[發明專利]一種鋰離子電池的改進分數階模型和參數辨識方法

在審

• 申請號: 201810318912.1
• 申請日: 2018-04-11
• 公開（公告）號: CN108519555A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發明（設計）人: 熊瑞;田金鵬;方煜
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01R31/36
• 分類號: G01R31/36
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 范盈

本發明提供了一種鋰離子電池的改進分數階模型，其基于Butler?Volmer方程改進了傳統分數階模型，克服了現有的電池分數階模型沒有考慮電荷轉移過程的問題，使其能夠更好地仿真車用動力電池動態復雜工況條件下電壓響應的非線性特性，提供更精確的端電壓和荷電狀態估計。其模型參數也可以用于電池峰值功率等狀態的估計。本發明還設計一種參數辨識方法和電池狀態估計方法。

技術領域

本發明涉及車載動力電池系統領域，尤其涉及車載動力電池系統的建模技術。

背景技術

現有的鋰離子電池模型使用純電容和純電阻、理想電壓源仿真電池的電壓特性，具有計算量小的優點。用于頻域電化學阻抗譜擬合的分數階模型可以通過使用常相位角元件替代等效電路模型中的純電容元件，能夠顯著提高時域的電壓估計精度，物理意義更加明顯。電化學阻抗譜要求測試過程中以小幅值激勵保證電荷轉移過程的線性，然而由于電動汽車實際運行過程中電壓波動大，溫度變化顯著，以極化電阻描述的線性條件難以滿足。而實際上電荷轉移過程的電壓電流關系受到Butler-Volmer方程控制，是一種雙曲正弦函數形式的電壓電流關系。

發明內容

針對上述問題，本發明使用Butler-Volmer方程修正分數階模型中的極化電阻，可以使模型更加接近電池實際內部工作原理，更好地擬合電池的非線性特性。測試和仿真結果表明，本專利提出的改進分數階模型相比于傳統分數階模型具有更好的電壓估計精度和更精確的荷電狀態估計結果。

本發明的一種建立鋰離子電池的改進分數階模型的建立方法，使用Butler-Volmer方程修正等效電路模型的極化內阻；將等效電路模型中的極化電容替換為常相位角元件；得到改進分數階模型。

優選地，所述等效電路模型為一階RC模型。

優選地，將一階RC模型的極化內阻所代表的線性電壓電流關系轉換為Butler-Volmer方程確定的雙曲正弦函數形式的電壓電流關系。

優選地，所述改進分數階模型的狀態空間表達式為：

U_t為電池端電壓，U_c為電池極化電壓，t為連續時間，D^αf(t)為函數f(t)求的α次微分，R_i為等效歐姆內阻，U_oc為理想電壓源，I為電池的充放電電流；

Y和α是常相位角元件的參數，當α＝0時，CPE元件轉化為純電阻，當α＝1時，CPE元件轉化為純電容；

R_g、T、a_a、n、F是Butler-Volmer方程中的參數，R_g為氣體常數，T為熱力學溫度，a_a為對稱系數，n為反應得失電子數，F為法拉第常數。

本發明還涉及一種參數辨識方法，其特征在于：

對上述的改進分數階模型進行離散化處理；

在電池不同SOC點處進行施加不同倍率的復合電流脈沖，以電流脈沖激勵其復合脈沖電壓響應，獲取不同SOC點處不同電流脈沖激勵的復合脈沖電壓數據；

針對各個溫度和SOC點處的不同電流脈沖激勵的復合脈沖電壓數據，使用復合脈沖電流為輸入值，以所述離散化的改進分數階模型計算改進分數階模型輸出的端電壓；

將所述輸出電壓與采集的電壓真實值相比較，以誤差平方和最小為優化目標，使用算法優化求解改進分數階模型的參數辨識值。

參數辨識值包括R_i，U_oc，Y,α,I_R，所述I_R代表Butler-Volmer方程描述的支路電流。

優選地，所述優化算法為智能優化算法。