源汽车电池管理系统技术领域，具体涉及动力电池峰值功率的预测技术。

背景技术

汽车自问世以来，由于其带来的便捷性及产生的巨大经济效益，已经成为人类工作与生活不可或缺的一部分。然而随着汽车数量的急剧增加，传统燃油汽车由于其尾气排放污染及对化石燃料的高度依赖，使得环境污染以及能源危机日益严峻，已经逐渐不再适应时代发展的需求，大力发展新能源汽车已经成为全球汽车行业的大势所趋。

在纯电动汽车和混合动力汽车的储能部件中，电池管理系统是其核心部件，而电池管理系统的一个极其重要功能是峰值功率的准确快速预测。

峰值功率可定义为：在动力电池设计电压、电流限制下，动力电池在时间T秒内，能持续对外提供(或从外接收)的最大功率。

准确的峰值功率预测能在保证电池安全的条件下，最大限度的发挥电池的功率性能，从而满足电动/混合动力汽车在启动，加速，爬坡以及制动能量回收，快速充电等方面的功率要求。

此外，为了准确预测电池在不同的工作环境及老化状态下的峰值功率，电池峰值功率的在线预测至关重要。

动力电池峰值功率的在线预测通常包括三个步骤：1、建立电池模型；2、电池模型参数在线辨识；3、峰值功率的在线预测。目前，在学术研究及工程应用领域，等效电路模型由于其精确且简单的特性被广泛应用于建立电池建模，最小二乘法由于其可靠且简单的特性被广泛应用于电池模型参数的在线辨识。

等效电路模型通常可写成状态空间方程形式以及输入输出差分方程形式。

传统的在线峰值功率预测方法，在参数辨识时需基于输入输出差分方程形式，在峰值功率预测时需基于状态空间方程形式，在完成参数辨识后，需要将输入输出差分方程形式的参数转换为状态空间方程形式的参数，才能进行峰值功率的计算。这样参数转换的过程，增加了计算量以及舍入误差，增加了峰值功率预测结果发散的风险，不利于提高计算效率以及降低对硬件能力的要求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于等效电路模型输入输出差分方程形式，在参数辨识以及峰值功率预测过程中均能基于输入输出差分方程形式进行在线峰值功率预测，考虑了动力电池在电压、电流联合限制下的峰值功率在线预测方法，统一在线参数辨识与峰值功率预测中的方程形式及参数，旨在提高峰值功率预测的精度及计算效率，并降低峰值功率预测结果发散的风险，降低对硬件能力的要求。

本发明的技术方案如下：

一种动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于，所述方法包括如下三步：

第一步：根据动力电池的一阶RC等效电路模型写成输入输出差分方程，计算在电压限制下的恒定峰值电流I^v(充电为放电为)，以此恒定电流工作T(T＝K_TΔt，充电为T_ch，放电为T_dis)秒，电池正好达到上下限的截止电压(上限为U_max，下限为U_min)；

第二步：电流I^v(充电为放电为)与电池的电流限制(最大充电电流为I_max，最小放电电流为I_min)取绝对值较小的值，作为电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi(充电为放电为)；

第三步：将峰值电流I^vi(充电为放电为)带回输入输出差分方程，计算出对应电压U^vi，电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的峰值功率PP^vi(充电为放电为)。

具体地，在所述步骤1)中，动力电池的一阶RC等效电路模型写成输入输出差分方程是：规定充电时电流为正，一阶RC等效电路模型的动态电压特性由式(1)与(2)表示：

U_d，k+1＝A_kU_d，k+B_kI_k (1)

U_k＝U_oc，k+U_d，k+I_kR_o，k (2)

其中，U_d表示RC环节两端的电压，I表示干路电流，U表示端电压，R_d表示扩散内阻，C_d表示扩散电容，U_oc表示开路电压，R_o表示欧姆内阻， Δt表示采样时间；

式(2)可写成式(3)与式(4)的形式：

U_k+1＝U_oc，k+1+U_d，k+1+I_k+1R_o，k+1 (3)

A_kU_k＝A_kU_oc，k+A_kU_d，k+A_kI_kR_o，k (4)

假设在Δt内U_oc、R_o、R_d、C_d保持不变，则将式(1)带入式(3)并减去式(4)可得到等效电路模型输入输出差分方程式(5)：

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (5)

其中，a₂＝R_o，则等效电路模型中的各参数可表示为R_o＝a₂，

具体地，所述步骤1)具体包括：

假设在T秒内，电池始终以恒流I^v工作，即根据式(6)、(7)……(9)，可依次推导出k+1、k+2、k+3…k+K_T时刻的电压值，

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (6)

…

将分别替换为U_max与U_min，可计算出电压限制下的峰值电流I^v，如式(10)与式(11)所示：

具体地，所述步骤2)中，电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi如式(12)与(13)所示：

其中，为充电峰值电流，为放电峰值电流。

具体地，所述步骤3)包括：

将峰值电流Ivi带回电池模型，计算出对应充电电压放电电压如式(14)与式(15)所示：

电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的充电峰值功率放电峰值功率如式(16)与式(17)所示：

基于上述技术方案可见，本发明提出的动力电池峰值功率的预测方法，在参数辨识以及峰值功率预测过程中均基于输入输出差分方程形式进行在线峰值功率预测，从而统一了在线参数辨识与峰值功率预测中的方程形式及参数，避免了参数的转换，提升了计算效率与功率的准确性。

附图说明

图1为峰值功率在线预测流程图；

图2为一阶RC等效电路模型图。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明技术：

如图2所示，本方法选用一阶RC等效电路模型对电池进行建模，并规定充电时电流为正。一阶RC等效电路模型的动态电压特性可由式(1)与(2)表示：

U_d，k+1＝A_kU_d，k+B_kI_k (1)

U_k＝U_oc，k+U_d，k+I_kR_o，k (2)

其中，U_d表示RC环节两端的电压，I表示干路电流，U表示端电压，R_d表示扩散内阻，C_d表示扩散电容，U_oc表示开路电压，R_o表示欧姆内阻， Δt表示采样时间。

式(2)可写成式(3)与式(4)的形式：

U_k+1＝U_oc，k+1+U_d，k+1+I_k+1R_o，k+1 (3)

A_kU_k＝A_kU_oc，k+A_kU_d，k+A_kI_kR_o，k (4)

假设在Δt内U_oc、R_o、R_d、C_d保持不变，则将式(1)带入式(3)并减去式(4)可得到等效电路模型输入输出差分方程式(5)：

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (5)

其中，a₂＝R_o，则等效电路模型中的各参数可表示为R_o＝a₂，

参见图1，本发明提出的一种基于等效电路模型输入输出差分方程形式的动力电池峰值功率预测方法。具体实施措施包括计算电压限制下的峰值电流I^v(充电为放电为)，计算电流限制下的峰值电流I^vi(充电为放电为)，计算峰值功率PP^vi(充电为放电为)。

步骤一：计算电压限制下的峰值电流I^v

计算出一个在电压限制下的恒定峰值电流I^v(充电为放电为)，以此恒定电流工作T(T＝K_TΔt，充电为T_ch，放电为T_dis)秒，电池正好达到上下限的截止电压(上限为U_max，下限为U_min)。

步骤二：计算电压、电流联合限制下的峰值电流I^vi

电流I^v(充电为放电为)与电池的电流限制(最大充电电流为I_max，最小放电电流为I_min)取绝对值较小的值，作为电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi(充电为放电为)。

步骤三：计算峰值功率PP^vi

将峰值电流I^vi(充电为放电为)带回电池模型，计算出对应电压U^vi(充电为放电为)，电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的峰值功率PP^vi(充电为放电为)。

下面分别详细说明I^v、I^vi及PP^vi的计算过程：

1、电压限制下的峰值电流I^v

假设在T秒内，电池始终以恒流I^v工作，即根据式(6)、(7)……(9)，可依次推导出k+1、k+2、k+3…k+K_T时刻的电压值，

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (6)

…

将分别替换为U_max与U_min，可计算出电压限制下的峰值电流I^v，如式(10)与式(11)所示：

2、电压、电流联合限制下的峰值电流I^vi

电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi，如式(12)与(13)所示：

其中，为充电峰值电流，为放电峰值电流。

3、峰值功率PP^vi

将峰值电流I^vi带回电池模型，计算出对应电压U^vi，如式(14)与式(15)所示，电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的峰值功率PP^vi(充电为放电为)，如式(16)与式(17)所示。

Claims (5)

1.一种动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤一、根据动力电池的一阶RC等效电路模型写成输入输出差分方程，计算在电压限制下的恒定峰值电流I^v，以此恒定电流工作T秒，电池正好达到上下限的截止电压U_max，U_min；

步骤二、电流I^v与电池的电流限制，最大充电电流I_max，最小放电电流I_min取绝对值较小的值，作为电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi；

步骤三、将峰值电流I^vi带回输入输出差分方程，计算出对应电压U^vi，电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的峰值功率PP^vi。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于：所述步骤一中，动力电池的一阶RC等效电路模型写成输入输出差分方程是：规定充电时电流为正，一阶RC等效电路模型的动态电压特性由式(1)与(2)表示：

U_d，k+1＝A_kU_d，k+B_kI_k (1)

U_k＝U_oc，k+U_d，k+I_kR_o，k (2)

其中，U_d表示RC环节两端的电压，I表示干路电流，U表示端电压，R_d表示扩散内阻，C_d表示扩散电容，U_oc表示开路电压，R_o表示欧姆内阻， Δt表示采样时间；

式(2)可写成式(3)与式(4)的形式：

U_k+1＝U_oc，k+1+U_d，k+1+I_k+1R_o，k+1 (3)

A_kU_k＝A_kU_oc，k+A_kU_d，k+A_kI_kR_o，k (4)

假设在Δt内U_oc、R_o、R_d、C_d保持不变，则将式(1)带入式(3)并减去式(4)可得到等效电路模型输入输出差分方程式(5)：

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (5)

其中，a₂＝R_o，则等效电路模型中的各参数可表示为R_o＝a₂，

3.根据权利要求1所述的一种动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：

假设在T秒内，电池始终以恒流I^v工作，即根据式(6)、(7)……(9)，可依次推导出k+1、k+2、k+3...k+K_T时刻的电压值，

U_k+1＝a₁U_k+a₂I_k+1+a₃I_k+a₄ (6)

…

将分别替换为U_max与U_min，可计算出电压限制下的峰值电流I^v，如式(10)与式(11)所示：

4.根据权利要求1所述的动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于，所述步骤二中，电池在电压及电流限制下的峰值电流I^vi如式(12)与(13)所示：

其中，为充电峰值电流，为放电峰值电流。

5.根据权利要求1所述的动力电池峰值功率的预测方法，其特征在于，步骤三包括：将峰值电流I^vi带回电池模型，计算出对应充电电压放电电压如式(14)与式(15)所示：

电压U^vi与电流I^vi相乘即为电池在电压限制及电流限制下的充电峰值功率放电峰值功率如式(16)与式(17)所示：