CN107064809A - 计及电池电化学特性的动态等效电路模型及其工作方法 - Google Patents

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张承慧
周忠凯
段彬
商云龙
崔纳新
李岩
康永哲
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Abstract

本发明公开了计及电池电化学特性的动态等效电路模型及其工作方法。该动态等效电路模型，为一个二端口网络，包括按照电流流动方向依次串联连接一个随着SOC变化的电压源Uoc、表征电池的欧姆内阻的电阻R0、表示电池内部的SEI膜阻抗的第一RC并联模块及内嵌RC双层并联模块；内嵌RC双层并联模块由第二RC并联模块、电阻Rct和双层电容Cdl构成，第二RC并联模块与电阻Rct串联连接之后再与双层电容Cdl并联连接；第二RC并联模块表示电池内部离子的扩散；电阻Rct表示电荷转移；双层电容Cdl表示离子在电池内部受电场力和浓度梯度影响而发生迁移的电容特性。本发明的模型参数具有物理意义且部分元件参数随着电流而改变，解决了动力电池模型循环周期精度低的难题。

Description

计及电池电化学特性的动态等效电路模型及其工作方法
技术领域
本发明属于电池建模领域，尤其涉及一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型及其工作方法。
背景技术
相比铅酸蓄电池等，锂离子电池由于具有较高的能量密度和功率密度、较低的自放电率、使用寿命长等优点，在电动汽车和储能领域备受青睐，尤其是电动汽车市场的持续快速扩张，带动了锂离子动力电池迅猛发展。然而，锂离子动力电池产业快速增长的同时，伴随着电动汽车安全事故频发，据统计2016年国内外共发生新能源汽车起火事故近40起，其中不乏特斯拉、比亚迪等知名汽车厂家产品。究其原因，除了机械碰撞等外在因素，关键有两方面：一是电池质量本身不过关；二是电池管理***设计欠佳，荷电状态SOC、峰值功率SOP、健康状态SOH估计不准，造成电池过充过放。作为电池管理***的“大脑”，电池模型是精准估计SOC、SOP等的基础，其准确性至关重要。
现有的电池模型可以分为电化学模型、等效电路模型、数学模型和分析模型，其中等效电路模型具有模型简单、容易理解等优点得以广泛应用。目前，等效电路模型又可分为以下几类：Thevenin(一阶RC)模型、PNGV模型、Randles模型以及这些模型的升级版，即二阶RC模型、分数阶PNGV模型和Randles模型等，但这些模型均存在以下问题或缺陷：
(1)实际上，锂离子电池在不同的SOC、不同的充放电电流下，模型参数不尽相同，因此，在一个充放电循环周期内采用参数不变的电池模型，准确度差。
(2)上述模型的参数尚未考虑电池内部的电化学特性，而仅是通过实验数据拟合得到，因此，模型的精度很难满足各类复杂工况下实时安全管控电动汽车动力电池的高要求。
发明内容
为了解决电池模型精度差的现有技术的不足，本发明提供了一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型。
本发明的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其为一个二端口网络，包括：按照电流流动方向依次串联连接一个随着SOC变化的电压源Uoc、表征电池的欧姆内阻的电阻R0、表示电池内部的SEI膜阻抗的第一RC并联模块，以及内嵌RC双层并联模块；
所述内嵌RC双层并联模块由第二RC并联模块、电阻Rct和双层电容Cdl构成，其中，第二RC并联模块与电阻Rct串联连接之后再与双层电容Cdl并联连接；第二RC并联模块表示电池内部离子的扩散；电阻Rct表示电荷转移双层电容Cdl表示离子在电池内部受电场力和浓度梯度影响而发生迁移的电容特性。
进一步的，第一RC并联模块包括一个RC并联网络。第一RC并联模块表示电池内部的SEI膜阻抗，反映了离子在通过电池阴阳极膜阻抗时的特性，在第一RC并联模块中的R和C都是常数。
进一步的，第二RC并联模块包括一个RC并联网络。第二RC并联模块表示电池内部离子的扩散，为了简化计算，其用于替代Warburg阻抗，而且在第二RC并联模块中的R和C都是常数。
进一步的，电压源Uoc由开路电压与SOC关系结合多项式拟合而得到。其中，电压源Uoc表示电池在不同SOC下的开路电压，即电池在静置一段时间消除电池极化后得到的电压值，其大小随着SOC变化而改变。通过开路电压与SOC关系结合多项式拟合，能够得到准确的电压源Uoc参数。
进一步的，第一RC并联模块中的参数根据动态电化学阻抗谱数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。通过非线性最小二乘法拟合能够实现数据的抗干扰能力，提高拟合的准确性和效率。
进一步的，电阻Rct和双层电容Cdl根据实际的充放电电压数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。通过非线性最小二乘法拟合能够实现数据的抗干扰能力，提高拟合的准确性和效率。
进一步的，第二RC并联模块中的参数根据实际的充放电电压数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。通过非线性最小二乘法拟合能够实现数据的抗干扰能力，提高拟合的准确性和效率。
本发明的第二目的是提供一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法。
本发明的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于放电模式下，此时电池的SOC逐渐减小，模型中的电压源Uoc也随着逐渐减小，模型中的电阻Rct两端电压随着放电电流而改变，其他参数保持不变。
进一步的，计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于充电模式下，此时与放电模式相反，电池的SOC逐渐增加，模型中的电压源Uoc也随着逐渐增大，模型中的电阻Rct两端电压随着充电电流而改变，其他参数保持不变。
进一步的，计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于电池静置模式下，此时电池的SOC不变，模型中的电压源Uoc也保持不变，模型中的所有电容释放电荷，模型中的电阻Rct为一常数且不为零，随着时间推移，动态等效电路模型的端电压逐渐趋向于电压源Uoc。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)部分模型参数具有真实的物理意义，能够满足动力电池各种实际工况的要求，模型精度高；
(2)部分模型参数具有一定的动态性能，能够在一定程度上反映锂离子电池的不同倍率充放电特性；
(3)模型参数比较齐全，能够较完整地解释锂离子电池在充放电过程中的电化学反应过程。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的计及电池电化学特性的动态等效电路模型结构图；
图2为锂离子电池在不同SOC下以0.5C倍率放电时的动态电化学阻抗谱Nyquist图；
图3为锂离子电池在不同SOC下以0.5C倍率充电时的动态电化学阻抗谱Nyquist图；
图4为锂离子电池在不同SOC下的静态电化学阻抗谱Nyquist图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在电池模型精度差的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型。
图1为本发明的计及电池电化学特性的动态等效电路模型结构图。
如图1所示的计及电池电化学特性的动态等效电路模型，为一个二端口网络，具体包括按照电流流动方向依次串联连接一个随电压源Uoc、电阻R0、第一RC并联模块，以及内嵌RC双层并联模块；
所述内嵌RC双层并联模块由第二RC并联模块、电阻Rct和双层电容Cdl构成，其中，第二RC并联模块与电阻Rct串联连接之后再与双层电容Cdl并联连接。
本发明的模型参数具有物理意义并且部分元件参数随着电流而改变，在很大程度上解决了动力电池模型工况适应性不好、循环周期精度低的难题。
为了实现上述目的，本发明的模型参数具体作用如下：
模型中的Uoc表示电池在不同SOC下的开路电压，即电池在静置一段时间消除电池极化后得到的电压值，其大小随着SOC变化而改变；
模型中的R0表示电池的欧姆内阻，反映了电池在充电或放电开始的瞬间电压值发生突然改变时的电阻值，在模型中R0是一个常数；
模型中的第一RC并联模块包括R1C1并联网络，其表示电池内部的SEI膜阻抗，反映了离子在通过电池阴阳极膜阻抗时的特性，在模型中R1C1都是常数；
模型中的Rct表示电荷转移电阻，反映了离子通过电池中固态(电极)和液态(电解液)交界面的特性，是电池充放电电流i的函数；
模型中的第二RC并联模块包括RwCw并联网络，其为了简化计算，是用来替代Warburg阻抗，用来表示电池内部离子的扩散，在模型中RwCw都是常数；
模型中的Cdl表示离子在电池内部受电场力和浓度梯度影响而发生迁移的电容特性，在模型中Cdl都是常数。
模型中的Uoc(SOC)是根据开路电压与SOC关系采用多项式拟合得到，R1C1根据动态电化学阻抗谱数据采用非线性最小二乘法拟合得到，另外，Rct、RwCw以及Cdl根据具体的充放电电压数据采用非线性最小二乘法拟合得到。
本发明的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于放电模式下，此时电池的SOC逐渐减小，模型中的电压源Uoc也随着逐渐减小，模型中的电阻Rct两端电压随着放电电流而改变，其他参数保持不变。
具体地，当电池放电时，如图1的电流方向所示，电池的SOC逐渐减小，模型中开路电压Uoc也随着逐渐减小，R0两端产生瞬态压降，R1C1和Cdl两端电压逐渐升高，Rct(i)两端电压随着放电电流大小而发生瞬态改变。模型中的R0、R1、C1可以根据图2中放电条件下的动态电化学阻抗谱高频部分(即图中的曲线重叠部分)的半圆参数拟合得到，模型中的其他参数可以通过实际的实验数据采用非线性最小二乘法拟合得到。需要注意的是电荷转移电阻Rct两端的电压(即过电势)满足Butler-Volmer方程，形式如下：
其中，η是Rct两端电压，i为电池电流，a、b为常数，需要实验数据辨识得到。
计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于充电模式下，此时与放电模式相反，电池的SOC逐渐增加，模型中的电压源Uoc也随着逐渐增大，模型中的电阻Rct两端电压随着充电电流而改变，其他参数保持不变。
具体地，当电池充电时，电流与如图1所示电流方向相反，电池的SOC逐渐增大，模型中开路电压Uoc也随着逐渐增大，R0两端产生瞬态压降，R1C1和Cdl两端电压逐渐升高，Rct(i)两端电压随着放电电流大小而发生瞬态改变，电压方向都与放电时相反。
模型中的R0、R1、C1可以根据图3中充电条件下的动态电化学阻抗谱高频部分(即图中的曲线重叠部分)的半圆参数拟合得到，模型中的其他参数可以通过实际的实验数据采用非线性最小二乘法拟合得到，值得注意的是图2与图3在高频部分基本也是重合的，所以在充放电时R0、R1、C1是一样的。电荷转移电阻Rct的处理方式与上述一样。
计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于电池静置模式下，此时电池的SOC不变，模型中的电压源Uoc也保持不变，模型中的所有电容释放电荷，模型中的电阻Rct为一常数且不为零，随着时间推移，动态等效电路模型的端电压逐渐趋向于电压源Uoc。
具体地，当电池静置时，模型中主干电路无电流流过，此时电池的SOC不变，模型中开路电压Uoc也不变，R0两端无压降，R1C1和Cdl两端电压逐渐减小，Rct(i)两端由于电容放电所以有压降，Rct为一常数但不为零，一段时间后电容放电结束，此时模型中的开路电压Uoc等于端电压U。
模型中的R0、R1、C1可以根据图4中的静态电化学阻抗谱高频部分(即图中的曲线重叠部分)的半圆参数拟合得到，模型中的其他参数可以通过实际的静置实验数据采用非线性最小二乘法拟合得到，值得注意的是图2、图3和图4在高频部分基本也是重合的，所以不论电池在什么工作模式下其R0、R1、C1是一样的。此时的电荷转移电阻Rct两端电压(过电势)为零，Rct也是根据实验数据采用非线性最小二乘法得到。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，其为一个二端口网络，包括：按照电流流动方向依次串联连接一个随着SOC变化的电压源Uoc、表征电池的欧姆内阻的电阻R0、表示电池内部的SEI膜阻抗的第一RC并联模块，以及内嵌RC双层并联模块；
所述内嵌RC双层并联模块由第二RC并联模块、电阻Rct和双层电容Cdl构成，其中，第二RC并联模块与电阻Rct串联连接之后再与双层电容Cdl并联连接；第二RC并联模块表示电池内部离子的扩散；电阻Rct表示电荷转移；双层电容Cdl表示离子在电池内部受电场力和浓度梯度影响而发生迁移的电容特性。
2.如权利要求1所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，第一RC并联模块包括一个RC并联网络。
3.如权利要求1所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，第二RC并联模块包括一个RC并联网络。
4.如权利要求1所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，电压源Uoc由开路电压与SOC关系结合多项式拟合而得到。
5.如权利要求2所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，第一RC并联模块中的参数根据动态电化学阻抗谱数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。
6.如权利要求1所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，电阻Rct和双层电容Cdl根据实际的充放电电压数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。
7.如权利要求3所述的一种计及电池电化学特性的动态等效电路模型，其特征在于，第二RC并联模块中的参数根据实际的充放电电压数据采用非线性最小二乘法拟合而得到。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，其特征在于，包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于放电模式下，此时电池的SOC逐渐减小，模型中的电压源Uoc也随着逐渐减小，模型中的电阻Rct两端电压随着放电电流而改变，其他参数保持不变。
9.如权利要求8所述的计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，其特征在于，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于充电模式下，此时与放电模式相反，电池的SOC逐渐增加，模型中的电压源Uoc也随着逐渐增大，模型中的电阻Rct两端电压随着充电电流而改变，其他参数保持不变。
10.如权利要求8所述的计及电池电化学特性的动态等效电路模型的工作方法，其特征在于，还包括：
计及电池电化学特性的动态等效电路模型处于电池静置模式下，此时电池的SOC不变，模型中的电压源Uoc也保持不变，模型中的所有电容释放电荷，模型中的电阻Rct为一常数且不为零，随着时间推移，动态等效电路模型的端电压逐渐趋向于电压源Uoc。
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