低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法技术

本发明专利技术公开了一种低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，包括搭建基础等效电路模型、提取等效温度、搭建等效温度电路模型和验证等效温度电路模型四个步骤。有益效果：本发明专利技术通过等效电路模型中各温度下仿真曲线数值，可以得到实验端电压各点对应的等效温度，从而基于等效温度有效模拟出电池的端电压；根据各温度下的仿真端电压推导出来的等效温度，能够很好地缩小仿真与实验误差；通过仿真插值得到的等效温度更适合模型，模型精度更高，效果更好。效果更好。效果更好。

【技术实现步骤摘要】
低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法


[0001]本专利技术涉及一种动力电池的建模方法，特别涉及一种在低温高倍率工况下基于等效温度 的动力电池建模方法，属于动力电池


技术介绍

[0002]电动汽车的安全性主要取决于动力电池系统的安全性，动力电池状态估计是检测电池安 全性的关键指标。目前，基于模型的电池状态估计是研究的热点。电池建模作为动力电池状 态估计的基础，成为研究动力电池特性的主流方法。
[0003]锂离子电池与其他电池相比，因其具有比容量高、比能量高、循环寿命长、自放电率低 和无记忆效应等优点成为现在动力电池发展的主要研究方向。但是，安全性问题对锂电池来 说是至关重要的，尤其是在极端工况下，锂离子电池容易发生短路、失效及热失控而造成燃 烧爆炸等安全事故。温度对电池热点特性具有重要的影响，电池的温度升高使得电池活性物 质的活性增加，可提高电池的充放电电压、效率和可用容量。但是电池温度过高，又会抑制 反应的进行，降低电池性能，并会造成电池爆炸的危险，同时电池长时间工作在高温环境下 电池的寿命也会明显的缩短。电池的温度低的时候，电池的活性明显降低，电池的内阻、极 化电压增加，实际可用容量减少，放电平台低、电池更容易达到放电截止电压，表现为电池 的可用容量减小，电池的能量利用效率下降。目前，考虑温度特性和电特性的电池模型主要 分为热模型、电化学模型、热电耦合模型和等效电路模型。
[0004]锂离子电池的温度是由不同条件下的热输出和冷却方式决定的。在锂离子电池总热量得 到定量保证的前提下，建立热模型的思路逐渐深化，热模型经历了从一维到多维的发展阶段。 Bernardi等假设温度在电池内均匀分布得到了电池内部的热量守恒公式，该模型基于能量守 恒的基本原理，通过研究电化学反应产生的熵变热及焦耳热等，得出了用于计算电池生热速 率的公式。Jong
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Sung Hong等通过温度瞬变测试实验得到结论：电池的放电容量是不同电池 表面温度下放电率的函数，电池的端电压在很大程度上取决于电池的荷电状态、放电速率和 温度。A.M.Bizeray等建立了锂离子电池基于物理的电化学
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热耦合空间分布准二维模型，通 过切比雪夫正交法和Matlab工具求解该模型，减少了状态变量的数目和计算时间，仿真结 果表明，该模型在高倍率充放电时依然具有较高的精度。
[0005]电化学模型精确地描述了锂离子电池内部在充电、放电和弛豫阶段发生的化学反应及特 性，如离子浓度的变化趋势、氧化还原反应的进程、电池容量的衰减情况等。然而建立电化 学模型需要深入了解大量基于电化学结构和性能的参数，如化学成分和材料导电率等。电化 学模型起源很早，Doyle等通过结合多孔电极理论和浓溶液理论建立了真正意义上完整的电 池电化学模型，并且模型中允许使用可变物理属性建模，使得在建立模型的过程中更加灵活， 之后仿真了电池充放电，结果显示仿真结果与试验结果重合度较好。但该模型的缺点在于通 用性较差。Fuller等在前人研究的基础上建立了通用的电池电化学模型。该模型基于电池恒 流充放电建立，首次采用浓溶液理论描述了锂离子在电解质中的扩散与迁移，并同样采用了 叠加法模拟锂离子在电极材料中的嵌入和脱出过程，结果显示
模型具有一定的精度和可靠性， 但是模型依旧停留在电化学领域，未涉及到电池产热与散热。
[0006]单个的热或电特性模型不足以表征电池的所有特性，热电耦合模型将上述两种电池模型 融合，对锂电池的热特性和电化学性能进行综合分析。热电耦合模型通常采用电化学模型作 为电特性模型，同时根据热方程耦合热模型。该模型均采用偏微分方程来描述,能够非常准确 地反映电池的电压和温度响应特性。Hallaj等将电化学与热相结合，建立了简化的一维电化 学
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热模型，用于模拟索尼18650圆柱形电池在不同倍率和冷却速率下的电池内部温度分布。 Gu等推导了电池热能方程的一般形式，提出了一种电化学
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热耦合建模的方法。该方法通过 分析产热和温度相关的物理化学性质，将热能方程与多相微观
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宏观电化学方程相结合，模型 可用于预测电池平均温度及电池内部温度分布。但热电耦合模型由于模型参数较多，计算过 程复杂。
[0007]等效电路模型是电池管理系统中应用最为广泛的电池模型。建模思路是使用电路元件， 如恒压源、电阻和RC网络等建立电路网络来捕获电池I
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V特性和瞬态行为等。该模型在电 池外部动态特性和内部或微观特性之间提供了一个很好的权衡，可以获得准确的实时模拟结 果，同时具有简单的计算过程。
[0008]目前常见的等效电路模型有：Rint模型，Thevenin模型，PNGV模型。Rint模型虽然结 构最简单，参数也容易确定，但是它不能体现电池在工作时的极化现象，因此该模型只是电 池的一种理想状态。Thevenin模型以Rint模型为基础，在电路中增加了RC回路用于体现电 池在工作过程中的极化作用，这种模型考虑到了锂离子电池的极化作用，因此能够比较准确 的描述锂离子电池的动态特性。PNGV模型是在Thevenin模型的基础上进行了简单改进，具 体就是在电路的干路上添加了一个电容用于适应电池工作过程中开路电压，该模型能很好地 描述电池的输出特性，但是串联电容会增大累计误差。尽管Thevenin模型能够模拟电池外特 性，但在实际工况中，温度对电池的实际参数有很大的影响；尤其在低温高倍率工况下，如 果不考虑实时温度的影响，在利用电池模型进行电池特性模拟时将会导致误差增大。

技术实现思路

[0009]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种低温高倍率工况下基于等效 温度的动力电池建模方法。本专利技术根据等效电路模型中各温度下仿真曲线数值，可以得到实 验端电压各点对应的等效温度，从而基于等效温度有效模拟出单体电池的端电压。主要步骤 包括：搭建基础等效电路模型、提取等效温度、搭建等效温度电路模型及所建模型验证。
[0010]技术方案：一种低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一、搭建基础等效电路模型，选择所要搭建基础等效电路模型的类型，对搭建的基 础等效电路模型进行参数进行辨识，获取基础等效电路模型；
[0012]步骤二、提取等效温度，根据各温度下的仿真端电压推导出等效温度；
[0013]步骤三、搭建等效温度电路模型，将步骤二中等效温度代入步骤一中的基础等效电路模 型中，得出基于等效温度电路模型；
[0014]步骤四、验证等效温度电路模型，将等效温度代入等效温度电路模型中，得到等效温度 下模型仿真值，将仿真值与实验值进行对比，验证所提等效温度电路模型的准确性。
[0015]优选项，所述步骤一中搭建的基础等效电路模型为Thevenin等效电路模型，该模型的方 程如下：
[0016]U＝U
oc
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U1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、搭建基础等效电路模型，选择所要搭建基础等效电路模型的类型，对搭建的基础等效电路模型进行参数进行辨识，获取基础等效电路模型；步骤二、提取等效温度，根据各温度下的仿真端电压推导出等效温度；步骤三、搭建等效温度电路模型，将步骤二中等效温度代入步骤一中的基础等效电路模型中，得出基于等效温度电路模型；步骤四、验证等效温度电路模型，将等效温度代入等效温度电路模型中，得到等效温度下模型仿真值，将仿真值与实验值进行对比，验证所提等效温度电路模型的准确性。2.根据权利要求1所述的低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，其特征在于，所述步骤一中搭建的基础等效电路模型为Thevenin等效电路模型，该模型的方程如下：U＝U
oc
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IR0‑
U1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，U
oc
为开路电压，R0表示欧姆内阻，I表示负载电流，U表示端电压，U1表示极化电压，R1C1为极化内阻R1和极化电容C1并联后正负极连接处两端的电压。3.根据权利要求2所述的低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，其特征在于，所述步骤一中对搭建的Thevenin等效电路模型参数进行辨识，Thevenin等效电路模型参数的辨识采用混合脉冲功率性能测试(Hybrid Pulse Power Characteristic,HPPC)试验的方法；具体方法如下：A到B阶段是当电池静置2h后，受到10s的放电脉冲，由电池内部欧姆电阻R0造成电池电压快速从U
A
下降到U
B
，计算公式如下：式中，R0表示欧姆内阻，I表示负载电流；B到C为脉冲放电阶段，由于电池的极化特性，端电压从U
B
缓慢的下降到U
C
，对电路进行时域分析时，选取B到C阶段的端电压数据，得到该段内端电压U
BC
与时间t的函数关系：式中，U
oc
为开路电压，R1为极化内阻，τ1为时间常数，为对时间常数τ1的指数拟合；D到E为脉冲放电之后静置回弹上升阶段，端电压迅速上升然后逐渐趋于稳定状态，极化电容放电的过程RC回路串联的零输入响应，该段内端电压U
DE
与时间t的函数关系：对混合脉冲功率性能测试试验(HPPC)不同阶段的参数辨识电压曲线进行指数拟合，获取相关参数，指数拟合函数表达式为：式中，是的一般化表示，A1和t1代表一般化系数，x代表一般化因变量；
对比式(4)、(5)和(6)可得同样对F到G的脉冲充电阶段、H到I的静置“回弹下降”阶段进行极化参数提取；从I开始进行的是设定倍率固定时间的放电，通过每次脉冲循环中同样倍率同样时间的放电，即I后面的固定时间放电阶段得到相应极化参数。4.根据权利要求1所述的低温高倍率工况下基于等效温度的动力电池建模方法，其特征在于，所述步骤二中等效...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵秀亮，杨政宇，赵明明，乔思秉，王丽梅，汪若尘，纪少波，孙洪良，严学庆，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：