CN110907834B - 一种并联型电池系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种并联型电池系统建模方法，所述方法如下：根据已知电池单体模型参数，结合并联电路特性构建电池系统模型参数，再检测各支路电池组电流，经电池容量筛选与校正模块获得电池系统当前额定容量C_b，并结合电池系统电流I_m由SOC计算模块产生电池系统基本荷电状态SOC_c，然后与SOC初始值SOC₀叠加得新的电池荷电状态SOC_i，再与PI调节器输出的反馈值SOC_r相加，产生电池系统荷电状态SOC，结合电池系统模型参数获得各模型参数，最后建立电池系统等效模型。本发明所建的并联型电池系统模型可准确预测并联型电池系统放电特性，其建模方法可适用于电池单体或模块并联成组场合。

Description

一种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大容量电池储能系统设计与控制技术领域，涉及一种并联型电池系统建模方法。

背景技术

电池系统作为一种可实现电能到化学能、功率双向可流动的能量存储载体，已广泛地应用于新能源发电(如风电、光伏)、新能源汽车、航空航天飞行器、智能电网等领域。同时，受电池制造工艺、材料水平等因素影响，电池单体的额定容量、额定电压等均不高，为适应系统对大功率及大电流等要求，通常需并联多个电池单体来构成大容量的电池系统，即并联型电池系统。然而，由于受电池系统工作使用环境、电池管理水平等因素影响，在电池系统实际运行中存在电池单体的不一致性，往往导致电池系统中并联的各支路电池组充放电特性不一致，进而使并联型电池系统的工作特性难以被准确表征，严重制约其实际应用。因此，有必要建立准确的并联型电池系统模型以预测并联型电池系统的充放电工作特性。

目前，国内外关于电池建模的研究多集中在电池单体建模，而有关并联型电池系统建模的文献并不多，专利(ZL2015104173042)公开了一种基于SOC补偿器的并联型电池系统建模方法，但因存在采用具有稳态误差的比例调节器、未考虑各支路电流实际变化等情况，导致其模型精度受限。为此，公开文献(CN108090244A)公开了一种并联型锂离子电池系统建模方法，其建模方法为：根据已知锂离子电池单体模型，利用并联电路工作特性及筛选法，建立电池系统基本模型；再检测各支路电流，结合基本模型输出总电流的1/N，经由N个比例-积分调节器和一个加权器构成的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，并更新电池系统基本模型，从而得到电池系统模型。该模型考虑了电池系统中电池不一致对电池SOC的影响，在一定程度上提高了电池系统模型精度，但仍存在以下几个问题：一是只考虑了电池不一致对电池SOC偏差的影响，并未考虑因电池不一致(尤其是电池SOC初值不一致)对电池系统额定容量变化的影响，导致电池系统SOC精度受限，这是因为在并联型电池系统中SOC初值小的某一支路电池组会提前放电结束，导致用于计算电池系统SOC的电池系统当前额定容量C_b小于电池系统原来额定容量，即因电池不一致性会的存在导致电池系统额定容量并不恒定；二是未考虑由电池系统等效模型输出的电池系统端电压(虚拟值)与电池系统端电压检测值(实际值)构成的闭环反馈控制的作用，即未考虑因电池系统端电压误差对电池系统SOC误差的影响；三是计算电池串SOC补偿值时，采用N个PI调节器来获取N个支路电池串的SOC补偿值ΔSOC_i，当电池系统中并联支路个数较多时(N很大)，其PI调节器个数也随之大幅增加，一方面增加了对N个PI调节器协调控制的难度，另一方面也增加了系统的不稳定性。因此，有必要针对上述问题进一步改进SOC计算方法来提高电池系统模型精度。

发明内容

本发明解决的问题是在于提供一种并联型电池系统建模方法，一方面，解决了并联型电池系统中因各支路电池组中的电池单体不一致而导致其充放电特性难以被准确表征的问题；另一方面，也改进了相关已公开的SOC补偿器中存在的未考虑各支路电池组中电池不一致性对电池系统当前额定容量的影响、PI调节器数量多且其协调控制难度大、稳定性变差的问题；同时，还解决了电池系统端电压反馈对提高电池系统SOC精度影响的问题，达到准确预测并联型电池系统性能参数(如电压、SOC)及其工作特性的目的。

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个支路电池组经并联组成，每个支路电池组由M个电池单体经串联而成，其结构图如图1所示。

一种并联型电池系统建模方法如下：根据已知的电池单体模型及其模型参数(1)，利用并联电路工作特性构建电池系统模型参数，再检测各支路电池组电流I₁～I_N，并将其作为电池系统容量筛选与校正模块(3)的输入，容量筛选与校正模块(3)主要由N路比较器(4)、N路与操作器(5)及求和器(6)构成，在容量筛选与校正模块(3)中，检测到的N支路电池组电流I₁～I_N，首先接入N路比较器(4)中，并分别与比较器中的设定值0作比较，进行体现电池不一致性的支路电流筛选，若某一支路电流大于0，则相应该支路经比较器后的输出为1，若某一支路电流等于0，则相应该支路经比较器后的输出为0，然后再将N路比较器(4)的输出接入N路与操作器(5)，再分别与对应支路电池组容量C₁～C_N进行与操作，从而剔除支路电流为0的电池容量，得到筛选后的可用支路电池容量，最后再将各可用支路电池容量经过求和器(6)，进行容量求和，进而产生电池系统当前额定容量C_b；

再将C_b与电池系统电流测量值I_m共同作为SOC计算模块(7)的输入，在SOC计算模块(7)中，首先由式

产生电池系统基本荷电状态SOC_c，而后结合电池荷电状态初始给定值SOC₀，由式SOC_i＝SOC₀-SOC_c得反馈前的电池系统荷电状态SOC_i；

利用电压传感器获得电池系统电压测量值U_m，再与电池系统等效模型(9)输出的电池系统端电压U_b共同作为与PI调节器(8)的输入，经PI调节器(8)的比例-积分调节控制后，产生电池系统荷电状态反馈值SOC_r；

将反馈前的电池系统荷电状态SOC_i与电池系统荷电状态反馈值SOC_r进行叠加，从而产生电池系统荷电状态SOC，由SOC再经电池系统模型参数模块(2)产生各个模型参数，最后将各模型参数结合二阶电池等效电路结构来建立电池系统等效模型(9)。

图2为并联型电池系统建模方框图。

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，均为电池单体模型参数(1)。

所述电池单体模型参数(1)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，C₀为电池单体额定容量。所述电池单体模型参数(1)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模型(9)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)。式中，U_b0(SOC)电池系统的开路端电压，电池系统的阻抗Z_b(t)计算如下：

式中，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，以上各模型参数可由电池系统模型参数模块(2)利用并联电路工作特性及电池单体模型参数来获得：U_b0(SOC)＝MU₀(SOC)、

本发明所述的建模方法既可适用于二阶等效电路模型，也可适用于一阶、多阶等效电路模型。

本发明所述的建模方法既可适用于锂电池，也可适用于铅酸电池、镍镉电池。

本发明所述的建模方法可适用于电池单体、电池模块、电池组的并联成组方式。

与公开文献(CN108090244A)相比，本发明具有以下有益的技术效果：一是考虑了因电池不一致(尤其是电池SOC初值不一致)对电池系统当前额定容量变化的影响，提高了电池系统当前额定容量的计算精度，进而提高电池系统SOC精度；二是利用电池系统等效模型输出的电池系统端电压(虚拟值)与电池系统端电压检测值(实际值)构成的电压负反馈闭环控制，进一步提高电池系统SOC精度；三是采用电池系统容量筛选与校正模块来代替含N个PI调节器的SOC校正器，降低了协调控制难度，提高系统稳定性。因此，在整个放电过程，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，且能更准确地体现电池不一致性对电池工作特性的影响。

附图说明

图1为并联型电池系统结构示意图；

图2为并联型电池系统建模方框图；

图3为电池单体等效电路模型图；

图4为并联型电池系统等效电路模型图；

图5-1～图5-2在恒流工况下电池系统放电特性，其中图5-1为并联型放电时电池系统端电压校正前与校正后变化情况，图5-2为对应电池系统端电压误差校正前与校正后对比情况。

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2个电池组通过并联而成，每个电池组由1个电池单体构成，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、并联型电池系统等效电路模型

所建立并联型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)。电池系统的阻抗Z_b(t)计算如下：

以上各模型参数可由电池系统模型参数(2)利用并联电路工作特性及电池单体模型参数来获得：U_b0(SOC)＝U₀(SOC)、

C_bs(t)＝2C_s(t)、

C_bl(t)＝2C_l(t)。

所述的电池系统SOC获取方法如下：

再检测各支路电池组电流I₁～I₂，并将其作为电池系统容量筛选与校正模块(3)的输入，容量筛选与校正模块(3)主要由2路比较器(4)、2路与操作器(5)及求和器(6)构成，在容量筛选与校正模块(3)中，检测到的2支路电池组电流I₁～I₂，首先接入2路比较器(4)中，并分别与比较器中的设定值0作比较，进行体现电池不一致性的支路电流筛选，若某一支路电流大于0，则相应该支路经比较器后的输出为1，若某一支路电流等于0，则相应该支路经比较器后的输出为0，然后再将2路比较器(4)的输出接入2路与操作器(5)，分别与对应支路电池组容量C₁～C₂进行与操作，从而剔除支路电流为0的电池容量，得到筛选后的可用支路电池容量，最后再将各可用支路电池容量经过求和器(6)，进行容量求和，进而产生电池系统当前额定容量C_b；

再将C_b与电池系统电流测量值I_m共同作为SOC计算模块(7)的输入，在SOC计算模块(7)中，首先由式

产生电池系统基本荷电状态SOC_c，而后结合电池荷电状态初始给定值SOC₀，由式SOC_i＝SOC₀-SOC_c得反馈前的电池系统荷电状态SOC_i；

利用电压传感器获得电池系统电压测量值U_m，再与电池系统等效模型(9)输出的电池系统端电压U_b共同作为与PI调节器(8)的输入，经PI调节器(8)的比例-积分调节控制后，产生电池系统荷电状态反馈值SOC_r；

将反馈前的电池系统荷电状态SOC_i与电池系统荷电状态反馈值SOC_r进行叠加，从而产生荷电状态SOC，由SOC再经电池系统模型参数模块(2)产生各个模型参数(U_b0(SOC)、R_b(t)、R_bs(t)、R_bl(t)、C_bs(t)、C_bl(t))，最后将各模型参数结合二阶电池等效电路结构来建立电池系统等效模型(9)。

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(校正后)与公开文献(CN108090244A)所建立的电池系统模型(校正前)进行对比分析，仿真试验为恒流工况，电池系统放电电流为1.6安。初始时刻，2个电池单体的初始容量均不相等，即SOC的初始值(SOC₀)并不相同，分别为0.95、0.65。

图5为在恒流工况下电池系统放电特性，其中图5-1为并联型放电时电池系统端电压校正前与校正后变化情况，图5-2为对应电池系统端电压误差校正前与校正后对比情况。由图5-1可知，在SOC初始值小的电池单体提前放电结束之前(约为2240秒)，采用本发明与公开文献(CN108090244A)两种方法进行建模时，电池系统端电压均能很好地跟踪其实际测量电压，但是，当SOC初始值小的电池单体因为初始电量少而提前放电结束后，该电池单体停止对外供电，其电池系统所输出电流(1.6安)将由SOC初始值大的电池单体独立承担，因此电池系统端电压在2240秒后急剧下降。同时，由图5-1可知，本发明所建的电池系统模型的输出端电压(校正后曲线)能准确跟踪电池系统实际端电压(实测值曲线)，而公开文献(CN108090244A)所建电池系统模型的输出端电压(校正前曲线)难以准确跟踪实测值。由图5-2可知，整个放电过程中，校正后的电压误差比校正前的电压误差值小很多，尤其是SOC初始值小的电池单体提前放电结束后(约为2240秒)，进一步表明本发明所建立的电池模型能更准确地预测并联型电池系统的工作特性。

Claims (6)

1.一种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由N个支路电池组构成，每个支路电池组由M个电池单体通过串联而成，其中N、M为大于1的自然数；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：检测各支路电池组电流I₁～I_N，并将其作为电池系统容量筛选与校正模块的输入，所述容量筛选与校正模块包括依次连接的N路比较器、N路与操作器及求和器，在容量筛选与校正模块中，检测到的N支路电池组电流I₁～I_N，首先接入N路比较器中，并分别与比较器中的设定值0作比较，进行体现电池不一致性的支路电流筛选，若某一支路电流大于0，则相应该支路经比较器后的输出为1，若某一支路电流等于0，则相应该支路经比较器后的输出为0，然后再将N路比较器的输出接入N路与操作器，再分别与对应支路电池组容量C₁～C_N进行与操作，从而剔除支路电流为0的电池容量，得到筛选后的可用支路电池容量，最后再将各可用支路电池容量经过求和器，进行容量求和，进而产生电池系统当前额定容量C_b；

步骤2：将C_b与电池系统电流测量值I_m共同作为SOC计算模块的输入，在SOC计算模块中，首先由式

产生电池系统基本荷电状态SOC_c，而后结合电池荷电状态初始给定值SOC₀，由式SOC_i＝SOC₀-SOC_c得反馈前的电池系统荷电状态SOC_i；

步骤3：利用电压传感器获得电池系统电压测量值U_m，再与电池系统等效模型输出的电池系统端电压U_b共同作为与PI调节器的输入，经PI调节器的比例-积分调节控制后，产生电池系统荷电状态反馈值SOC_r；

步骤4：将反馈前的电池系统荷电状态SOC_i与电池系统荷电状态反馈值SOC_r进行叠加，从而产生电池系统荷电状态SOC；

步骤5：电池系统模型参数模块根据已知的电池单体模型及其模型参数，利用并联电路工作特性构建电池系统模型参数函数关系式，再结合电池系统荷电状态SOC获得各模型参数，最后将各模型参数结合二阶电池等效电路结构来建立电池系统等效模型。

2.根据权利要求1所述的一种并联型电池系统建模方法，其特征在于，所述电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，包括2个RC并联电路、受控电压源U₀(SOC)及电池内阻R，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，均为电池单体模型参数。

3.根据权利要求2所述的一种并联型电池系统建模方法，其特征在于，所述电池单体模型参数均与SOC相关，SOC的定义为：

其中，SOC₀为电池单体SOC初始值，为0～1的常数，C₀为电池单体额定容量；所述电池单体模型参数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，由电池测量数据经拟合而得。

4.根据权利要求3所述的一种并联型电池系统建模方法，其特征在于，所建立并联型电池系统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(t)＝U_b0[SOC(t)]-I_b(t)Z_b(t)；式中，U_b0(SOC)电池系统的开路端电压，电池系统的阻抗Z_b(t)计算如下：

式中，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，以上各模型参数由电池系统模型参数利用并联电路工作特性及电池单体模型参数来获得：U_b0(SOC)＝MU₀(SOC)、

5.根据权利要求1所述的一种并联型电池系统建模方法，其特征在于，所述电池为锂电池、铅酸电池或镍镉电池。

6.根据权利要求1所述的一种并联型电池系统建模方法，其特征在于，所述并联型电池为电池单体、电池模块或电池组的并联成组方式。

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