[發明專利]KiBaM-分數階等效電路綜合特征電池模型及參數辨識方法

有效

• 申請號: 201710093349.8
• 申請日: 2017-02-21
• 公開（公告）號: CN106872901B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 張承慧;商云龍;張奇;段彬;崔納新;周忠凱
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01R31/367
• 分類號: G01R31/367
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

本發明公開了一種KiBaM?分數階等效電路綜合特征電池模型及辨識方法，綜合考慮了電池電化學特性和非線性電氣特性，實現了KiBaM電化學模型與等效電路模型之間的有機融合、優勢互補，能精確捕獲動力電池之非線性容量特性和動態電氣特性。其中，KiBaM電化學模型考慮了電池的恢復效應和比容量效應，很好地描述電池的非線性容量效應及運行時間的內部特性；分數階變階RC等效電路模型用于描述電池的極化效應和濃差效應，很好地描述電池的輸出I?V外部特性。本發明提供了一個精確且易實現的電池綜合特征模型，實現了對動力電池內部特征和外部特性的綜合精確模擬，具有較高的實用價值。

技術領域

本發明涉及一種KiBaM-分數階等效電路綜合特征電池模型及參數辨識方法。

背景技術

隨著能源危機和環境污染日益嚴重，電動汽車已成為全世界關注的焦點。目前車載動力電池是制約電動汽車規模發展的瓶頸，對整車動力性、經濟性和安全性至關重要。

精確的電池模型對動力電池的組分設計、安全管理和運行具有重要意義，是電池荷電狀態估計、健康狀態估算方法的基礎。然而，建立一個精確且結構簡單的電池模型絕非易事，這是因為內部化學反應復雜，具有高度的非線性和不確定性。電池模型發展到現階段，按照建模機理的不同可以劃分為表現電池內部特征的電化學模型、簡化的電化學模型、熱模型等，以及描述電池外部特征的隨機模型、神經網絡模型、等效電路模型等。其中，電化學模型使用復雜非線性微分方程描述電池內部化學過程，精確但太過抽象；熱模型主要研究電池的生熱、傳熱過程，可與電化學模型耦合；但以上模型均難以表征電池的電氣參數，不宜用于電氣、控制電路設計與仿真等；隨機模型主要關注電池的恢復特性，將電池行為描述為一個馬爾科夫過程，能夠很好地描述電池的脈沖放電特性，但是不適合于變電流負載情況；神經網絡模型具有良好的非線性映射能力、快速的并行處理能力、較強的自學習和自組織能力等，但是需要大量實驗數據，且模型誤差易受訓練數據和訓練方法的影響。因此上述幾種模型在實際的電氣設計和仿真應用中受到了很大限制。

等效電路模型，根據電池的物理特性使用不同物理元器件如電壓源、電流源、電容和電阻等構成等效電路模型來模擬電池的I-V特性，因其簡單直觀的形式，以及適宜于電氣設計與仿真等優點，已成為應用最為廣泛的一種模型。在等效電路模型中，相比其他等效電路模型，如Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、GNL模型等，二階RC等效電路模型物理意義清晰、模型參數辨識試驗相對容易、模型精度較高，可以準確、直觀地模擬電池的動態特性。但是，二階RC模型在電池充放電初期和末期，由于模型階數較低，存在較大的擬合誤差，不能精確地模擬電池的動靜態特性。增加RC的串聯階數可以提高電池模型的準確性和更好地模擬動力電池的充放電特性，但是階數過高將不利于獲取模型中的參數，也會大大增加模型的計算量，甚至會導致系統震蕩，所以應該限制RC的階數。因此，定結構等效電路模型難以描述鋰電池兩端陡中間平的非線性電壓特性，不能解決模型的準確性和實用性之間的矛盾。為此，中國發明專利申請(專利號ZL201410185885.7)提出了一種基于AIC準則的變階RC等效電路模型，通過略微增加模型的復雜度，實現了更加準確地描述鋰離子動力電池兩端陡中間平的非線性電壓特性，誤差在0.04V以內，有效解決了模型復雜度和實用性之間的矛盾，具有較高的實用價值。

然而，上述傳統整數階的RC電池模型，模型階次之間的切換只能是整數階的變化，模型階數波動大，不符合自然界中漸變的發展規律，因此模型精度受到很大的限制。事實上，鋰電池因其特殊的材料和化學特性，電池內部電化學反應過程極其復雜，包括導電離子轉移、內部電化學反應、充放電遲滯效應以及濃差擴散效應等，表現出較強的非線性特性，展現出了分數階動力學行為，用整數階描述電池特性其精度受到很大的限制，而釆用分數階微積分描述那些本身帶有分數階特性的對象時，能更好地描述對象的本質特性及其行為。