CN110619147B - 一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法 - Google Patents

一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法，包括以下步骤：构建恒压工况下电池的等效电路模型；利用所述电池的等效电路模型，创建解析的数学方程用于确定电池模型中的参数；其中，等效电路模型包括：用于表征电池开路电压的电压源，所述电压源负极与所述模型端电压输出端的负极连接；与所述电压源正极连接的电流动态特性模拟电路，所述电流特性模拟电路还与所述模型端电压输出端的正极连接。本发明实施例中的电池等效电路模型可以写出解析的数学方程，能够更加准确地表示电池在恒压工况下的电流特性，从而实现对电池更加精确深入的研究。

Description

一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建 方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法。
背景技术
通常情况下，电池的电化学反应特性可以通过模型来描述。具体地，电池的模型可以分为黑箱模型、电化学模型和等效电路模型。相比于黑箱模型和电化学模型，以电阻、电容等电气元器件为核心的等效电路模型在模型结构复杂度以及电压预测精度上具有较好的综合性能，被广泛应用于新能源汽车、储能设备、便携式电子设备及空间技术等领域的电池管理系统中。
现有技术中的等效电路模型，基本采用阻容网络描述电池的动态特性，包括极化特性和扩散效应等。现有的等效电路模型往往以电池负载电流作为输入量，估算电池的端电压值。而在恒压运行工况中，电池的端电压为恒定值，基于现有阻容网络的等效电路模型不能很好的模拟电池此时充电电流的动态特性。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供了一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法，该等效电路模型可以写出解析的数学方程，能够有效地表征电池在恒压工况下的负载电流特性，为后续电池管理系统的算法奠定了基础。
本发明通过如下技术方案实现。
本发明提供了一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法，所述方法包括以下步骤：
构建恒压工况下的电池等效电路模型；
利用所述电池等效电路模型，创建解析的数学方程用于确定电池模型中的参数；
其中，所述的等效电路模型包括：
用于表征电池开路电压的电压源；
与所述电压源正极连接的电流动态特性模拟电路，所述电流特性模拟电路还与所述模型端电压输出端的正极连接。
进一步地，所述电流动态特性模拟电路包括：并联连接的快电流动态特性模拟电路和慢电流动态特性模拟电路；
其中，所述快电流动态特性模拟电路的第一端分别与所述电压源的正极连接，第二端与所述模型电压输出端的正极连接；所述慢电流动态特性模拟电路的第一端与所述电压源的正极连接，第二端与所述模型电压输出端的正极连接。
进一步地，所述快电流动态特性模拟电路包括：串联连接的第一电阻和第一电感；
其中，所述第一电阻的第一端与所述电压源的正极连接，第二端与所述第一电感的第一端连接，所述第一电感的第二端与所述模型电压输出端的负极连接。
进一步地，所述慢电流动态特性模拟电路包括：串联连接的第二电阻和第二电感；
其中，所述第二电阻的第一端与所述电压源的正极连接，第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第二电感的第二端与所述模型电压输出端的负极连接。
二阶电池等效电路模型的解析的数学方程具体为：
Figure BDA0002164997310000021
其中，I(t)为t时刻的负载电流；I1(t)为t时刻流经快电流动态特性模拟电路的电流；I2(t)为t时刻流经慢电流动态特性模拟电路的电流；I1(0)为流经快电流动态特性模拟电路的初始电流；I2(0)为流经慢电流动态特性模拟电路的初始电流；Vt为模型电压；Voc为电压源；R1为第一电阻；L1为第一电感；R2为第二电阻；L2为第二电感；第一时间常数τ1＝L1/R1，第二时间常数τ2＝L2/R2；并且第一时间常数、第二时间常数满足τ1<τ2。
本发明提供了一种应用于恒压工况的多阶电池等效电路模型构建方法，包括并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk，并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk的输入端与用于表征电池开路电压的电压源Voc的正端连接；并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk的输出端与模型端电压输出端的正极连接；电压源Voc的负端和模型端电压输出端的负极连接；多阶电池等效电路模型的解析的数学方程具体为：
Figure BDA0002164997310000022
其中，n为并联的串联连接的电阻Rk和电感Lk的支路个数，即等效电路模型的阶数；Ik(t)为t时刻流经串联连接电阻Rk和电感Lk的电流；Ik(0)为流经串联连接电阻Rk和电感Lk的初始电流；第k时间常数τk＝Lk/Rk；并且第k时间常数τk、第k+1时间常数τk+1满足：τk<τk+1，0<k<n。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.相比于传统的基于阻容网络的电池等效电路模型，本发明提供的电池等效电路模型在阶数相同的情况下，具有较少的模型参数，降低了参数辨识的工作量，有利于模型的在线应用；
2.相比于传统的电池等效电路模型，本发明提供的等效电路模型可以更加准确地表示电池在恒压工况下的电流特性，有利于对电池实现更精确的研究和控制；
3.相比于传统的电池等效电路模型及本发明提供的二阶等效电路模型，本发明提供的多阶等效电路模型能够进一步地提高电池在恒压工况下的电流估算精度。
附图说明
图1为一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型的示意图。
图1中，各标号所代表的部件列表如下：
I：负载电流；I1：流经快电流动态特性模拟电路的电流；I2：流经慢电流动态特性模拟电路的电流；Vt：模型电压；Voc：电压源；R1：第一电阻；L1：第一电感；R2：第二电阻；L2：第二电感。
图2为一种应用于恒压工况的多阶电池等效电路模型的示意图。
图2中，Rn：第n电阻；Ln：第n电感；In为t时刻流经串联连接电阻Rn和电感Ln的电流。
图3为恒压充电工况下电流测量值与根据传统的基于阻容网络等效电路模型、本发明提供的二阶及三阶电池等效电路模型得到的电流估算值对比。
图4为根据传统的基于阻容网络等效电路模型与本发明提供的二阶及三阶电池等效电路模型得到的恒压充电工况下电流估算误差绝对值对比。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法，用于表征电池在恒压工况下负载电流的动态特性，从而实现对电池的精确研究。
一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法，如图1所示，该电池等效电路模型包括：用于表征电池开路电压的电压源Voc和电流动态特性模拟电路(101)。
其中，本发明实施例提供的电池等效电路模型中，各电路结构的连接关系为：受控电压源(Voc)的正极与电流动态特性模拟电路(101)的一端连接，负极与模型端电压输出端的负极连接；电流动态特性模拟电路(101)还与模型端电压输出端的正极连接。
具体地，如图1所示，电流动态特性模拟电路包括：并联连接的快电流动态特性模拟电路(1011)和慢电流动态特性模拟电路电路(1012)。
本发明实施例考虑到在恒压工况下，电池的电流曲线动态特性较为复杂，因此，在等效电路模型中分别设置了具有较低时间常数值的快电流动态特性模拟电路(1011)和具有较高时间常数值的慢电流动态特性模拟电路电路(1012)，以提高模型的精度。
其中，快电流动态特性模拟电路(1011)分别与所述电压源Voc正极和所述模型电压输出端的正极连接，慢电流动态特性模拟电路(1012)分别与所述电压源Voc正极和所述模型电压输出端的正极连接。
具体地，如图1所示，快电流动态特性模拟电路(1011)包括：串联连接的第一电阻R1和第一电感L1。
其中，第一电阻R1的第一端与电压源Voc的正极连接，第二端与第一电感L1的第一端连接，第一电感L1的第二端与模型电压输出端的负极连接。
其中，快电流动态特性模拟电路(1011)时间常数τ1表达式为：
τ1＝L1/R1 (1)
具体地，如图1所示，慢电流动态特性模拟电路(1012)包括：串联连接的第二电阻R2和第二电感L2。
其中，第二电阻R2的第一端与电压源Voc的正极连接，第二端与第二电感L2的第一端连接，第二电感L2的第二端与模型电压输出端的负极连接。
其中，慢电流动态特性模拟电路(1012)时间常数τ2表达式为：
τ2＝L2/R2 (2)
进一步地，本发明实施例中，快电流动态特性模拟电路(1011)时间常数τ1与慢电流动态特性模拟电路(1012)时间常数τ2满足如下关系：
τ1<τ2 (3)
利用电池的等效电路模型，创建解析的数学方程(4)用于确定电池模型中的各个参数。
Figure BDA0002164997310000051
其中，I(t)为t时刻的负载电流；I1(t)为t时刻流经快电流动态特性模拟电路的电流；I2(t)为t时刻流经慢电流动态特性模拟电路的电流；I1(0)为流经快电流动态特性模拟电路的初始电流；I2(0)为流经慢电流动态特性模拟电路的初始电流；Vt为模型电压；Voc为电压源；R1为第一电阻；L1为第一电感；R2为第二电阻；L2为第二电感。
经过拓展，本发明也可以为多阶的电池等效电路模型，如图2所示。
利用电池的等效电路模型，创建解析的数学方程(5)用于确定电池模型中的各个参数。
Figure BDA0002164997310000052
其中，n为并联的串联连接的电阻Rk和电感Lk的支路个数，即等效电路模型的阶数；Ik(t)为t时刻流经串联连接电阻Rk和电感Lk的电流；Ik(0)为流经串联连接电阻Rk和电感Lk的初始电流；第k时间常数τk＝Lk/Rk；并且第k时间常数τk、第k+1时间常数τk+1满足：τk<τk+1，0<k<n。
采用电池恒压充电工况下的测试数据，验证本发明提供的电池等效电路模型的准确性和优越性。如图3和图4所示，分别为在恒压充电工况下电流测量值与模型估算结果的对比，以及各模型电流估算误差绝对值的对比。从图中可以看出，根据传统的基于阻容网络等效电路模型所得的估算电流不能很好地跟踪测量电流值，估算误差绝对值最大。相比之下，根据本发明提供的二阶电池等效电路模型得到的估算电流能较好地跟踪测量电流值，估算精度得到了较大的提高，并且，根据本发明提供的三阶电池等效电路模型得到的电流估算精度得到了进一步的提高。
综上，本发明的一种应用于恒压工况的二阶及多阶电池等效电路模型构建方法，包括以下步骤：构建恒压工况下电池的等效电路模型；利用所述电池的等效电路模型，创建解析的数学方程用于确定电池模型中的参数；其中，等效电路模型包括：用于表征电池开路电压的电压源，所述电压源负极与所述模型端电压输出端的负极连接；与所述电压源正极连接的电流动态特性模拟电路，所述电流特性模拟电路还与所述模型端电压输出端的正极连接。本发明实施例中的电池等效电路模型可以写出解析的数学方程，能够更加准确地表示电池在恒压工况下的电流特性，从而实现对电池更加精确深入的研究。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
构建恒压工况下的电池等效电路模型，利用所述电池等效电路模型，创建解析的数学方程用于确定电池模型中的参数；
所述等效电路模型包括：用于表征电池开路电压的电压源Voc，所述电压源Voc负极与所述模型端电压输出端的负极连接；与所述电压源正极连接的为电流动态特性模拟电路(101)，所述电流动态特性模拟电路(101)还与所述模型端电压输出端的正极连接；
所述电池等效电路模型解析的数学方程为：
Figure FDA0004077034850000011
其中，I(t)为t时刻的负载电流；I1(t)为t时刻流经快电流动态特性模拟电路的电流；I2(t)为t时刻流经慢电流动态特性模拟电路的电流；I1(0)为流经快电流动态特性模拟电路的初始电流；I2(0)为流经慢电流动态特性模拟电路的初始电流；Vt为模型电压；Voc为电压源；R1为第一电阻；L1为第一电感；R2为第二电阻；L2为第二电感；第一时间常数τ1＝L1/R1，第二时间常数τ2＝L2/R2；
所述电流动态特性模拟电路(101)包括：并联连接的快电流动态特性模拟电路(1011)和慢电流动态特性模拟电路(1012)；
其中，所述快电流动态特性模拟电路(1011)分别与所述电压源Voc正极和所述模型电压输出端的正极连接，所述慢电流动态特性模拟电路(1012)分别与所述电压源Voc正极和所述模型电压输出端的正极连接；
第一时间常数、第二时间常数满足τ1<τ2。
2.根据权利要求1所述的一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法，其特征在于，所述快电流动态特性模拟电路(1011)包括：串联连接的第一电阻R1和第一电感L1；
其中，所述第一电阻R1的第一端与所述电压源Voc的正极连接，第二端与所述第一电感L1的第一端连接，所述第一电感L1的第二端与所述模型电压输出端的负极连接。
3.根据权利要求1所述的一种应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法，其特征在于，所述慢电流动态特性模拟电路(1012)包括：串联连接的第二电阻R2和第二电感L2；
其中，所述第二电阻R2的第一端与所述电压源Voc的正极连接，第二端与所述第二电感L2的第一端连接，所述第二电感L2的第二端与所述模型电压输出端的负极连接。
4.一种根据权利要求1所述的应用于恒压工况的二阶电池等效电路模型构建方法的多阶电池等效电路模型构建方法，其特征在于，包括并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk，并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk的输入端与用于表征电池开路电压的电压源Voc的正端连接；并联多个串联连接的电阻Rk和电感Lk的输出端与模型端电压输出端的正极连接；电压源Voc的负端和模型端电压输出端的负极连接；多阶电池等效电路模型的解析的数学方程具体为：
Figure FDA0004077034850000021
其中，n为并联的串联连接的电阻Rk和电感Lk的支路个数，即等效电路模型的阶数；Ik(t)为t时刻流经串联连接电阻Rk和电感Lk的电流；Ik(0)为流经串联连接电阻Rk和电感Lk的初始电流；第k时间常数τk＝Lk/Rk。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第k时间常数τk、第k+1时间常数τk+1满足：τk<τk+1，0<k<n。
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