一种锂离子电池三阶RC等效电路模型参数辨识方法

一种锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法
技术领域
1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种应用于锂离子电池管理系统的锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法。


背景技术：

2.电池的荷电状态是电池管理系统制定均衡策略的重要依据之一，但锂离子电池内部的电化学反应复杂多变，其soc(state of charge，荷电状态)无法直接测量获取，仅能基于电池相关物理量通过一定方法估算获得。基于模型法是目前常用的soc估算方法，该类方法使用电池模型搭配合适的估计方法获取电池soc，其估算精度与电池模型精度直接相关。
3.目前广泛使用的电池模型主要分为电化学模型与等效电路模型。电化学模型主要利用化学与物理领域的知识，通过数学形式表现锂离子电池内部再使用过程中的细微变化，但是该类模型的结构较为复杂，在实际应用中需经过化简才能使用。等效电路模型利用电路网络描述电池外特性，其一般由电压源、电阻、电容等电路元件组成。相比于电化学模型，等效电路模型的结构简单，便于计算，被广泛应用于电池管理系统研究中。
4.rc等效电路模型是锂离子电池等效电路模型中的常用模型之一，其由一个理想电压源、一个定值电阻和若干个rc并联环节组成。通常rc环节的数量表示模型的阶数，阶数的增加会提高模型的精度，但模型的参数辨识难度也会大幅度增加。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法，其通过在新型参数辨识工况下获取特定约束条件，基于特定约束条件使用递推最小二乘法辨识三阶rc等效电路模型参数，能够降低辨识难度，并且准确辨识模型参数。
6.本发明公开了一种锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法，包括：
7.步骤1、建立锂离子电池的三阶rc等效电路模型；
8.步骤2、获取锂离子电池开路电压u
oc
与soc间的关系；
9.步骤3、采用新型参数辨识工况对锂离子电池进行测试，获取锂离子电池测试数据；
10.步骤4、根据所述锂离子电池测试数据，使用基于特定约束条件的递推最小二乘法辨识电池模型参数。
11.作为本发明的进一步改进，在所述步骤1中，
12.所述锂离子电池的三阶rc等效电路模型由一个受控电压源、三个rc环节和一个欧姆内阻r0串联组成。
13.作为本发明的进一步改进，所述步骤2，具体包括：
14.步骤3.1、对满电状态电池以一恒定倍率间断性进行放电并充分静置，获取电池的开路电压u
oc
与soc数据；
[0041][0042]
步骤4.7、更新第二rc环节与第三rc环节两端的电压u2与u3：
[0043][0044][0045]
步骤4.8、循环步骤4.4至步骤4.5，直至完成参数辨识。
[0046]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0047]
本发明通过在新型参数辨识工况下获取特定约束条件，而后基于特定约束条件使用递推最小二乘法辨识锂离子电池三阶rc等效电路模型参数；使用城市联邦驾驶工况下采集到的电池电压与电流数据进行了离线仿真验证，并与二阶rc等效电路模型进行结果对比；仿真结果表明，本发明的方法能够准确辨识电池模型参数，减低参数辨识难度。
附图说明
[0048]
图1为本发明一种实施例公开的锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法的流程图；
[0049]
图2为本发明一种实施例公开的锂离子电池三阶rc等效电路模型；
[0050]
图3为25℃单循环新型参数辨识工况电流曲线；
[0051]
图4为25℃新型参数辨识工况b部分电压响应曲线；
[0052]
图5为本发明一种实施例公开的使用基于特定约束条件的递推最小二乘法辨识电池模型参数的流程图；
[0053]
图6-1，6-2分别为25℃美国联邦城市驾驶工况下本发明构建的三阶rc等效电路模型(ecm1)与使用递推最小二乘法基于hppc测试数据辨识参数构建的二阶rc等效电路模型(ecm2)电压响应；
[0054]
图7-1,7-2分别为25℃美国联邦城市驾驶工况下本发明构建的三阶rc等效电路模型(ecm1)与使用递推最小二乘法基于hppc测试数据辨识参数构建的二阶rc等效电路模型(ecm2)电压误差示意图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0056]
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
[0057]
如图1所示，本发明提供一种锂离子电池三阶rc等效电路模型参数辨识方法，包括：
[0058]
步骤1、建立锂离子电池的三阶rc等效电路模型；其中，
[0059]
如图2所示，锂离子电池的三阶rc等效电路模型由一个受控电压源、三个rc环节和
一个欧姆内阻r0串联组成，受控电压源表示电池开路电压，rc环节(r1、c1、r2、c2、r3、c3)为极化内阻与极化内容，用于模拟电池电化学极化与浓差极化，电池欧姆内阻用于模拟电池欧姆极化过程。
[0060]
步骤2、获取锂离子电池开路电压u
oc
与soc间的关系；
[0061]
具体包括：
[0062]
步骤2.1、对满电状态电池以一恒定倍率间断性进行放电并充分静置，获取电池的开路电压u
oc
与soc数据；如，以10％soc为间隔；
[0063]
步骤2.2、采用最小二乘法拟合开路电压u
oc
与soc间的关系，获得开路电压u
oc
与soc间的函数关系；如，使用9阶多项式进行拟合：
[0064]uoc
＝a1*soc9 a2*soc8 a3*soc7 a4*soc6 a5*soc5 a6*soc4 a7*soc3 a8*soc2 a9*soc a
10
[0065]
步骤3、采用新型参数辨识工况对锂离子电池进行测试，获取锂离子电池测试数据；其中，
[0066]
如图3所示的25℃单循环新型参数辨识工况电流曲线，新型参数辨识工况由两部分组成，分别是电流快速变化的a部分与电流在较长时间内稳定不变的b部分。
[0067]
步骤4、根据新型参数辨识工况下的锂离子电池测试数据，使用基于特定约束条件的递推最小二乘法辨识电池模型参数；
[0068]
如图5所示，具体包括：
[0069]
步骤4.1、依据新型参数辨识工况下的锂离子电池测试数据，获取内阻和r
bn
、第三rc环节r3与c3与第二rc环节时间常数e2作为特定约束条件；其中，
[0070]
如图4所示的25℃新型参数辨识工况b部分电压响应曲线，特定约束条件具体的获取过程如下：
[0071]
针对三阶rc等效电路模型中的三个rc环节，设定时间常数e1《e2《e3(e1＝r1c1，e2＝r2c2，e3＝r3c3)，bn段为电压恢复阶段，电压的恢复速度与时间常数e1、e2、e3有关，同时恢复的电压幅值由四个内阻r0、r1、r2、r3之和r
bn
决定。分析三阶rc等效电路模型在bn段的电压恢复过程，存在关系：
[0072][0073]
式中，u
oc
为电池的开路电压，u
10
，u
20
，u
30
为电池模型中三个rc环节的初始电压；
[0074]
考虑三阶rc等效电路模型中第一rc环节时间常数e1一般不会超过5s，第二rc环节常数e2一般不会超过150s，因此从b点起500s之后第一rc环节与第二rc环节两端电压几乎为0，可忽略不计，此时电池模型中第三rc环节与电池端电压间存在如下关系：
[0075][0076]
在b点500s之后的两点f、h，根据f、h两点的端电压可求得第三rc环节时间常数e3：
[0077][0078]
第三rc环节的初始电压u
30
为极化稳态电压，其与第三rc环节电阻r3存在如下关系：
[0079]u30
＝r3i
[0080]
式中i为电池放电电流；
[0081]
在已知第三rc环节时间常数e3的情况下，根据f点的端电压可求得第三rc环节电阻r3：
[0082][0083]
从b点50s之后第一rc环节两端电压几乎为0，可忽略不计，此时电池模型中第二rc环节与电池端电压间存在如下关系：
[0084][0085]
在已知第三rc环节参数的情况下，从b点50s之后的两点c、d，根据c、d两点的端电压可求得第二rc环节时间常数e2：
[0086][0087]
经过一定时间的恒流放电后，可认为三个rc环节均已达到稳态，此时电池在静置阶段恢复的电压是其在恒流放电阶段欧姆内阻与三个rc环节上的电压降，此时电池存在关系：
[0088]un-ub＝r
ab
i。
[0089]
步骤4.2、基于特定约束条件，获取锂离子电池三阶rc等效电路模型系统离散方程：
[0090]
ub(k)＝u
oc
(k)-u(k)-u2(k)-u3(k)
[0091][0092]
式中，u为电池端电压，u2为第二rc环节两端电压，u3为第三rc环节两端电压，k代表当前时刻迭代计算步数；
[0093]
步骤4.3、获取待辨识参数θ与样本集合h：
[0094][0095]
θ(k)＝[a(k)b(k)c(k)]
t
[0096]
h(k)＝[ub(k-1)i(k)i(k-1)]
[0097]
步骤4.4、使用递推最小二乘法辨识参数，其一个递推周期内的运算过程如下：
[0098]
k(k)＝p(k-1)h(k)[h
t
(k)p(k-1)h(k) y(k)]-1
[0099]
θ(k)＝θ(k-1) k(k)[z(k)-h
t
(k)θ(k-1)]
[0100][0101]
步骤4.5、求取欧姆内阻r0与第一rc环节参数r1与c1：
[0102][0103][0104][0105][0106]
步骤4.6、基于特定约束条件求取第二rc环节参数r2与c2：
[0107]
r2(k)＝r
bn
(k)-r0(k)-r1(k)-r3[0108][0109]
步骤4.7、更新第二rc环节与第三rc环节两端的电压u2与u3：
[0110][0111]
步骤4.8、循环步骤4.4至步骤4.5，直至完成参数辨识。
[0112]
实施例：
[0113]
以a123公司生产额定容量2.5ah的磷酸铁锂电池anr26650作为研究对象，在25℃美国联邦城市驾驶工况下对比本发明构建的三阶rc等效电路模型与使用递推最小二乘法基于hppc测试数据辨识构建的二阶rc等效电路模型。参考图6-1、图6-2、图7-1与图7-2可知本发明构建的等效电路模型精度更高。
[0114]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。