CN108090244A - 一种并联型锂离子电池***建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种并联型锂离子电池***建模方法，该电池***是由N个支路电池串通过并联而成，每个电池串由M个锂离子单体串联而得。所述方法为：根据已知锂离子电池单体模型，利用并联电路工作特性及筛选法，建立电池***基本模型；检测各支路电流，并将其与基本模型输出总电流的1/N作为SOC校正器的输入；SOC校正器由N个比例‑积分调节器和一个加权器构成，通过SOC校正器得到电池***SOC补偿值，再与电池***模型输出的SOC叠加，得到校正后的SOC，从而更新电池***基本模型，如此循环，获得精准的电池***模型。本发明所建立的并联型锂离子电池***模型能更准确地预测并联型电池***的放电工作特性，其建模方法可适用于电池单体或模块并联成组方式。
Description
技术领域
本发明属于智能电网中MW级电池储能***设计与控制技术领域，涉及一种并联型锂离子电池***建模方法。
背景技术
随着新能源发电(如风电、光伏)的大规模迅速兴起，电池储能***成为新能源发电并入电网的有效方式之一。同时，锂离子电池因其比能量高、循环寿命长、低自放电、无记忆效应等特点，已成为电池储能***主要载体。然而，锂离子电池单体的额定容量、额定电压等不高，需要将多个电池单体经并联构成电池***，即并联型电池***，以提高电池***容量及输出电流。与此同时，因电池***中的电池单体存在不一致性，导致电池***的工作特性更加难以被准确表征，严重制约电池***的发展与应用。因此，建立准确的并联型电池***模型来准确预测其工作特性，对其设计、控制及工程应用至关重要。
当前，国内外关于电池建模的研究及专利多集中在电池单体方面，关于电池***建模的文献不多，公开文献(CN105116338A)公开的一种基于SOC补偿器的并联型电池***建模方法，其建模方法为：根据已知锂离子电池单体性能参数，利用并联电路工作特性及筛选法，建立一个电池***均值模型，再利用各支路电池电流的实际值与均值模型支路电流进行比较来设计一个SOC补偿器，从而确定各电池单体性能参数与电池***性能参数的数理关系，建立并联型电池***模型。该模型考虑了电池***中电池不一致对电池模型精度的影响，在一定程度上提高了电池***模型精度，但仍存在以下几个问题：一是其SOC补偿器实际上是由一个比例P调节器经加权后而得，因采用比例调节器时存在自身固有的稳态误差，导致所产生的各支路的电池SOC补偿值ΔSOCm精度必然受限；二是计算参数均值模型输入量SOC*时，是直接由各补偿值ΔSOCm之和与SOC模块输出的SOCI相加而得，由此，虽然输入量SOC*包含了各支路的补偿值ΔSOCm之和，但并未考虑因每个支路中电池单体的不一致而引起各支路电流变化幅度不同，从而对相应各支路的补偿值ΔSOCm大小也不同，因此其补偿值SOC*精度也受限；三是计算参数均值模型输入量SOC*时，因引用SOC模块来获得SOCI，一方面增加的模块会增加***成本，另一方面因采用安时法计算而得，必然存在累积误差、须已知电池初始电量等固有缺点，导致其SOC精度也受限。因此，有必要针对上述问题进一步改进SOC补偿器来提高电池***模型精度。
发明内容
本发明解决的问题是在于提供一种并联型锂离子电池***建模方法，一方面，解决了并联型电池***中因各支路中的电池单体不一致而导致其电池性能参数(如电压、电流等)及充放电特性难以被准确测量、估算的问题，另一方面，也改进了相关已公开的SOC补偿器中存在的稳态误差、未考虑各支路中电池单体不一致性的程度以及***成本增加的问题，达到准确预测并联型电池***的端电压和SOC的目的。
本发明目的是通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种并联型锂离子电池***，该***由N个支路电池串组成，每个支路电池串由M个锂离子电池单体通过串联而成，其结构图如图1所示。
一种并联型锂离子电池***建模方法如下：根据已知锂离子电池单体模型(1)，利用并联电路工作特性及筛选法，建立一个电池***基本模型(2)，再检测各支路电池电流，分别将各支路电池串电流、电池***基本模型输出总电流的1/N作为荷电状态(State ofCharge,SOC)校正器(3)的输入，SOC校正器由N个比例-积分(PI)调节器和一个加权器构成，通过N个PI调节器得到N个支路电池串的SOC补偿值(ΔSOCi)，各支路电池串的SOC补偿值经过加权后得到电池***的SOC补偿值(ΔSOCb)，再与电池***基本模型输出的SOCb叠加，得到校正后的SOCr，从而更新电池***性能参数，进而更新电池***基本模型，如此循环，获得精准的电池***模型。图2为并联型锂离子电池***模型结构图。
所述电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，其电路图如图3所示，模型主电路由2个RC并联电路、受控电压源U0(SOC)及电池内阻R等组成，其数学表达式为：U(t)＝U0[SOC(t)]-I(t)[R(t)+Rs(t)/Rs(t)jωCs(t)+Rl(t)/Rl(t)jωCl(t)]，其中，U0(SOC)为电池单体开路端电压，R(t)为电池单体内阻，Rs(t)、Rl(t)和Cs(t)、Cl(t)分别为描述电池单体暂态响应特性的电阻、电容，以上性能参数均与SOC相关，SOC的定义为：其中，SOC0为电池单体SOC初始值，一般为0～1的常数；Qu(t)为电池单体不可用容量，Q0为电池单体额定容量。U0(SOC)、Rs(t)、Rl(t)和Cs(t)、Cl(t)的计算分别如下：
其中，a0～a5、c0～c2、d0～d2、e0～e2、f0～f2、b0～b5均为模型系数，可由电池测量数据经拟合而得。
所建立并联型电池***基本模型为二阶等效电路模型，其电路图如图4所示。由基尔霍夫定律KVC得电池模型表达式为：U(t)＝Ub0[SOC(t)]-Ib(t)Zb(t)。利用并联电路工作特性及筛选法确定各电池单体性能参数与电池***性能参数的基本模型确定如下：基本模型中电池***的开路端电压计算如下：Ub0(SOC)＝MU0(SOC)，其中，U0(SOC)为电池单体开路端电压；基本模型中电池***的阻抗计算如下：其中，Rb(t)为电池***内阻，Rbs(t)、Rbl(t)和Cbs(t)、Cbl(t)分别为描述电池***暂态响应特性的电阻、电容。基本模型中Rbs(t)、Rbl(t)和Cbs(t)、Cbl(t)的计算分别如下：
其特征在于所述的SOC校正器设计如下：SOC校正器由N个PI调节器和一个加权器构成，每个PI调节器的2个输入分别为第i个支路电池串输出电流Ii和电池模型输出总流Ib的1/N；通过各PI调节器后得到N个支路电池串的SOC补偿值ΔSOCi，即式中，kP为比例常数，kI为比例常数，s为积分因子，i为大于1的自然数；再经加权器后得到电池***SOC补偿值ΔSOCb，即式中，ki为加权系数。
最后将补偿值ΔSOCb与电池***基本模型输出的SOCb相加后，作为基本模型新的输入量SOCr，从而更新电池***性能参数，进而更新电池***基本模型，如此循环，获得精准的电池***模型。
与公开文献(CN105116338A)相比，本发明具有以下有益的技术效果：一是用PI调节器代替P调节器，消除了稳态误差；二是利用加权器代替直接由各支路SOC补偿值简单相加来计算电池***SOC补偿值ΔSOCb；三是忽略SOC模块而直接由电流***模型输出的SOC估计值SOCb替代。因此，在整个放电过程，本发明所提的电池***等效电路模型能更准确地预测电池***的端电压变化情况，表明其模型精度更高。
附图说明
图1为并联型锂离子电池***结构示意图；
图2为并联型锂离子电池***模型结构图；
图3为锂离子电池单体等效电路模型图；
图4为并联型锂离子电池***等效电路模型图；
图5-1～图5-2为SOC0不同情况电池脉冲放电特性，其中图5-1为各支路电流变化情况，图5-2为并联型电池***端电压校正前后对比情况。
具体实施方式
下面结合具体的实例对本发明作进一步的详细说明，所述为对本发明的解释而不是限定。
1、并联型电池***及电池单体模型
1.1并联型电池***
并联型电池***是由2个电池串通过并联而成，每个电池串由1个电池单体构成，每个电池单体的额定电压为3.7V，额定容量为860mAh，放电截止电压为3V。
1.2电池单体等效电路模型
电池单体等效电路模型为二阶等效电路模型，模型主电路由2个RC并联电路、受控电压源U0(SOC)及电池内阻R等组成，数学模型表达式为：U(t)＝U0[SOC(t)]-I(t)[R(t)+Rs(t)/Rs(t)jωCs(t)+Rl(t)/Rl(t)jωCl(t)]，式中，U0(SOC)、Rs(t)、Rl(t)和Cs(t)、Cl(t)的计算分别如下： 其中，a0～a5取值分别为-0.915、-40.867、3.632、0.537、-0.499、0.522，c0～c2取值分别为0.1063、-62.49、0.0437，d0～d2取值分别为-200、-138、300，e0～e2取值分别为0.0712、-61.4、0.0288，f0～f2取值分别为-3083、-180、5088，b0～b5取值分别为-0.1463、-30.27、0.1037、0.0584、0.1747、0.1288。
2、并联型锂离子电池***等效电路模型
所建立并联型锂离子电池***基本模型为二阶等效电路模型。根据基尔霍夫定律KVC得电池模型表达式为：U(t)＝Ub0[SOC(t)]-Ib(t)Zb(t)。利用并联电路工作特性及筛选法确定各电池单体性能参数与电池***性能参数的基本模型确定如下：基本模型中电池***的开路端电压计算如下：其中，U0i(SOC)表示第i个电池单体开路端电压；基本模型中电池***的阻抗计算如下：其中，Rbs(t)、Rbl(t)和Cbs(t)、Cbl(t)的计算分别如下：
所述的SOC校正器设计如下：SOC校正器由2个PI调节器和一个加权器构成，每个PI调节器的2个输入分别为第i个支路电池串输出电流Ii和电池模型输出总流Ib的1/2；通过各PI调节器后得到2个支路电池串的SOC补偿值ΔSOCi，即式中，kP为比例常数，kI为比例常数，s为积分因子，i为大于1的自然数；再经加权器后得到电池***SOC补偿值ΔSOCb，即式中，ki为加权系数。
最后将补偿值ΔSOCb与电池***基本模型输出的SOCb相加后，作为基本模型新的输入量SOCr，以更新从而更新电池***性能参数，进而更新电池***基本模型。
3、模型仿真结果及效果对比
为验证所发明模型的准确性，将本发明所提的电池***模型(校正前)与公开文献(CN105116338A)所建立的电池***模型(校正后)进行对比分析，仿真试验为脉冲工况，脉冲放电时负载电流变化为：开始时刻以0.8A恒流工作600s，之后静置600s后，再以0.8A恒流工作600s，如此循环。初始时刻，3个电池单体的初始容量均不相等，即SOC的初始并不相同，分别为1、0.95、0.9。
图5为SOC0不同情况电池脉冲放电特性，其中图5-1为各支路电流变化情况，图5-2为并联型电池***端电压校正前后对比。由图5-1可知，当支路1、支路2电路串中电池单体的SOC0分别为1、0.9时，在放电初期，支路1放电电流比支路2放电电流大，随着放电过程的进行，最终两个支路的放电电流几乎相等。由图5-2可知，整个放电过程中，校正后的仿真结果(实线)比校正前的仿真结果(虚线)更逼近参考值，从而表明所建立的电池模型能更准确地预测并联型锂离子电池***的工作特性。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (3)
1.一种并联型锂离子电池***建模方法，所述并联型锂离子电池***是由N个支路电池串组成，每个支路电池串由M个锂离子电池单体通过串联而成，其中N、M为大于1的自然数，其特征在于，所述并联型锂离子电池***建模方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：根据已知锂离子电池单体模型，利用并联电路工作特性及筛选法，建立一个并联型电池***基本模型；
步骤(2)：由N个比例-积分PI调节器和一个加权器构成荷电状态SOC校正器；
步骤(3)：检测各支路电池串电流，分别将各支路电池串电流、电池***基本模型输出总电流的1/N作为荷电状态SOC校正器的输入；
步骤(4)：通过荷电状态SOC校正器中的N个PI调节器得到N个支路电池串的SOC补偿值ΔSOCi；
步骤(5)：各支路电池串的SOC补偿值ΔSOCi经过加权后得到电池***的SOC补偿值ΔSOCb；
步骤(6)：将电池***的SOC补偿值ΔSOCb与电池***基本模型输出的SOCb叠加，得到校正后的SOCr；
步骤(7)：根据校正后的SOCr，更新电池***性能参数，进而更新电池***基本模型，如此循环，获得精准的电池***模型。
2.根据权利要求1所述的一种并联型锂离子电池***建模方法，其特征在于，所述并联型电池***基本模型为含2个RC并联电路、受控电压源Ub0(SOC)及电池内阻Rb的二阶等效电路模型，其基尔霍夫定律KVC表达式为U(t)＝Ub0[SOC(t)]-Ib(t)Zb(t)，开路端电压计算公式为Ub0(SOC)＝MU0(SOC)，其中，U0(SOC)为电池单体开路端电压；阻抗计算公式为其中，Rb(t)为电池***内阻，Rbs(t)、Rbl(t)和Cbs(t)、Cbl(t)分别为描述电池***暂态响应特性的电阻、电容；Rbs(t)、Rbl(t)和Cbs(t)、Cbl(t)的计算公式为： 其中， c0～c2、d0～d2、e0～e2、f0～f2均为模型系数，由电池测量数据经拟合得到；SOC0为电池单体SOC初始值，为0～1的常数，Qu(t)为电池单体不可用容量，Q0为电池单体额定容量。
3.根据权利要求2所述的一种并联型锂离子电池***建模方法，其特征在于，所述的荷电状态SOC校正器设计如下：SOC校正器由N个PI调节器和一个加权器构成，每个PI调节器的2个输入分别为第i个支路电池串输出电流Ii和电池模型输出总流Ib的1/N；通过各PI调节器后得到N个支路电池串的SOC补偿值ΔSOCi，即式中，kP、kI为比例常数，s为积分因子，i为大于1的自然数；再经加权器后得到电池***SOC补偿值ΔSOCb，即式中，ki为加权系数。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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