分数阶KiBaM-等效电路综合特征电池模型及其参数辨识方法技术

本发明专利技术涉及一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型及其参数辨识方法，本发明专利技术模型建模采用分数阶微积分原理，使模型获得了更多的自由度、更大的柔性和新意，分数阶的引入也增加了许多新的现象和规律，具有常规整数阶电池模型无法实现的优越，本发明专利技术将KiBaM电化学模型和等效电路模型，均推广到分数阶，并基于最小二乘法辨识不同SOC处的模型参数和阶次，从而获得了一个根据SOC变阶的分数阶电池模型实现了电池KiBaM电化学模型与二阶RC等效电路模型的优势互补，能够同时描述电池的非线性容量效应及运行时间和输出I‑V外特性，实现对动力电池内部特征和外部特性的综合模拟，具有较高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
分数阶KiBaM-等效电路综合特征电池模型及其参数辨识方法
本专利技术属于电池状态估计与性能评价的
，尤其涉及一种分数阶KiBaM-等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法。
技术介绍
目前电动汽车已成为未来汽车发展的主要方向，但车载动力电池是制约电动汽车规模发展的主要瓶颈。精确的电池模型对车载动力电池的合理设计和安全运行具有重要意义，是对电池状态估计与性能评价的基础。然而，建立一个精确且结构简单的电池模型绝非易事，究其原因，动力电池内部化学反应十分复杂，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模型和描述电池外部特征的模型；表现电池内部特征的模型包括电化学模型、简化的电化学模型、热模型等，描述电池外部特征的模型包括随机模型、神经网络模型、等效电路模型等。其中，等效电路模型，是根据电池的物理特性使用不同物理元器件(如电压源、电容和电阻等)构成等效电路来模拟电池的I-V特性，形式简单直观，适宜于仿真分析和电气设计等，已成为被广泛应用的一种模型；而其他几类模型在仿真分析和电气设计等实际应用中受限。在等效电路模型中，二阶RC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，在电池充放电初期和末期，由于二阶RC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串联阶数可以提高模型的准确性，但是模型参数辨识难度加大，计算量也大大增加，甚至会导致系统震荡，所以应限制RC的串联阶数。然而，固定RC阶数的定结构等效电路模型难以描述电池两端陡中间平的非线性电压特性，不能解决模型准确性和实用性之间的矛盾。中国专利技术专利ZL201410185885.7提出了一种基于AIC准则的变阶RC等效电路模型及参数辨识方法，该模型选取RC模型为基础模型，基于AIC准则在不同SOC处充分权衡模型的复杂度和精确性，确定每个SOC处的最优RC阶数，并通过控制切换开关实现变阶数的RC模型，以尽量简洁的模型结构在所有工作范围内精确模拟动力电池的动静态特性，易于工程实现且精度高，达到了模型复杂度和准确性的综合最优。但是，这种RC等效电路电池模型，模型切换只是整数阶次的变化，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，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，更适合用分数阶(非整数阶)模型来模拟。中国专利技术专利201410797302.6在传统整数阶二阶RC模型基础上，提出一种锂离子电池分数阶变阶等效电路模型及其参数辨识方法，将二阶RC电路模型推广到非整数阶，并基于最小二乘法辨识不同SOC处的模型参数和分数阶阶数，获得一个根据SOC变阶的分数阶等效电路模型。分数阶的引入实现了模型阶数的连续变化，使得模型更加稳定、动态性能更优、精度更高；分数阶的变阶实现了模型更多的自由度、更大的柔性和新意。由于未增加RC网络的个数，分数阶模型有效解决了模型准确性和实用性之间的矛盾，适用于电池的各种工况，具有较高的实用价值，为SOC的精确估计提供了一个精确且易实现的电池模型。然而，等效电路模型也存在一定的不足。等效电路模型虽可以准确描述电池的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。KiBaM电化学模型(KiBaM，全称为KineticBatteryModel)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，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，能够很好地描述电池的放电特性。KiBaM电化学模型考虑了电池的恢复效应和比容量效应，可以准确表现电池的内部特征，但是它们不能描述电池对电池系统设计和电路仿真具有重要意义的I-V特性。因此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。除此之外，流体运动特性实际上仍然表现出很强的分数阶微积分特性。目前还未发现采用分数阶微积分研究KiBaM电化学模型的成果。综上所述，现有技术中电池模型如何兼顾电池可用容量非线性特性和I-V输出电特性这两个电池模型建模难题，如何实现电池外特性与内特性的关联和综合模拟的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，克服现有技术中电池模型如何兼顾电池可用容量非线性特性和I-V输出电特性这两个电池模型建模难题，如何实现电池外特性与内特性的关联和综合模拟的问题，提供一种分数阶KiBaM-等效电路综合特征电池模型及参数辨识方法，实现了电池KiBaM电化学模型与二阶RC等效电路模型的优势互补，能够同时描述电池的非线性容量效应及运行时间和输出I-V外特性，实现对动力电池内部特征和外部特性的综合模拟。其中，分数阶KiBaM电化学模型很好地描述电池的放电特性，考虑了电池的恢复效应和比容量效应；分数阶等效电路模型很好地描述电池的I-V外特性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，该电池模型包括电池非线性容量模型和电池I-V特性电路；所述电池非线性容量模型为分数阶KiBaM电化学模型，采用临时容量和可获得容量用于描述电池模型的非线性容量特性；所述临时容量和所述可获得容量之和是电池模型总容量，所述临时容量的电池荷电状态SOC为所述临时容量与其占电池容量的分配比例之商，所述可获得容量的电池荷电状态SOC为所述可获得容量与1与其占电池容量的分配比例之差之商，所述电池非线性容量模型精确捕获电池运行时间和动力电池非线性容量内特征；所述电池I-V特性电路包括充电支路和放电支路，所述充电支路和放电支路均包括两组串联的分数阶RC环和一个欧姆内阻，SOC控制电压源的正极端与所述充电支路和放电支路相并联的支路的一端相连，SOC控制电压源的负极端与电池模型的负极端相连；所述电池非线性容量模型和所述电池I-V特性电路通过电流及SOC控制电压源建立联系。进一步的，在所述分数阶KiBaM电化学模型中，所述临时容量表示放电时可直接获得的电量，所述临时容量的高度表示所述临时容量的电池的荷电状态SOC；所述可获得容量表示不能直接获取的电量，所述可获得容量的高度表示所述可获得容量的电池的荷电状态SOC；所述临时容量和所述可获得容量满足：其中，y1为临时容量，h1为临时容量的高度，y2为可获得容量，h2为可获得容量的高度，k为从临时容量流到可获得容量的速率系数，c为临时容量和可获得容量之间电池容量的分配比例，u为KaBiM模型的分数阶阶次，i为负载电流。进一步的，在所述分数阶KiBaM电化学模型中，所述临时容量和可获得容量的高度差满足：δh(t)＝h2(t)-h1(t)(2)其中，δh(t)为临时容量和可获得容量的高度差，h1为临时容量的高度，h2为可获得容量的高度；电池的不可用容量满足：Cunavail(t)＝(1-c)δh(t)(3)电池剩余总容量满足：其中，Cmax为电池的最大容量；Cavail为电池的可用容量；Cunavail为电池的不可用容量，代表了由于电池非线性容量特性影响的电池非线性SOC变量。进一步的，所述分数阶KiBaM电化学模本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：该电池模型包括电池非线性容量模型和电池I‑V特性电路；所述电池非线性容量模型为分数阶KiBaM电化学模型，采用临时容量和可获得容量用于描述电池模型的非线性容量特性；所述临时容量和所述可获得容量之和是电池模型总容量，所述临时容量的电池荷电状态SOC为所述临时容量与其占电池容量的分配比例之商，所述可获得容量的电池荷电状态SOC为所述可获得容量与1与其占电池容量的分配比例之差之商，所述电池非线性容量模型精确捕获电池运行时间和动力电池非线性容量内特征；所述电池I‑V特性电路包括充电支路和放电支路，所述充电支路和放电支路均包括两组串联的分数阶RC环和一个欧姆内阻，SOC控制电压源的正极端与所述充电支路和放电支路相并联的支路的一端相连，SOC控制电压源的负极端与电池模型的负极端相连；所述电池非线性容量模型和所述电池I‑V特性电路通过电流及SOC控制电压源建立联系。

【技术特征摘要】
1.一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：该电池模型包括电池非线性容量模型和电池I-V特性电路；所述电池非线性容量模型为分数阶KiBaM电化学模型，采用临时容量和可获得容量用于描述电池模型的非线性容量特性；所述临时容量和所述可获得容量之和是电池模型总容量，所述临时容量的电池荷电状态SOC为所述临时容量与其占电池容量的分配比例之商，所述可获得容量的电池荷电状态SOC为所述可获得容量与1与其占电池容量的分配比例之差之商，所述电池非线性容量模型精确捕获电池运行时间和动力电池非线性容量内特征；所述电池I-V特性电路包括充电支路和放电支路，所述充电支路和放电支路均包括两组串联的分数阶RC环和一个欧姆内阻，SOC控制电压源的正极端与所述充电支路和放电支路相并联的支路的一端相连，SOC控制电压源的负极端与电池模型的负极端相连；所述电池非线性容量模型和所述电池I-V特性电路通过电流及SOC控制电压源建立联系。2.如权利要求1所述的一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：在所述分数阶KiBaM电化学模型中，所述临时容量表示放电时可直接获得的电量，所述临时容量的高度表示所述临时容量的电池的荷电状态SOC；所述可获得容量表示不能直接获取的电量，所述可获得容量的高度表示所述可获得容量的电池的荷电状态SOC；所述临时容量和所述可获得容量满足：其中，y1为临时容量，h1为临时容量的高度，y2为可获得容量，h2为可获得容量的高度，k为从临时容量流到可获得容量的速率系数，c为临时容量和可获得容量之间电池容量的分配比例，u为KaBiM模型的分数阶阶次，i为负载电流。3.如权利要求2所述的一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：在所述分数阶KiBaM电化学模型中，所述临时容量和可获得容量的高度差满足：δh(t)＝h2(t)-h1(t)(2)其中，δh(t)为临时容量和可获得容量的高度差，h1为临时容量的高度，h2为可获得容量的高度；电池的不可用容量满足：Cunavail(t)＝(1-c)δh(t)(3)电池剩余总容量满足：其中，Cmax为电池的最大容量；Cavail为电池的可用容量；Cunavail为电池的不可用容量，代表了由于电池非线性容量特性影响的电池非线性SOC变量。4.如权利要求3所述的一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：所述分数阶KiBaM电化学模型，当电池放电时，负载电流i从临时容量y1流出，同时可获得容量y2的电量通过从临时容量流到可获得容量的速率系数k慢慢流入临时容量y1，且流出的速度要比从可获得容量y2流入临时容量y1的速度快，临时容量y1下降更快，临时容量y1和可获得容量y2高度差随之增加；当电池停止放电时，y1的电量会有所回升，直到y1和y2高度相等，是电池恢复效应的体现，同时也说明了当放电电流越大时，所放出的电量就越小，体现了电池的非线性容量效应；所述分数阶KiBaM电化学模型，可以得到当前的电池可用容量、不可用容量和SOC，而I-V特性电路的受控电压源OCV随分数阶KiBaM电化学模型的SOC变化而变化。5.如权利要求1所述的一种分数阶KiBaM电化学与分数阶等效电路综合特征电池模型，其特征是：在所述电池I-V特性电路中，所述分数阶RC环包括并联的分数阶电容FOE和电容；所述放电支路包括依次串联的二极管Dd、分数阶电容FOE1d与电阻R1d组成的分数阶RC回路、分数阶电容FOE2d与电阻R2d组成的分数阶RC回路及电阻Rod；充电支路包括依次串联的反接二极管D...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承慧，张奇，商云龙，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