[發明專利]分數階KiBaM-等效電路綜合特征電池模型及其參數辨識方法

有效

• 申請號: 201710142193.8
• 申請日: 2017-03-10
• 公開（公告）號: CN106896327B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 張承慧;張奇;商云龍;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

本發明涉及一種分數階KiBaM電化學與分數階等效電路綜合特征電池模型及其參數辨識方法，本發明模型建模采用分數階微積分原理，使模型獲得了更多的自由度、更大的柔性和新意，分數階的引入也增加了許多新的現象和規律，具有常規整數階電池模型無法實現的優越，本發明將KiBaM電化學模型和等效電路模型，均推廣到分數階，并基于最小二乘法辨識不同SOC處的模型參數和階次，從而獲得了一個根據SOC變階的分數階電池模型實現了電池KiBaM電化學模型與二階RC等效電路模型的優勢互補，能夠同時描述電池的非線性容量效應及運行時間和輸出I?V外特性，實現對動力電池內部特征和外部特性的綜合模擬，具有較高的應用價值。

技術領域

本發明屬于電池狀態估計與性能評價的技術領域，尤其涉及一種分數階KiBaM-等效電路綜合特征電池模型及參數辨識方法。

背景技術

目前電動汽車已成為未來汽車發展的主要方向，但車載動力電池是制約電動汽車規模發展的主要瓶頸。精確的電池模型對車載動力電池的合理設計和安全運行具有重要意義，是對電池狀態估計與性能評價的基礎。

然而，建立一個精確且結構簡單的電池模型絕非易事，究其原因，動力電池內部化學反應十分復雜，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模型和描述電池外部特征的模型；表現電池內部特征的模型包括電化學模型、簡化的電化學模型、熱模型等，描述電池外部特征的模型包括隨機模型、神經網絡模型、等效電路模型等。其中，等效電路模型，是根據電池的物理特性使用不同物理元器件(如電壓源、電容和電阻等)構成等效電路來模擬電池的I-V特性，形式簡單直觀，適宜于仿真分析和電氣設計等，已成為被廣泛應用的一種模型；而其他幾類模型在仿真分析和電氣設計等實際應用中受限。

在等效電路模型中，二階RC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，在電池充放電初期和末期，由于二階RC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串聯階數可以提高模型的準確性，但是模型參數辨識難度加大，計算量也大大增加，甚至會導致系統震蕩，所以應限制RC的串聯階數。然而，固定RC階數的定結構等效電路模型難以描述電池兩端陡中間平的非線性電壓特性，不能解決模型準確性和實用性之間的矛盾。

中國發明專利ZL201410185885.7提出了一種基于AIC準則的變階RC等效電路模型及參數辨識方法，該模型選取RC模型為基礎模型，基于AIC準則在不同SOC處充分權衡模型的復雜度和精確性，確定每個SOC處的最優RC階數，并通過控制切換開關實現變階數的RC模型，以盡量簡潔的模型結構在所有工作范圍內精確模擬動力電池的動靜態特性，易于工程實現且精度高，達到了模型復雜度和準確性的綜合最優。但是，這種RC等效電路電池模型，模型切換只是整數階次的變化，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，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，更適合用分數階(非整數階)模型來模擬。

中國發明專利201410797302.6在傳統整數階二階RC模型基礎上，提出一種鋰離子電池分數階變階等效電路模型及其參數辨識方法，將二階RC電路模型推廣到非整數階，并基于最小二乘法辨識不同SOC處的模型參數和分數階階數，獲得一個根據SOC變階的分數階等效電路模型。分數階的引入實現了模型階數的連續變化，使得模型更加穩定、動態性能更優、精度更高；分數階的變階實現了模型更多的自由度、更大的柔性和新意。由于未增加RC網絡的個數，分數階模型有效解決了模型準確性和實用性之間的矛盾，適用于電池的各種工況，具有較高的實用價值，為SOC的精確估計提供了一個精確且易實現的電池模型。