考慮儲(chǔ)能電池脈沖電流響應(yīng)特性的等效電路模型建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及儲(chǔ)能電池建模領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮儲(chǔ)能電池電流響應(yīng)特性的等效 電路模型與建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能電池包括鉛酸電池、鋰電池、超級(jí)電容和液流電池等 在微電網(wǎng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，不同的儲(chǔ)能電池其瞬間放電特性不同，這種特性不僅取 決于儲(chǔ)能電池內(nèi)阻的大小，還與其對(duì)電流的響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。
[0003] 同時(shí)，微電網(wǎng)中由于負(fù)載的變化導(dǎo)致電池經(jīng)常處于充放電變化，且電流波動(dòng)較大， 若不考慮電流的響應(yīng)特性難以精確地估計(jì)其荷電狀態(tài)SOC的變化；另外，當(dāng)儲(chǔ)能電池作為 動(dòng)力電池時(shí)，由于路況越來越復(fù)雜，電池放電電流波動(dòng)愈加嚴(yán)重，其荷電狀態(tài)的精確估計(jì)嚴(yán) 重制約預(yù)估行駛里程的精確性。
[0004] 目前，儲(chǔ)能電池SOC估計(jì)算法很多，但估算SOC時(shí)精度依然不能滿足實(shí)際需求，尤 其是在持續(xù)大電流變化場(chǎng)合下，估算誤差較大。常見的SOC估計(jì)算法包括：電量積分法、開 路電壓法、負(fù)載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊邏輯法、卡爾曼濾波及其衍生算法等，還包括上述 不同算法結(jié)合的綜合算法，其中卡爾曼濾波及其衍生算法是基于儲(chǔ)能電池模型的，其電池 模型的精度直接影響SOC估計(jì)精度，因此有必要提出考慮電流響應(yīng)特性的等效電路模型進(jìn) 行建模。
[0005] 對(duì)于儲(chǔ)能電池的模型來說，實(shí)際應(yīng)用中多考慮等效電路模型，且不同的儲(chǔ)能電池 也有不同的等效電路結(jié)構(gòu)，但總體上說，主要有Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型，但都沒 有考慮儲(chǔ)能電池的脈沖電流響應(yīng)特性，這樣針對(duì)持續(xù)大電流變化的儲(chǔ)能電池來說很難提出 有效的SOC估計(jì)算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的是，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)情況，提供一種考慮儲(chǔ)能電池脈沖電流響應(yīng)特性的 等效電路模型與建模方法，能夠反映儲(chǔ)能電池的外部特性，提高等效電路模型的精度，提高 基于模型估算儲(chǔ)能電池SOC的精度。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：考慮儲(chǔ)能電池脈沖電流響應(yīng)特性的等效電路模型建模方 法，采用含有電感元件的一階RC模型，電池電壓正極接高頻電感L，高頻電感L再接受控電 壓源V。。正極，然后V。。負(fù)極接極化內(nèi)阻Rp和歐姆內(nèi)阻R_，其中極化內(nèi)阻Rp并聯(lián)極化電容 Cp，然后接電池的負(fù)極。
[0008] 具體包括以下步驟：
[0009] 步驟一：選擇上述電流脈沖特性的儲(chǔ)能電池的等效電路模型；儲(chǔ)能電池的等效電 路模型是串聯(lián)高頻電感L的Thevenin模型；
[0010] 步驟二：對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行不同電池溫度、電池電流及SOC下的充放電暫態(tài)試驗(yàn)，根 據(jù)建立的等效電路模型對(duì)其暫態(tài)過程進(jìn)行分析，提取模型的暫態(tài)試驗(yàn)參數(shù)，包括高頻電感L 和歐姆內(nèi)阻R。!^暫態(tài)過程分析包括突然放電結(jié)束和突然充電結(jié)束儲(chǔ)能電池的暫態(tài)過程分 析，并利用擬合工具箱對(duì)突然放電結(jié)束和突然充電結(jié)束儲(chǔ)能電池的暫態(tài)過程的電壓響應(yīng)曲 線回歸分析，獲得等效電路模型的參數(shù)，包括高頻電感L和歐姆內(nèi)阻R。^
[0011] 所述步驟二中暫態(tài)過程分析主要包括：
[0012] A.分析放電突然結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能電池的工作狀態(tài)，據(jù)此建立儲(chǔ)能電池的暫態(tài)數(shù)學(xué)方 程：
[0013] 電池突然放電結(jié)束情況下，即t= 0時(shí)斷開開關(guān)，令Us=U_+%，則有 Ru=c/su+，則有Us不變，其電池端電壓u可以表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 考慮儲(chǔ)能電池脈沖電流響應(yīng)特性的等效電路模型建模方法，其特征是采用含有電感 元件的一階RC模型，電池電壓正極接高頻電感L，高頻電感L再接受控電壓源V。。正極，然 后V。。負(fù)極接極化內(nèi)阻Rp和歐姆內(nèi)阻R，其中極化內(nèi)阻Rp并聯(lián)極化電容Cp，然后接電池的 負(fù)極；具體包括以下步驟： 步驟一：選擇上述電流脈沖特性的儲(chǔ)能電池的等效電路模型；儲(chǔ)能電池的等效電路模 型是串聯(lián)高頻電感L的Thevenin模型； 步驟二：對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行不同電池溫度、電池電流及SOC下的充放電暫態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)建 立的等效電路模型對(duì)其暫態(tài)過程進(jìn)行分析，提取模型的暫態(tài)試驗(yàn)參數(shù)，包括高頻電感L和 歐姆內(nèi)阻R。^暫態(tài)過程分析包括突然放電結(jié)束和突然充電結(jié)束儲(chǔ)能電池的暫態(tài)過程分析， 并利用擬合工具箱對(duì)突然放電結(jié)束和突然充電結(jié)束儲(chǔ)能電池的暫態(tài)過程的電壓響應(yīng)曲線 回歸分析，獲得等效電路模型的參數(shù)，包括高頻電感L和歐姆內(nèi)阻R。^ 所述步驟二中暫態(tài)過程分析包括： 1) 分析放電突然結(jié)束時(shí)儲(chǔ)能電池的工作狀態(tài)，據(jù)此建立儲(chǔ)能電池的暫態(tài)數(shù)學(xué)方程： 電池突然放電結(jié)束情況下，即t= 0時(shí)斷開開關(guān)，令Us=Urev+Up，則有KUQ_ =KU+， 則有Us不變，其電池端電壓u可以表示為：
(1) 式（1)即為電池突然放電結(jié)束時(shí)的暫態(tài)數(shù)學(xué)方程； 2) 分析充電突然結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)能電池的工作狀態(tài)，據(jù)此建立儲(chǔ)能電池的暫態(tài)數(shù)學(xué)方程： 電池突然充電結(jié)束情況下，即t= 0時(shí)斷開開關(guān)，其電池端電壓u可以表示為：
(2) 式（2)即為電池突然充電結(jié)束時(shí)的暫態(tài)數(shù)學(xué)方程； 步驟三：對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行混合脈沖功率性能測(cè)試（HybridPulsePower Characterization，HPPC)試驗(yàn)，提取不同電池溫度、電池電流及SOC下的電池極化過程試 驗(yàn)數(shù)據(jù)；極化過程試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要是儲(chǔ)能電池電流完全消失后儲(chǔ)能電池的電壓響應(yīng)，直至電 壓穩(wěn)定在開路電壓（OpenCircuitVoltage，0CV)。 步驟四：根據(jù)建立的等效電路模型，分析電池的極化過程，利用極化試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取儲(chǔ) 能電池的極化內(nèi)阻和極化電容；所述步驟四中極化過程主要是指電流消失后的電壓響應(yīng)過 程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等效電路模型建模方法，其特征是所述步驟四中極化過程分 析包括充電后的極化過程分析和放電后的極化過程分析，并利用擬合工具箱對(duì)極化時(shí)的電 壓響應(yīng)曲線回歸分析，獲得等效電路模型參數(shù)包括極化電阻Rp和極化電容，Cp極化態(tài)過程 分析為： A.當(dāng)放電電流徹底消失時(shí)，由于儲(chǔ)能電池的極化效應(yīng)其端電壓會(huì)緩慢上升，當(dāng)電池端 電壓趨于穩(wěn)定時(shí)極化效應(yīng)消失，則此時(shí)電池端電壓u應(yīng)表示： u=U0CV-iRp=U0CV-IRpe(-t/RpCp) (3) 式中，:理想電壓源，表示儲(chǔ)能電池的開路電壓，是溫度和SOC的函數(shù)；t:時(shí)間；R。^ 儲(chǔ)能電池的歐姆內(nèi)阻；Rp:電池內(nèi)部極化電阻；Cp:與電阻Rp并聯(lián)的極化電容；L:電池內(nèi)部 高頻電感；i:脈沖電流的響應(yīng)電流；I:電池工作時(shí)的脈沖電流； B.當(dāng)充電電流徹底消失時(shí)，由于儲(chǔ)能電池的極化效應(yīng)其端電壓會(huì)緩慢下降，當(dāng)電池端 電壓趨于穩(wěn)定時(shí)極化效應(yīng)消失，則此時(shí)電池端電壓u應(yīng)表示： u=U0CV+iRp= U 0CV+IRpe (-t/RpCp) (4) 式中，:理想電壓源，表示儲(chǔ)能電池的開路電壓，是溫度和SOC的函數(shù)；t:時(shí)間；R。^ 儲(chǔ)能電池的歐姆內(nèi)阻；Rp:電池的極化電阻；Cp:與電阻Rp并聯(lián)的極化電容；L:電池內(nèi)部高 頻電感；i:脈沖電流的響應(yīng)電流；I:電池工作時(shí)的脈沖電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等效電路模型建模方法，其特征是等效電路模型采用含有電 感元件的一階RC結(jié)構(gòu)，該方法包括：選擇考慮電流脈沖特性的儲(chǔ)能電池的等效電路模型； 對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行充放電的暫態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)建立的等效電路模型對(duì)其暫態(tài)過程進(jìn)行分析，提 取模型的暫態(tài)試驗(yàn)參數(shù)，包括高頻電感和歐姆內(nèi)阻；對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行混合脈沖功率性能測(cè) 試HPPC試驗(yàn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了考慮儲(chǔ)能電池脈沖電流響應(yīng)特性的等效電路模型建模方法，采用含有電感元件的一階RC模型，電池電壓正極接高頻電感L，高頻電感L再接受控電壓源Voc正極，然后Voc負(fù)極接極化內(nèi)阻Rp和歐姆內(nèi)阻Rohm，其中極化內(nèi)阻Rp并聯(lián)極化電容Cp,然后接電池的負(fù)極；選擇上述電流脈沖特性的儲(chǔ)能電池的等效電路模型；對(duì)儲(chǔ)能電池進(jìn)行不同電池溫度、電池電流及SOC下的充放電暫態(tài)試驗(yàn)，根據(jù)建立的等效電路模型對(duì)其暫態(tài)過程進(jìn)行分析，暫態(tài)過程分析包括突然放電結(jié)束和突然充電結(jié)束儲(chǔ)能電池的暫態(tài)過程分析，根據(jù)建立的等效電路模型，分析電池的極化過程。
【IPC分類】G01R31-36
【公開號(hào)】CN104614676
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510007899
【發(fā)明人】王金全, 方建華, 徐曄, 張海濤, 陳靜靜, 許磊, 李建科, 侯朋飛, 嚴(yán)鋆, 胡亞超
【申請(qǐng)人】王金全, 徐曄
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月7日