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KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法技术

技术编号:15689494 阅读:228 留言:0更新日期:2017-06-24 01:06
本发明专利技术公开了一种KiBaM‑分数阶等效电路综合特征电池模型及辨识方法,综合考虑了电池电化学特性和非线性电气特性,实现了KiBaM电化学模型与等效电路模型之间的有机融合、优势互补,能精确捕获动力电池之非线性容量特性和动态电气特性。其中,KiBaM电化学模型考虑了电池的恢复效应和比容量效应,很好地描述电池的非线性容量效应及运行时间的内部特性;分数阶变阶RC等效电路模型用于描述电池的极化效应和浓差效应,很好地描述电池的输出I‑V外部特性。本发明专利技术提供了一个精确且易实现的电池综合特征模型,实现了对动力电池内部特征和外部特性的综合精确模拟,具有较高的实用价值。

KiBaM features fractional equivalent circuit battery model and parameter identification method

The invention discloses a KiBaM comprehensive characteristics of fractional order equivalent circuit battery model and identification method, considering the electrochemical characteristics and nonlinear electrical characteristics, realize the organic integration and complementary between the model and the equivalent circuit model of KiBaM electrochemical advantages, can accurately capture the nonlinear characteristics of power battery capacity and dynamic electrical characteristics. The KiBaM electrochemical model takes into account the battery recovery effect and capacity effect, a good description of the internal characteristics of the nonlinear effect and the operation time of the battery capacity; Variable Order Fractional RC equivalent circuit model is used to describe the polarization effect of the battery and concentration effect, the output has a good description of the battery I V external characteristics. The invention provides an accurate and easy to realize battery integrated characteristic model, and realizes the comprehensive and accurate simulation of the internal characteristics and the external characteristics of the power battery, and has higher practical value.

【技术实现步骤摘要】
KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法
本专利技术涉及一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法。
技术介绍
随着能源危机和环境污染日益严重,电动汽车已成为全世界关注的焦点。目前车载动力电池是制约电动汽车规模发展的瓶颈,对整车动力性、经济性和安全性至关重要。精确的电池模型对动力电池的组分设计、安全管理和运行具有重要意义,是电池荷电状态估计、健康状态估算方法的基础。然而,建立一个精确且结构简单的电池模型绝非易事,这是因为内部化学反应复杂,具有高度的非线性和不确定性。电池模型发展到现阶段,按照建模机理的不同可以划分为表现电池内部特征的电化学模型、简化的电化学模型、热模型等,以及描述电池外部特征的随机模型、神经网络模型、等效电路模型等。其中,电化学模型使用复杂非线性微分方程描述电池内部化学过程,精确但太过抽象;热模型主要研究电池的生热、传热过程,可与电化学模型耦合;但以上模型均难以表征电池的电气参数,不宜用于电气、控制电路设计与仿真等;随机模型主要关注电池的恢复特性,将电池行为描述为一个马尔科夫过程,能够很好地描述电池的脉冲放电特性,但是不适合于变电流负载情况;神经网络模型具有良好的非线性映射能力、快速的并行处理能力、较强的自学习和自组织能力等,但是需要大量实验数据,且模型误差易受训练数据和训练方法的影响。因此上述几种模型在实际的电气设计和仿真应用中受到了很大限制。等效电路模型,根据电池的物理特性使用不同物理元器件如电压源、电流源、电容和电阻等构成等效电路模型来模拟电池的I-V特性,因其简单直观的形式,以及适宜于电气设计与仿真等优点,已成为应用最为广泛的一种模型。在等效电路模型中,相比其他等效电路模型,如Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、GNL模型等,二阶RC等效电路模型物理意义清晰、模型参数辨识试验相对容易、模型精度较高,可以准确、直观地模拟电池的动态特性。但是,二阶RC模型在电池充放电初期和末期,由于模型阶数较低,存在较大的拟合误差,不能精确地模拟电池的动静态特性。增加RC的串联阶数可以提高电池模型的准确性和更好地模拟动力电池的充放电特性,但是阶数过高将不利于获取模型中的参数,也会大大增加模型的计算量,甚至会导致系统震荡,所以应该限制RC的阶数。因此,定结构等效电路模型难以描述锂电池两端陡中间平的非线性电压特性,不能解决模型的准确性和实用性之间的矛盾。为此,中国专利技术专利申请(专利号ZL201410185885.7)提出了一种基于AIC准则的变阶RC等效电路模型,通过略微增加模型的复杂度,实现了更加准确地描述锂离子动力电池两端陡中间平的非线性电压特性,误差在0.04V以内,有效解决了模型复杂度和实用性之间的矛盾,具有较高的实用价值。然而,上述传统整数阶的RC电池模型,模型阶次之间的切换只能是整数阶的变化,模型阶数波动大,不符合自然界中渐变的发展规律,因此模型精度受到很大的限制。事实上,锂电池因其特殊的材料和化学特性,电池内部电化学反应过程极其复杂,包括导电离子转移、内部电化学反应、充放电迟滞效应以及浓差扩散效应等,表现出较强的非线性特性,展现出了分数阶动力学行为,用整数阶描述电池特性其精度受到很大的限制,而釆用分数阶微积分描述那些本身带有分数阶特性的对象时,能更好地描述对象的本质特性及其行为。传统的等效电路模型虽然可以描述电池的I-V输出外特性,但难以表现电池的非线性容量效应及运行时间等内部特征,而KiBaM电化学模型(KiBaM,全称为KineticBatteryModel)却很巧妙的解决了这一难题。KiBaM模型是一个比较直观的电化学模型,考虑了电池的恢复效应和比容量效应,采用一个降阶方程来表征电池的非线性容量效应及运行时间等内部特征,能够很好地描述电池的非线性放电特性;但是KiBaM模型本身却不能描述电池的I-V外特性。因此KiBaM电化学模型与等效电路模型,二者自然形成了一种取长补短、优势互补的关系,但将两者结合并非易事。目前还未发现将KiBaM模型与分数阶等效电路进行综合建模特征的有关研究,因此本专利技术独具创新,具有较好的应用价值。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题,提出了一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法,本专利技术综合考虑了电池电化学特性和非线性电气特性,实现了KiBaM电化学模型与等效电路模型之间的有机融合、优势互补,能精确捕获动力电池之非线性容量特性和动态电气特性。本专利技术的第一目的是提供一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,该模型考虑了电池的恢复效应和比容量效应,很好地描述电池的非线性容量效应及运行时间的内部特性;分数阶变阶RC等效电路模型用于描述电池的极化效应和浓差效应,很好地描述电池的输出I-V外部特性。本专利技术的第二目的是提供上述模型的参数辨识方法,本方法能够使得KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型在工作过程中快捷的识别必要参数,以使得建模成立,保证模型的精确且易实现,以能够实现对动力电池内部特征和外部特性的综合精确模拟,具有较高的实用价值。为了实现上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,包括表现电池非线性容量特性的KiBaM电化学模型和表现电池I-V特性的分数阶等效电路模型两部分,其中:所述KiBaM电化学模型包括临时容量与可获得容量部分,所述的临时容量部分表示放电时可直接获得的电量,表示电池的荷电状态;所述的可获得容量部分表示不能直接获取的电量,两部分相连通,当电池放电时,负载电流从临时容量部分流出,同时获得容量部分的电量通过速率系数,利用临时容量与可获得容量部分的高度比、结合电池容量特性分数阶阶次的大小,表达电池的非线性容量效应和电池恢复效应;所述分数阶等效电路模型,包括SOC控制的受控电压源和两个相并联的分数阶浓差极化等效支路,SOC控制的受控电压源的正极端与两个相并联支路的一端相连,负极端与电池模型的负极端相连,所述两个相并联的支路的另一端与电池模型的正极端相连。所述的临时容量部分与可获得容量部分之和为电池的总容量。当电池完全放电结束后,临时容量部分的高度为零。所述的临时容量记为y1,表示放电时可直接获得的电量,其高度记为h1,表示电池的荷电状态SOC;所述的可获得容量记为y2,表示不能直接获取的电量,其高度记为h2;并且,y1与y2之和是电池的总容量;c代表两部分之间电池容量的分配比例,且存在以下关系:所述KiBaM电池模型部分,临时容量y1和可获得容量y2与代表电池荷电状态SOC的h1和h2之间关系表示为:式中,临时容量记为y1,表示放电时可直接获得的电量,其高度记为h1,表示电池的荷电状态SOC;所述的可获得容量记为y2,表示不能直接获取的电量,其高度记为h2;并且,y1与y2之和是电池的总容量;c代表两个部分之间电池容量的分配比例;k表示从临时容量部分流到可获得容量的速率系数。通过建立的KiBaM电池模型,获取当前的电池总剩余容量y(t)、可用容量Cavail(t)、不可用容量Cunavail(t)和电池荷电状态SOC,以捕获电池运行时间和动力电池非线性容量内特征。动力电池的荷电状态SOC表示为:其中,电池的不可用容量Cunav本文档来自技高网
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KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法

【技术保护点】
一种KiBaM‑分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:包括表现电池非线性容量特性的KiBaM电化学模型和表现电池I‑V特性的分数阶等效电路模型两部分,其中:所述KiBaM电化学模型包括临时容量与可获得容量部分,所述的临时容量部分表示放电时可直接获得的电量,表示电池的荷电状态;所述的可获得容量部分表示不能直接获取的电量,两部分相连通,当电池放电时,负载电流从临时容量部分流出,同时获得容量部分的电量通过速率系数,利用临时容量与可获得容量部分的高度比、结合电池容量特性分数阶阶次的大小,表达电池的非线性容量效应和电池恢复效应;所述分数阶等效电路模型,包括SOC控制的受控电压源和两个相并联的分数阶浓差极化等效支路,SOC控制的受控电压源的正极端与两个相并联支路的一端相连,负极端与电池模型的负极端相连,所述两个相并联的支路的另一端与电池模型的正极端相连。

【技术特征摘要】
1.一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:包括表现电池非线性容量特性的KiBaM电化学模型和表现电池I-V特性的分数阶等效电路模型两部分,其中:所述KiBaM电化学模型包括临时容量与可获得容量部分,所述的临时容量部分表示放电时可直接获得的电量,表示电池的荷电状态;所述的可获得容量部分表示不能直接获取的电量,两部分相连通,当电池放电时,负载电流从临时容量部分流出,同时获得容量部分的电量通过速率系数,利用临时容量与可获得容量部分的高度比、结合电池容量特性分数阶阶次的大小,表达电池的非线性容量效应和电池恢复效应;所述分数阶等效电路模型,包括SOC控制的受控电压源和两个相并联的分数阶浓差极化等效支路,SOC控制的受控电压源的正极端与两个相并联支路的一端相连,负极端与电池模型的负极端相连,所述两个相并联的支路的另一端与电池模型的正极端相连。2.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:所述的临时容量部分与可获得容量部分之和为电池的总容量。3.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:当电池完全放电结束后,临时容量部分的高度为零。4.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:所述的临时容量记为y1,表示放电时可直接获得的电量,其高度记为h1,表示电池的荷电状态SOC;所述的可获得容量记为y2,表示不能直接获取的电量,其高度记为h2;并且,y1与y2之和是电池的总容量;c代表两部分之间电池容量的分配比例,且存在以下关系:5.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:所述KiBaM电池模型部分,临时容量y1和可获得容量y2与代表电池荷电状态SOC的h1和h2之间关系表示为:式中,临时容量记为y1,表示放电时可直接获得的电量,其高度记为h1,表示电池的荷电状态SOC;所述的可获得容量记为y2,表示不能直接获取的电量,其高度记为h2;并且,y1与y2之和是电池的总容量;c代表两个部分之间电池容量的分配比例;k表示从临时容量部分流到可获得容量的速率系数。6.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电路综合特征电池模型,其特征是:通过建立的KiBaM电池模型,获取当前的电池总剩余容量y(t)、可用容量Cavail(t)、不可用容量Cunavail(t)和电池荷电状态SOC,以捕获电池运行时间和动力电池非线性容量内特征。7.如权利要求1所述的一种KiBaM-分数阶等效电...

【专利技术属性】
技术研发人员:张承慧商云龙张奇段彬崔纳新周忠凯
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东,37

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