《電子技術(shù)應(yīng)用》
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鋰電池參數(shù)辨識(shí)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(guó)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(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心,，北京100192
摘要： 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(dòng)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(duì)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(shí),。通過(guò)Simulink平臺(tái)構(gòu)建動(dòng)力電池模型與充放電模型，上述模型通過(guò)安時(shí)計(jì)量法同時(shí)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(shí)模型可準(zhǔn)確模擬各種負(fù)載工況下動(dòng)力電池的運(yùn)行特性,，該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于動(dòng)力電池的測(cè)試與開(kāi)發(fā)。
中圖分類號(hào)： TM912
文獻(xiàn)識(shí)別碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181783
中文引用格式： 孫濤,，龔國(guó)慶,，陳勇. 鋰電池參數(shù)辨識(shí)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(dòng)汽車(chē)主流的儲(chǔ)能元件，其性能直接影響整車(chē)性能表現(xiàn),。電池模型的建立對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)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(huì)因負(fù)載及工況的變化而改變,，外部測(cè)量?jī)H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(dòng)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(duì)模型元件參數(shù)的影響作為分析重點(diǎn),，通過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)采集的信號(hào)數(shù)據(jù)建立查表模型,。依托Simulink平臺(tái)構(gòu)建電池本體模型與充放電臺(tái)架模型，利用非線性最小二乘法優(yōu)化后辨識(shí)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(shí)數(shù)據(jù)且能較準(zhǔn)確地描述電池性能，為日后動(dòng)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(shí)

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(dòng)態(tài)特性,，同時(shí)聯(lián)合安時(shí)積分法實(shí)現(xiàn)SOC修正的功能[3],，適用于動(dòng)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(kāi)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(cè)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(shí)模型需著重考慮運(yùn)行溫度與荷電狀態(tài)對(duì)模型元件參數(shù)的影響,。本文通過(guò)安時(shí)積分法估算鋰電池某溫度下的荷電狀態(tài),，并利用HPPC測(cè)試通過(guò)非線性最小二乘法實(shí)現(xiàn)模型中各元件的參數(shù)辨識(shí),。通過(guò)參數(shù)辨識(shí)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(dòng)力電池SOC估算選擇安時(shí)積分法,，而此法的弊端是易產(chǎn)生寄生誤差,。因此，通過(guò)多組充放電實(shí)驗(yàn)獲得各溫度下SOC與開(kāi)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(cè)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(cè)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(lì)下電壓變化圖,。

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1.3 模型參數(shù)辨識(shí)

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

    根據(jù)圖3分析得,，歐姆內(nèi)阻R0造成t1時(shí)刻U1至U2段電壓驟降。因此R0為該時(shí)刻電壓差比瞬時(shí)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(guò)設(shè)計(jì)的充放電試驗(yàn)與HPPC測(cè)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(guò)非線性最小二乘法計(jì)算優(yōu)化后即可辨識(shí)出不同溫度下,，各荷電狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的元件參數(shù)值。表1為25 ℃下,，SOC對(duì)應(yīng)的OCV,、R0,、R1和C1值。隨著溫度及SOC的改變,，各元件通過(guò)查找表實(shí)現(xiàn)參數(shù)的辨識(shí)與優(yōu)化,。

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2 鋰電池參數(shù)辨識(shí)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(shí)模型。因?yàn)镾imulink平臺(tái)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(duì)應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)的物理連接與能量傳遞[4],。基于該平臺(tái)建模的流程如圖4所示,。

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2.2 鋰電池參數(shù)辨識(shí)模型設(shè)計(jì)與建模

    通過(guò)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(guò)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]?；诎矔r(shí)積分法的SOC估算式為：

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其中：SOC(t)為t時(shí)的SOC值,；η為庫(kù)侖效率；C為電池容量,；I(t)為t時(shí)刻電池的電流,。定義充電時(shí)η=1，放電時(shí)η=0.95[6],。SOC計(jì)算模塊將通過(guò)預(yù)先設(shè)定SOC初值與電池容量值進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)信號(hào)端口連接,，同時(shí)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(shí),。圖5為基于Simulink平臺(tái)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(cè)試過(guò)程中,，對(duì)以Simulink平臺(tái)所搭建的鋰電池參數(shù)辨識(shí)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(hào)發(fā)生模塊并進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí),，計(jì)算的參數(shù)將以{SOC,，T，OCV}查找表為依據(jù)辨識(shí)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(hào)示意圖,，圖8為對(duì)應(yīng)輸出模型的電壓與荷電狀態(tài)變化圖。

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    通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比,，鋰電池參數(shù)辨識(shí)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(shí)刻即端電壓驟變時(shí)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在細(xì)微誤差。采用參數(shù)辨識(shí)的電池模型輸出電壓與實(shí)測(cè)電壓平均估算誤差在5.7%左右,，誤差絕對(duì)值不超過(guò)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(shí)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(duì)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(shí)HPPC測(cè)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(dòng)態(tài)勢(shì)。

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4 結(jié)論

    本文建立的鋰電池參數(shù)辨識(shí)模型可準(zhǔn)確體現(xiàn)電池系統(tǒng)的非線性特性并實(shí)時(shí)修正SOC,。模型將溫度與SOC兩個(gè)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(shí)辨識(shí)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(dòng)力電池模型系統(tǒng)的后期擴(kuò)展與集成，可應(yīng)用在動(dòng)力電池的工況模擬和SOC估算方案的優(yōu)化等,，為今后動(dòng)力電池的設(shè)計(jì),、測(cè)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(guó)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(dòng)車(chē)輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100192）

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