一种锂离子电池分段组合式建模方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池分段组合式建模方法，步骤如下：S1：将全频率分为m个区间，将电池模型在每个频率区间上分段表达为整数阶等效电路模型，组合成新型电池模型。S2：对目标电池进行全频率的电化学阻抗谱测试；S3：利用电化学阻抗谱数据对m个子模型的模型参数进行离线辨识，然后在频域上建立电池整数阶等效电路模型的分段函数；S4：在时域上将电池模型表达为m个整数阶等效电路模型串联而成，即电池的端电压等于m个子模型的端电压的加权累加。本发明专利技术在频域上对整数阶等效电路模型进行分段表述及模型参数的分段辨识，然后转化到时域上电池电压表达式，使得建立的整数阶等效电路模型具备超过分数阶等效电路模型的精度且大大降低复杂度。大降低复杂度。大降低复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池分段组合式建模方法


[0001]本专利技术属于锂离子动力电池建模
，尤其涉及一种锂离子电池分段组合式建模方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池模型是现代电池管理系统的基础，它的准确性对电池状态估计及故障诊断至关重要。现有的电池建模技术可以分为机理模型、数据驱动模型和等效电路模型。机理模型由复杂的微分方程构成，耦合参数多，计算负担大且很难在线应用。数据驱动模型高度依赖于训练数据集，需要大量的可信数据才能保证模型精度。等效电路模型分为整数阶等效电路模型及分数阶等效电路模型。整数阶等效电路模型使用电阻器(R)和电容器(C)等元件来模拟电池的动态性能，该模型被广泛使用。然而，纯RC元件无法准确拟合电池的频率行为。分数阶等效电路模型使用常相位元件(CPE)来替换RC元件中的一些(或全部)纯电容器来提高模型精度，但计算复杂度比整数阶等效电路模型复杂至少十倍，很难在线应用。因此，开发新的电池建模技术使电池模型在复杂度与精度之间达到均衡对电池管理系统十分关键。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池分段组合式建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0004]S1：将全频率分为m个区间，将锂离子电池的电池模型在每个频率区间上分段表达为整数阶等效电路模型，构成一个频域上含有m个分数阶等效电路子模型的新型电池模型；
[0005]S2：对目标锂离子电池进行全频率的电化学阻抗谱测试，得到目标锂离子电池在每个频率下的电池阻抗数据；
[0006]S3：利用得到的电池阻抗数据对m个分数阶等效电路子模型的参数进行离线辨识，确定每个频率区间内各个分数阶等效电路子模型的模型参数，进而在频域上建立电池整数阶等效电路模型的分段函数来描述电池的动态特征；
[0007]S4：在时域上将电池模型表达为m个整数阶等效电路模型组合而成，即电池的端电压等于各个整数阶等效电路子模型的端电压的加权累加，加权参数由信号在对应频率区间的能量决定，各个分数阶等效电路子模型参数为S3中确定的整数阶等效电路模型的对应参数。
[0008]进一步地，所述S2中，通过对目标电池进行全频率的电化学阻抗谱测试，利用所得的测试数据对整数阶等效电路模型进行分段离线辨识，即将频率分为m段，使用得到的m组模型参数来提高模型精度。
[0009]进一步地，所述模型参数辨识方法为：使用优化算法寻找最优的模型参数，使模型阻抗和测量阻抗于所在的频率段内的均方根误差最小。
[0010]进一步地，所述新型电池模型在频域上是由m个整数阶等效电路模型频域表达式
的组合，在不同的频率分段内选择具有不同模型参数的整数解等效电路模型，所述新型电池模型的表达式为
[0011][0012]所述新型电池模型的表达式中，f为频率；Z
FDM
(f)为阻抗模型；R0、R
n
、C
n
为分数阶等效电路模型的模型参数，n＝1，2，3......；n为分数阶模型的阶数；上标m为频率的分段数。
[0013]进一步地，所述整数阶等效电路模型为n
‑
RC模型，模型电压为各个整数阶等效电路模型端电压的加权后之和，通过如下公式计算：
[0014][0015][0016]以上计算公式中，U
FDM
(k+1)为k+1时刻所提出模型的端电压；(k+1)为k+1时刻所提出模型的端电压；为第m个整数阶等效电路模型的端电压；w
m
为第m个子模型的权重；I为电流；OCV为开路电压，是电池的荷电状态的函数；为第m格子模型中第n个RC网络端的电压。
[0017]进一步地，所述w
m
的确定方法由信号在对应频率区间的能量决定，信号在某个频段的能量和权重成正比，即当电流的频率处于(f
m
,f
m+1)
内，则第m个区间上的整数阶等效电路模型的权重w
m
接近于1，其他区间上的整数阶等效电路模型的权重接近于0，所述w
m
的数学计算公式表示为：
[0018][0019][0020]上述计算公式中，P是单边幅度谱，由快速傅里叶变换得到；L为是与信号长度；与分别为向上和向下取整。
[0021]进一步地，对锂离子电池在不同条件下分别进行全频率的阻抗测试，通过步骤S1
‑
S4得到不同条件下的m组模型参数集，构成复杂条件下的频率分区间的等效电路模型。
[0022]进一步地，所述不同条件包括不同老化程度、不同温度和不同SOC。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果主要体现在：
[0024]1、与机理模型相比，本专利技术所提出的建模方法不依赖于电池电化学建模，具有模
型结构简单、计算负担小、可在线应用等优点。
[0025]2、与传统的分数阶等效电路模型相比，本专利技术所提出的建模方法的计算复杂度更低，避免了分数阶模型因复杂的分数阶微积分在时域中难以实现的缺点，能实现在线应用。
[0026]3、与传统的整数阶等效电路模型相比，本专利技术所提出的建模方法避免了纯RC元件无法准确拟合电池频率行为的缺点，提供了更高的拟合精度，在频域和时域上减小了建模误差，在准确性和复杂性之间取得平衡。
附图说明
[0027]图1为根据本专利技术的一种使用整数阶等效电路模型模拟分数阶等效电路模型的锂离子电池分段组合式建模方法的流程框图；
[0028]图2为整数阶等效电路模型(3RC)示意图；
[0029]图3为所提出的模型的结构示意图。
具体实施方式
[0030]下面将结合示意图对本专利技术一种锂离子电池分段组合式建模方法进行更详细的描述，其中表示了本专利技术的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本专利技术，而仍然实现本专利技术的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本专利技术的限制。
[0031]如图1所示，一种使用整数阶等效电路模型模拟分数阶等效电路模型的锂离子电池分段组合式建模方法，具体包括以下步骤：
[0032]步骤S1：将全频率分为3个区间，频率区域被分别标记为f<f1,f1≤f≤f2和f2<f。将电池模型在每个频率区间上分段表达为分数阶等效电路模型，构成了一个频域上的含有3个整数阶等效电路子模型的新型电池模型。即电池阻抗模型可以表述如下：
[0033][0034]步骤S2：利用专业的阻抗谱仪对目标电池进行全频率的电化学阻抗谱离线测试，得到每个频率下的电池阻抗数据。
[0035]步骤S3:参考图2，基于S2所得的数据对S1中的分段模型进行离线辨识。辨识的方法是利用传统的优化算法(例如遗传算法、粒子群算法等)在每个频率区间内分别对模型参数进行优化，优化目标为模型得出的阻抗与实验测试阻抗的均方根误差最小。通过模型参数辨识，得到参数集数辨识，得到参数集其中m＝1，2，3。
[0036]步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池分段组合式建模方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将全频率分为m个区间，将锂离子电池的电池模型在每个频率区间上分段表达为整数阶等效电路模型，组合构成一个频域上含有m个分数阶等效电路子模型的新型电池模型；S2：对目标锂离子电池进行全频率的电化学阻抗谱测试，得到目标锂离子电池在每个频率下的电池阻抗数据；S3：利用得到的电池阻抗数据对m个分数阶等效电路子模型的参数进行离线辨识，确定每个频率区间内各个分数阶等效电路子模型的模型参数，进而在频域上建立电池整数阶等效电路模型的分段函数来描述电池的动态特征；S4：在时域上将电池模型表达为m个整数阶等效电路模型组合而成，即电池的端电压等于各个整数阶等效电路子模型的端电压的加权累加，加权参数由信号在对应频率区间的能量决定，各个分数阶等效电路子模型参数为S3中确定的整数阶等效电路模型的对应参数。2.根据权利要求1所述的锂离子电池分段组合式建模方法，其特征在于，所述S2中，通过对目标电池进行全频率的电化学阻抗谱测试，利用所得的测试数据对整数阶等效电路模型进行分段离线辨识，即将频率分为m段，使用得到的m组模型参数来提高模型精度。3.根据权利要求2所述的锂离子电池分段组合式建模方法，其特征在于，所述模型参数辨识方法为：使用优化算法寻找最优的模型参数，使模型阻抗和测量阻抗于所在的频率段内的均方根误差最小。4.根据权利要求3所述的锂离子电池分段组合式建模方法，其特征在于，所述新型电池模型在频域上是由m个整数阶等效电路模型频域表达式的组合，在不同的频率分段内选择具有不同模型参数的整数解等效电路模型，所述新型电池模型的表达式为所述新型电池模型的表达式中，f为频率；Z
FDM
(f)为阻抗模型；R0、R
n
、C

【专利技术属性】
技术研发人员：来鑫，唐晓鹏，郑岳久，袁明，周龙，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：