CN113447842B - 一种电池模型参数在线辨识的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电池模型参数在线辨识的方法，属于电池模型参数辨识技术领域。本发明的一种电池模型参数在线辨识的方法，首先根据待测电池建立电池等效电路模型；然后当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；最后根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。本发明利用电池放电降到0时的暂态片段，计算出电路模型中的待测电池模型参数，可以大大简化计算步骤，保证了在线监测的实时性和准确性。本发明还提供一种电池模型参数在线辨识的系统。

Description

一种电池模型参数在线辨识的方法与系统

技术领域

本发明属于电池模型参数辨识技术领域，更具体地说，是涉及一种电池模型参数在线辨识的方法与系统。

背景技术

近年来，随着国家大规模新能源的建设，利用超大型电池组进行电力存储的储能电站作为智能电网的重要支撑技术，迎来了迅猛的发展。锂离子电池凭借其稳定性高、容量大、使用寿命长、绿色环保等显著优势，成为目前我国储能电站的主流电池技术。锂离子电池可以等效成一阶RC电路模型，等效电路的开路电压、欧姆电阻、极化电容、极化电阻是表征电池健康状态的关键参数。为了保障锂电池储能电站的安全运行，并进行有效的能量管理和状态评估，对储能电站的锂电池进行在线参数评估是十分必要的。

目前常用的电池模型主要通过在线或离线进行参数辨识，离线参数辨识是通过多次试验数据以端电压误差最小为目标进行曲线拟合，但实际使用时要插值获得当前状态的模型参数；在线参数辨识是利用电池运行中的数据对模型参数进行拟合。对于锂电池内阻的试验测试方法主要有：开路电压法、直流放电法和交流测试法。开路电压法是通过锂电池的电压来估算内阻，但在电池亏电的状态下，精度会显著降低；直流放电法是将电池注入一股比较大的恒定直流，测量电池两端的电压，利用此时的电压电流计算当前内阻；交流测试法是利用低频率的交变电流获得电池两端电压来计算内阻。

现有的等效电路模型以理想的电气元件描述电池的动态响应，恒压源表征电池的静态电压，RC网络表征电池的极化和迟滞等动态电池特性，参数辨识简单、模型计算量小、实时性好，广泛应用于各类电池管理系统和能量管理算法。但该模型参数辨识过程中缺少各参数的实际约束，使得辨识后的参数可能显著偏离实际，以致缺乏真正物理意义。

目前常用的离线参数辨识在实际计算中由于电池温度变化或同批电池参数差别明显时，识别参数的普适性显著下降，继而影响对电池运行状态的估计；在线参数辨识虽能在一定程度上解决上述问题，但其所需数据量大，计算复杂而过程繁琐，计算时间长，难以确保在线监测的快速性，且算法完善和修改也较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池模型参数在线辨识的方法与系统，旨在解决现有离线参数辨识方法计算出的电池模型参数精度低，且计算时间长的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池模型参数在线辨识的方法，包括以下步骤：

步骤1：根据待测电池建立电池等效电路模型；

步骤2：当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

步骤3：根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。

优选的，所述电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型；所述电池输出电压公式为：

U₀＝U_ocv-I₀R_s-U_d0,t＝t₀

其中，U₀表示t₀时刻电池端电压，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，I₀表示t₀时刻电池的电流，R_s表示欧姆内阻，U_d0表示t₀时刻RC回路电压。

优选的，所述电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型；所述电池端电压的时域响应模型为：

U_t表示t₀+1时刻之后电池端电压，τ表示RC回路的时间常数，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，其中t₀+1时刻为电池的电流I₀突降到零的时刻。

优选的，所述步骤3：根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数，包括：

步骤3.1：根据所述电池端电压的时域响应模型得到RC回路参数模型；

步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数；其中所述待测电池模型参数包括欧姆内阻、极化内阻和极化电容。

优选的，所述RC回路参数模型为：

其中，t₁和t₂表示在电流降为0至输出电压升为U_ocv之中的时间段内任取的两个时刻，U₁表示在t₁时刻电池端电压，U₂表示在t₂时刻电池端电压。

优选的，所述步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数，包括：

联立所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到：

其中，R_s表示欧姆内阻，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容。

优选的，所述Thevenin一阶电路模型的微分方程为：

其中，I_L表示电流，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容，R_s表示欧姆内阻。

本发明还提供了一种电池模型参数在线辨识系统，包括：

电池等效电路模型建立模块，用于根据待测电池建立电池等效电路模型；

电压模型建立模块，用于当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

待测电池模型参数计算模块，用于根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。

本发明提供的一种电池模型参数在线辨识的方法与系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明的一种电池模型参数在线辨识的方法，首先根据待测电池建立电池等效电路模型；然后当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；最后根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。本发明利用电池放电降到0时的暂态片段，计算出电路模型中的待测电池模型参数，可以大大简化计算步骤，保证了在线监测的实时性和准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电池模型参数在线辨识的方法流程图。

图2为本发明实施例提供的Thevenin一阶电路模型示意图。

图3为本发明实施例提供的放电电流降为0时的暂态片段示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的在于提供一种电池模型参数在线辨识的方法与系统，旨在解决现有离线参数辨识方法计算出的电池模型参数精度低，且计算时间长的问题。

请参阅图1，为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池模型参数在线辨识的方法，包括以下步骤：

S1：根据待测电池建立电池等效电路模型；

本方法所提出的电池模型参数在线辨识的方法针对的电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型。该模型对锂电池的运行状况的表征有足够的精度，辨识参数的难度适中，也能保证在线系统监测的快速性和准确性，故本方法采用此模型来描述储能电站的运行状况。

Thevenin一阶电路模型如图2所示，电路模型全部的特征参数可以描述为：欧姆内阻R_s，极化阻抗R_d,C_d，电流I_L，电池开路电压U_ocv，电池端电压U_t，RC回路电压U_d。欧姆内阻R_s表征电极材料、隔膜和接触部分的电阻，极化阻抗Rd是由正负极电化学反应时由极化形成的。模型的微分方程如式(1)：

S2：当待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

电池输出电压公式为：

U₀＝U_ocv-I₀R_s-U_d0，t＝t₀

其中，U₀表示t₀时刻电池端电压，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，I₀表示t₀时刻电池的电流，R_s表示欧姆内阻，U_d0表示t₀时刻RC回路电压。

电池端电压的时域响应模型为：

U_t表示t₀+1时刻之后电池端电压，τ表示RC回路的时间常数，其中t₀+1时刻为电池的电流I₀突降到零的时刻。

在实际应用中，本方法采用电池放电过程中电流从某个值突降到零的片段来辨识Thevenin电路参数。如图3所示，电池在t₀+1时刻从I₀突降到零。由于电流降到零之后，电池停止放电，t₀+1之后电池的荷电状态(SOC)跟t₀时刻相比并没有发生变化，因此相应地电池开路电压没有发生变化。t₀及t₀+1之后电池的开路电压可由停止充电)电池达到稳态之后，RC回路电压衰减至零，电池端电压即为U_ocv，即均记为U_ocv。在t₀时刻电池输出电压为：

U₀＝U_ocv-I₀R_s-U_d0,t＝t₀ (式2)

其中U₀和U_d0分别为t₀时刻电池端电压和RC回路电压。当电流突降到零之后，R_s两端的电压会突降为零，但由于电容对电流变化的阻碍效应，RC回路电压会缓慢下降，导致输出电压U_t会缓慢增长至电池开路电压U_ocv。t₀+1之后电池端电压的时域响应为

其中τ为RC回路的时间常数。

S3：根据电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。

具体的，S3包括：

S3.1：根据电池端电压的时域响应模型得到RC回路参数模型；

S3.2：根据RC回路参数模型和电池输出电压公式得到待测电池模型参数；其中待测电池模型参数包括欧姆内阻、极化内阻和极化电容。

RC回路参数模型为：

其中，t₁和t₂表示在电流降为0至输出电压升为U_ocv之中的时间段内任取的两个时刻，U₁表示在t₁时刻电池端电压，U₂表示在t₂时刻电池端电压。

具体的，S3.2包括：

联立RC回路参数模型和电池输出电压公式得到：

其中，R_s表示欧姆内阻，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容。

在实际应用中，在电流降为0至输出电压升为U_ocv之中任取t₁，t₂两个时刻，电池端电压为：

将式(4)和式(5)联立，可计算得出RC回路的时间常数τ和t₀时刻RC回路的电压U_d0：

结合式(2)，可得出电池模型的欧姆内阻R_s、极化内阻R_d和极化电容C_d：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于电池的实时电压、电流运行数据，提出对电池一阶等效电路的在线参数辨识方法，能够对电池的时变电路参数进行准确估计，使得辨识出的参数能反映电池内部的真实状态。

2)优化电池参数的计算方法，降低计算的迭代次数，提高运算实时性，同时能够保证模型计算的精度。

本发明还提供了一种电池模型参数在线辨识系统，包括：

电池等效电路模型建立模块，用于根据待测电池建立电池等效电路模型；

电压模型建立模块，用于当待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

待测电池模型参数计算模块，用于根据电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。

本发明公开了一种电池模型参数在线辨识的方法，首先根据待测电池建立电池等效电路模型；然后当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；最后根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数。本发明利用电池放电降到0时的暂态片段，计算出电路模型中的待测电池模型参数，可以大大简化计算步骤，保证了在线监测的实时性和准确性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电池模型参数在线辨识的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据待测电池建立电池等效电路模型；

步骤2：当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

步骤3：根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数；

所述步骤3：根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数，包括：

步骤3.1：根据所述电池端电压的时域响应模型得到RC回路参数模型；

所述RC回路参数模型为：

其中，t₁和t₂表示在电流降为0至输出电压升为U_ocv之中的时间段内任取的两个时刻，U₁表示在t₁时刻电池端电压，U₂表示在t₂时刻电池端电压；

步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数；其中所述待测电池模型参数包括欧姆内阻、极化内阻和极化电容；

所述步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数，包括：

联立所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到：

其中，R_s表示欧姆内阻，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容；

所述电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型；所述电池输出电压公式为：

I₀＝U_ocv-I₀R_s-U_d0,t＝t₀

其中，U₀表示t₀时刻电池端电压，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，I₀表示t₀时刻电池的电流，R_s表示欧姆内阻，U_d0表示t₀时刻RC回路电压。

2.如权利要求1所述的一种电池模型参数在线辨识的方法，其特征在于，所述电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型；所述电池端电压的时域响应模型为：

U_t表示t₀+1时刻之后电池端电压，τ表示RC回路的时间常数，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，其中t₀+1时刻为电池的电流I₀突降到零的时刻。

3.如权利要求2所述的一种电池模型参数在线辨识的方法，其特征在于，所述Thevenin一阶电路模型的微分方程为：

其中，I_L表示电流，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容，R_s表示欧姆内阻。

4.一种电池模型参数在线辨识系统，其特征在于，包括：

电池等效电路模型建立模块，用于根据待测电池建立电池等效电路模型；

电压模型建立模块，用于当所述待测电池在放电过程中，放电电流降为0时，根据所述电池等效电路模型建立电池输出电压公式和电池端电压的时域响应模型；

待测电池模型参数计算模块，用于根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数；

所述根据所述电池输出电压公式和所述电池端电压的时域响应模型得到待测电池模型参数，包括：

步骤3.1：根据所述电池端电压的时域响应模型得到RC回路参数模型；

所述RC回路参数模型为：

其中，t₁和t₂表示在电流降为0至输出电压升为U_ocv之中的时间段内任取的两个时刻，U₁表示在t₁时刻电池端电压，U₂表示在t₂时刻电池端电压；

步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数；其中所述待测电池模型参数包括欧姆内阻、极化内阻和极化电容；

所述步骤3.2：根据所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到待测电池模型参数，包括：

联立所述RC回路参数模型和所述电池输出电压公式得到：

其中，R_s表示欧姆内阻，R_d表示极化内阻，C_d表示极化电容；

所述电池等效电路模型为Thevenin一阶电路模型；所述电池输出电压公式为：

U₀＝U_ocv-I₀R_s-U_d0,t＝t₀

其中，U₀表示t₀时刻电池端电压，U_ocv表示电池达到稳态之后电池端电压，I₀表示t₀时刻电池的电流，R_s表示欧姆内阻，U_d0表示t₀时刻RC回路电压。

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