一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法和系统，该方法包括：步骤A：对锂电池进行某温度下的恒流恒压充电和不同温度、倍率下的脉冲充放电测试实验，获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态之间的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应；步骤B：建立锂电池综合模型，所述锂电池综合模型融合了具有由锂电池荷电状态获取的锂电池开路电压的二阶非线性的等效电路模型以及描述动态滞后电压的滞后模型；步骤C：分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识；步骤D：将所获得的动态参数进行仿真验证。该建模方法为锂电池模型的精度与实时性提供保障，能够为基于模型的SOC估计方法提供更精确的信息，进一步提高了BMS的性能。

A Lithium Battery Modeling Method and System Based on Voltage Lag Effect

【技术实现步骤摘要】
一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法和系统
本专利技术涉及电动汽车动力电池管理
，具体涉及一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法和系统。
技术介绍
近百年来随着道路上汽车数量的暴增，给自然环境、工作生活带来了越来越多的危害：能源危机、雾霾频发、交通堵塞等，汽车反而成为了社会进一步发展的障碍。在能源和环境的双重危机下，结合国情与汽车产业发展现状，我国不断推广电动汽车(包括纯电动汽车EV、插电式混合动力汽车PHEV)和燃料汽车FCEV等环保类型的汽车，致力于实现零排放、零污染和能源转型。锂离子电池由于其能量密度高、成本低、循环寿命长已经广泛应用在电动汽车上作为能量存储单元，为了保证电池组的安全可靠，需要动力电池管理系统(BMS)监控电池运行过程中的实时状态以控制充放电过程。同时，一个安全可靠的BMS还可以通过电池均衡，提高续航里程，延长电池使用寿命，否则，将会对电池造成不可逆的损害。通常，BMS采用模型来描述动力电池在使用过程中的变化特征，通过所建立的数学模型可以表示电池内部的化学反应原理和外部电压电流之间的关系，获取电池荷电状态信息(SOC)，得到剩余续航里程，避免过充过放，因此精确的锂离子电池模型可以为基于模型的SOC估计方法提供更精确的信息，对于BMS的性能至关重要。SOC的不准确会降低用户满意度，是企业亟待解决的技术难题。由于电化学电池非线性特征明显，目前广泛使用的有3种电池模型：电化学模型、等效电路模型(ECM)和黑箱模型(数据驱动模型和神经网络模型)。其中ECM由于未知参数少、计算简单应用较为广泛。模型中包含有：被控电压源表示电池开路电压(OCV)，欧姆电阻表示直流内阻和RC并联电路表示电池内部极化反应。其中OCV-SOC关系对SOC估计过程中初值的获取至关重要，然而，由于电池OCV-SOC曲线平坦，存在滞后电压响应，直接影响电池模型的准确性与实时性，即使是较小的OCV误差也会增大SOC估计误差。由于OCV-SOC关系通常是根据先验的充放电测试确定的，因此必须保证实验的精确同时进行参数校准，基于容量增量的分析方法已被用来测量OCV和OCV滞后，但是当初始SOC值不正确，会抵消充电和放电的OCV-SOC曲线，得到的滞后电压部分通常存在较大误差。因此，准确估计OCV之后电压对SOC估计至关重要，而现有的OCV测试都没有考虑时间对于滞后参数间耦合的作用，因此本专利技术除了建立了电池的综合模型外，也提出了新的滞后测试方法，用来获取精确的滞后电压响应。
技术实现思路
针对现有的锂离子电池模型准确性低和实时性差导致增大SOC估计误差从而影响影响锂电池使用寿命以及存在安全隐患等问题，本专利技术提供了一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法，通过获取锂电池充放电端电压与SOC的函数关系来确定开路电压的滞后电压响应，为锂电池模型的精度与实时性提供保障，能够为基于模型的SOC估计方法提供更精确的信息，进一步提高了BMS的性能。本专利技术还涉及一种基于电压滞后效应的锂电池建模系统。本专利技术技术方案如下：一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤A：对锂电池进行某温度下的恒流恒压充电以获取锂电池容量信息，再进行不同温度、倍率下的脉冲充放电测试实验获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态之间的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应；步骤B：建立锂电池综合模型，所述锂电池综合模型融合了具有由锂电池荷电状态获取的锂电池开路电压的二阶非线性的等效电路模型以及描述动态滞后电压的滞后模型；步骤C：分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识；步骤D：将所获得的动态参数进行仿真验证。进一步地，所述步骤A中的恒流恒压充电和脉冲充放电测试实验包括下述步骤：步骤A1：在某温度下静置3-5小时后，首先采用恒流—恒压的方式将锂电池充满电，继而恒流放电，然后静置3-5小时，重复3次确定锂电池的实际容量；步骤A2：静置3-5小时；步骤A3：然后在不同温度、倍率下采用与充电电流相同的电流值进行脉冲放电，每放锂电池容量的特定百分比后静置2小时，至截止电压；步骤A4：最后再采用与步骤A1相同的充电电流进行脉冲充电，每充锂电池容量的特定百分比后静置2小时，至截止电流。进一步地，所述步骤B中是根据Play算子的包络函数的输入输出关系将具有不同阈值和加权值的play算子进行线性加权叠加进而获取的滞后模型。进一步地，所述步骤B中的等效电路模型具有开路电压、滞后电压相应、电化学极化电压以及浓差极化电压。进一步地，所述步骤C中的分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识包括：对建立的锂电池综合模型进行仿真，利用参数估计算法辨识锂电池综合模型的动态参数，对锂电池综合模型的不同参数利用最小二乘法进行自动优化，并通过信赖域反射算法约束优化，直至仿真输出与步骤A的实验结果匹配。进一步地，所述步骤D中的将所获得的动态参数进行仿真验证包括：对锂电池进行恒流放电，记录锂电池的端电压数据，然后以同样的电流作为锂电池综合模型的输入，设置仿真时间与实验时间一致，将仿真步长设定为固定步长，并与实验数据采样时间间隔一致，获得锂电池综合模型的电压估计值结果。一种基于电压滞后效应的锂电池建模系统，其特征在于，包括依次连接的实验模块、建模模块、参数辨识模块和参数验证模块，所述实验模块：对锂电池进行某温度下的恒流恒压充电和不同温度、倍率下的脉冲充放电测试实验，获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态之间的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应；所述建模模块：建立锂电池综合模型，所述锂电池综合模型融合了具有由锂电池荷电状态获取的锂电池开路电压的二阶非线性的等效电路模型以及描述动态滞后电压的滞后模型；所述参数辨识模块：分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识；所述参数验证模块：将所获得的动态参数进行仿真验证。进一步地，所述建模模块是根据Play算子的包络函数的输入输出关系将具有不同阈值和加权值的play算子进行线性加权叠加进而获取的滞后模型，所述等效电路模型具有开路电压、滞后电压相应、电化学极化电压以及浓差极化电压。进一步地，所述参数辨识模块是对建立的锂电池综合模型进行仿真，利用参数估计算法辨识锂电池综合模型的动态参数，对锂电池综合模型的不同参数利用最小二乘法进行自动优化，并通过信赖域反射算法约束优化，直至仿真输出与实验模块的实验结果匹配。进一步地，所述参数验证模块是对锂电池进行恒流放电，记录锂电池的端电压数据，然后以同样的电流作为锂电池综合模型的输入，设置仿真时间与实验时间一致，将仿真步长设定为固定步长，并与实验数据采样时间间隔一致，获得锂电池综合模型的电压估计值结果。本专利技术技术效果如下：本专利技术提供了一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法，该方法考虑了动态滞后电压特征，首先设计合理有效的锂电池充放电测试实验，获得电池在不同环境温度、不同放电倍率下的电池电压、电流等数据，获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应，避免了实验方法对于数据以及模型精度的影响，考虑了滞后时间增加时参数之间的耦合作用，可以获得更精确的电池OCV及其滞后响应；再建立等效电路模型和滞后模型并进一步融合为锂电池综合模型，等效电路模型为具有由锂电池荷电状态本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤A：对锂电池进行某温度下的恒流恒压充电以获取锂电池容量信息，再进行不同温度、倍率下的脉冲充放电测试实验获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态之间的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应；步骤B：建立锂电池综合模型，所述锂电池综合模型融合了具有由锂电池荷电状态获取的锂电池开路电压的二阶非线性的等效电路模型以及描述动态滞后电压的滞后模型；步骤C：分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识；步骤D：将所获得的动态参数进行仿真验证。

【技术特征摘要】
1.一种基于电压滞后效应的锂电池建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤A：对锂电池进行某温度下的恒流恒压充电以获取锂电池容量信息，再进行不同温度、倍率下的脉冲充放电测试实验获取锂电池充放电端电压与锂电池荷电状态之间的函数关系，进而分析确定开路电压中的滞后电压响应；步骤B：建立锂电池综合模型，所述锂电池综合模型融合了具有由锂电池荷电状态获取的锂电池开路电压的二阶非线性的等效电路模型以及描述动态滞后电压的滞后模型；步骤C：分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识；步骤D：将所获得的动态参数进行仿真验证。2.根据权利要求1所述的锂电池建模方法，其特征在于，所述步骤A中的恒流恒压充电和脉冲充放电测试实验包括下述步骤：步骤A1：在某温度下静置3-5小时后，首先采用恒流—恒压的方式将锂电池充满电，继而恒流放电，然后静置3-5小时，重复3次确定锂电池的实际容量；步骤A2：静置3-5小时；步骤A3：然后在不同温度、倍率下采用与充电电流相同的电流值进行脉冲放电，每放锂电池容量的特定百分比后静置2小时，至截止电压；步骤A4：最后再采用与步骤A1相同的充电电流进行脉冲充电，每充锂电池容量的特定百分比后静置2小时，至截止电流。3.根据权利要求1或2所述的锂电池建模方法，其特征在于，所述步骤B中是根据Play算子的包络函数的输入输出关系将具有不同阈值和加权值的play算子进行线性加权叠加进而获取的滞后模型。4.根据权利要求3所述的锂电池建模方法，其特征在于，所述步骤B中的等效电路模型具有开路电压、滞后电压相应、电化学极化电压以及浓差极化电压。5.根据权利要求3所述的锂电池建模方法，其特征在于，所述步骤C中的分别对锂电池综合模型中的动态参数进行辨识包括：对建立的锂电池综合模型进行仿真，利用参数估计算法辨识锂电池综合模型的动态参数，对锂电池综合模型的不同参数利用最小二乘法进行自动优化，并通过信赖域反射算法约束优化，直至仿真输出与步骤A的实验结果匹配。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世春，何瑢，华旸，郭斌，闫啸宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11