《電子技術(shù)應(yīng)用》
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鋰電池參數(shù)辨識模型的設(shè)計(jì)與研究
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
孫 濤1，2，龔國慶1，2，陳 勇2
1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100192；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100192
摘要： 電動汽車動力電池內(nèi)部參數(shù)隨負(fù)載與工況而發(fā)生變化，因此建立準(zhǔn)確的動力電池模型尤為必要?；阡囯姵氐刃щ娐纺Ｐ筒⒅乜剂窟\(yùn)行溫度與荷電狀態(tài)對各元件參數(shù)的影響，依托充放電法、復(fù)合脈沖特性充放電試驗(yàn)并結(jié)合最小二乘法實(shí)現(xiàn)模型中各元件參數(shù)辨識。通過Simulink平臺構(gòu)建動力電池模型與充放電模型，上述模型通過安時計(jì)量法同時考慮溫度影響實(shí)現(xiàn)荷電狀態(tài)的準(zhǔn)確估算。結(jié)果表明，該鋰電池參數(shù)辨識模型可準(zhǔn)確模擬各種負(fù)載工況下動力電池的運(yùn)行特性，該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于動力電池的測試與開發(fā)。
中圖分類號： TM912
文獻(xiàn)識別碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181783
中文引用格式： 孫濤，龔國慶，陳勇. 鋰電池參數(shù)辨識模型的設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：127-130.
英文引用格式： Sun Tao，Gong Guoqing，Chen Yong. Design and research of lithium battery parameters identification model[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：127-130.
Design and research of lithium battery parameters identification model
Sun Tao1，2，Gong Guoqing1，2，Chen Yong2
1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China； 2.Beijing Laboratory for New Energy Vehicle，Beijing 100192，China
Abstract： Electric vehicle battery internal parameters vary with load and working conditions, so it is necessary to establish an accurate power battery model. Based on the equivalent circuit model of lithium battery and considering the influence of operating temperature and state of charge(SOC) on component parameters, this paper relied on charge and discharge method, combined hybrid pulse power characteristic(HPPC) tests and least squares method to realize each component parameter identification. The power battery model and the charge and discharge model were constructed by Simulink platform. The above models realized the accurate estimation of SOC by the ampere-hours measurement method and considering temperature influence. The results show that the lithium battery parameters identification model can accurately simulate operating characteristics of the power battery under various load conditions. The design can be applied to testing and developing power batteries.
Key words : power battery；temperature and state of charge；model parameters identification

0 引言

    鋰離子電池作為電動汽車主流的儲能元件，其性能直接影響整車性能表現(xiàn)。電池模型的建立對于電動汽車動力系統(tǒng)的研究尤為必要。而鋰電池作為典型的非線性特性系統(tǒng)，內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)會因負(fù)載及工況的變化而改變，外部測量僅能獲得電流及端電壓值[1-2]。建立更精準(zhǔn)的電池模型可實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)預(yù)估并獲得荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）與外部參數(shù)的聯(lián)系，為日后的動力電池系統(tǒng)的分析優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

    本文以Thevenin等效電路模型為基礎(chǔ)，將溫度與SOC對模型元件參數(shù)的影響作為分析重點(diǎn)，通過各項(xiàng)試驗(yàn)采集的信號數(shù)據(jù)建立查表模型。依托Simulink平臺構(gòu)建電池本體模型與充放電臺架模型，利用非線性最小二乘法優(yōu)化后辨識模型元件參數(shù)。上述模型可模擬出鋰電池在各種工況下電流、電壓、溫度及SOC的實(shí)時數(shù)據(jù)且能較準(zhǔn)確地描述電池性能，為日后動力電池的設(shè)計(jì)與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，提供思路。

1 鋰電池模型及參數(shù)辨識

1.1 鋰電池等效電路模型

    圖1所示的Thevenin等效電路模型非線性特性好，能方便準(zhǔn)確模擬電池的動態(tài)特性，同時聯(lián)合安時積分法實(shí)現(xiàn)SOC修正的功能[3]，適用于動力電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究。

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    其中R0為歐姆內(nèi)阻，C1、R1為電池的極化電容及極化內(nèi)阻，Em為開路電壓，UOC為端電壓，UC(t)為極化內(nèi)阻兩端電壓。

1.2 試驗(yàn)測試方法

    獲得適用性好并且能準(zhǔn)確反映電池特性的模型前提是獲得準(zhǔn)確的模型參數(shù)。建立鋰電池參數(shù)辨識模型需著重考慮運(yùn)行溫度與荷電狀態(tài)對模型元件參數(shù)的影響。本文通過安時積分法估算鋰電池某溫度下的荷電狀態(tài)，并利用HPPC測試通過非線性最小二乘法實(shí)現(xiàn)模型中各元件的參數(shù)辨識。通過參數(shù)辨識后的電池模型將實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的最大程度擬合。

    動力電池SOC估算選擇安時積分法，而此法的弊端是易產(chǎn)生寄生誤差。因此，通過多組充放電實(shí)驗(yàn)獲得各溫度下SOC與開路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)三者間的關(guān)系。圖2為各種典型溫度下SOC與OCV實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)成的三維Surf圖{T，SOC，OCV}。

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    復(fù)合脈沖特性(Hybrid Pulse Power Characteristic，HPPC)測試的原理為施加脈沖電流從而激發(fā)電池響應(yīng)的變化。圖3為HPPC脈沖電流激勵下電壓變化圖。

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1.3 模型參數(shù)辨識

    參數(shù)辨識是指以已知模型為基礎(chǔ)，通過實(shí)驗(yàn)或?qū)崪y信號或數(shù)據(jù)確定該模型中未知數(shù)據(jù)的過程。

    根據(jù)圖3分析得，歐姆內(nèi)阻R0造成t1時刻U1至U2段電壓驟降。因此R0為該時刻電壓差比瞬時放電電流值。

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    根據(jù)式(4)、式(7)可求得極化電容C1。

    通過設(shè)計(jì)的充放電試驗(yàn)與HPPC測試所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立查找表。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過非線性最小二乘法計(jì)算優(yōu)化后即可辨識出不同溫度下，各荷電狀態(tài)所對應(yīng)的元件參數(shù)值。表1為25 ℃下，SOC對應(yīng)的OCV、R0、R1和C1值。隨著溫度及SOC的改變，各元件通過查找表實(shí)現(xiàn)參數(shù)的辨識與優(yōu)化。

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2 鋰電池參數(shù)辨識建模的構(gòu)建

2.1 設(shè)計(jì)與建模思路

    選擇在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下設(shè)計(jì)與構(gòu)建鋰電池參數(shù)辨識模型。因?yàn)镾imulink平臺可根據(jù)用戶需求直接編譯生成模型組件，組件可直接代表物理元件且組件連線對應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的物理連接與能量傳遞[4]?；谠撈脚_建模的流程如圖4所示。

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2.2 鋰電池參數(shù)辨識模型設(shè)計(jì)與建模

    通過等效電路模型可知，搭建鋰電池本體模型需建立電壓源Em、歐姆內(nèi)阻R0、極化電容和電阻C1和R1，且以上物理組件在仿真過程中隨溫度、SOC的變化而調(diào)整參數(shù)值，因此電池系統(tǒng)模型應(yīng)包括電池本體模型、溫度計(jì)算模塊、SOC計(jì)算模塊[5]。其中，電池系統(tǒng)的熱交換由自身產(chǎn)熱與外界熱交換組成[6]。基于安時積分法的SOC估算式為：

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其中：SOC(t)為t時的SOC值；η為庫侖效率；C為電池容量；I(t)為t時刻電池的電流。定義充電時η=1，放電時η=0.95[6]。SOC計(jì)算模塊將通過預(yù)先設(shè)定SOC初值與電池容量值進(jìn)行實(shí)時計(jì)算。

    將設(shè)計(jì)的電池本體模型、溫度計(jì)算模塊與SOC計(jì)算模塊及相關(guān)組件按電路關(guān)系并對應(yīng)信號端口連接，同時將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)生成的查找表導(dǎo)入模型組件中用于參數(shù)辨識。圖5為基于Simulink平臺設(shè)計(jì)搭建的鋰電池系統(tǒng)模型圖，圖6為鋰電池充放電系統(tǒng)模型圖。

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3 模型驗(yàn)證與分析

    在測試過程中，對以Simulink平臺所搭建的鋰電池參數(shù)辨識模型進(jìn)行驗(yàn)證與分析。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入鋰電池模型與信號發(fā)生模塊并進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識，計(jì)算的參數(shù)將以{SOC，T，OCV}查找表為依據(jù)辨識模型中各項(xiàng)參數(shù)，隨后輸出該模型仿真結(jié)果并與實(shí)測數(shù)據(jù)對照從而驗(yàn)證擬合效果。圖7為25 ℃下輸入的HPPC脈沖電流信號示意圖，圖8為對應(yīng)輸出模型的電壓與荷電狀態(tài)變化圖。

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    通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比，鋰電池參數(shù)辨識模型輸出端電壓與施加了HPPC脈沖電流的電池端電壓準(zhǔn)確吻合，該模型僅在脈沖電流起始時刻即端電壓驟變時與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在細(xì)微誤差。采用參數(shù)辨識的電池模型輸出電壓與實(shí)測電壓平均估算誤差在5.7%左右，誤差絕對值不超過0.073 V。SOC變化曲線準(zhǔn)確反映電池系統(tǒng)運(yùn)行工況，由此也驗(yàn)證了聯(lián)合安時積分法的鋰電池模型實(shí)現(xiàn)修正SOC的作用。該電池模型對于端電壓變化的仿真擬合效果好，能準(zhǔn)確地修正與估算SOC，表達(dá)了鋰電池系統(tǒng)非線性特征，因此模型具有良好的精度與準(zhǔn)確性。

    圖9為室溫25 ℃時HPPC測試電池溫度變化曲線。鋰電池的溫度隨放電電流增加與自身發(fā)熱而升高，因靜置與外界熱交換而降低[7]，電池溫度總體呈現(xiàn)波動態(tài)勢。

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4 結(jié)論

    本文建立的鋰電池參數(shù)辨識模型可準(zhǔn)確體現(xiàn)電池系統(tǒng)的非線性特性并實(shí)時修正SOC。模型將溫度與SOC兩個因素作為影響電池系統(tǒng)元件參數(shù)變化的核心，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得參數(shù)表實(shí)時辨識優(yōu)化系統(tǒng)模型參數(shù)，模型擬合效果好且與實(shí)際工況吻合。該設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn)動力電池模型系統(tǒng)的后期擴(kuò)展與集成，可應(yīng)用在動力電池的工況模擬和SOC估算方案的優(yōu)化等，為今后動力電池的設(shè)計(jì)、測試、優(yōu)化、研究提供基礎(chǔ)與思路。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

孫  濤1，2，龔國慶1，2，陳  勇2 

（1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京100192；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100192）

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