一種基于soc補(bǔ)償器的并聯(lián)型電池系統(tǒng)建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)中麗級(jí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于 SOC補(bǔ)償器的并聯(lián)型電池系統(tǒng)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 因具有比能量高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、低自放電等優(yōu)點(diǎn)，以鋰離子電池為載 體的電池系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于電力、能源、軍事等領(lǐng)域。同時(shí)，受電池單體自身額定容量及 電壓等因素的制約，通常需要將多個(gè)電池單體經(jīng)并聯(lián)構(gòu)成更大容量的電池系統(tǒng)，即并聯(lián)型 電池系統(tǒng)。對(duì)于并聯(lián)型電池系統(tǒng)而言，因其內(nèi)部的各電池單體存在不一致性導(dǎo)致充放電時(shí) 各支路充放電流并不會(huì)相同；同時(shí)電池充放電過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性過程，而電池性能 參數(shù)易受充放電倍率、溫度、生產(chǎn)工藝等因素影響，因而要建立有效的電池系統(tǒng)模型以準(zhǔn)確 預(yù)測其工作特性是個(gè)極具挑戰(zhàn)的問題。
[0003] 目前，國內(nèi)外關(guān)于電池建模的研究及專利多集中在電池單體方面，其主要建模方 法包括電化學(xué)模型、分析模型及等效電路模型等，其中等效電路模型因直觀、簡單、物理意 義明確等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電氣工程領(lǐng)域。關(guān)于并聯(lián)型電池系統(tǒng)建模的研究及專利相對(duì) 較少，多采用定參數(shù)簡化模型來建模，極少考慮電池單體參數(shù)變化對(duì)并聯(lián)型電池系統(tǒng)工作 特性的影響，導(dǎo)致其模型精度有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的問題是在于提供一種基于SOC補(bǔ)償器的并聯(lián)型電池系統(tǒng)建模方法， 解決并聯(lián)型電池系統(tǒng)中各電池單體性能參數(shù)并不一致而導(dǎo)致其電池性能參數(shù)（如電壓、電 流等）及充放電特性難以被準(zhǔn)確測量、估算的問題，達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測并聯(lián)型電池系統(tǒng)的充放 電工作特性的目的。
[0005] 本發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] 本發(fā)明提供一種并聯(lián)型電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)由N個(gè)電池單體經(jīng)并聯(lián)而成。
[0007] -種基于SOC補(bǔ)償器的并聯(lián)型電池系統(tǒng)建模方法如下：根據(jù)已知鋰離子電池單體 性能參數(shù)，利用并聯(lián)電路工作特性及篩選法確定參數(shù)均值模型，然后將參數(shù)均值模型所得 參數(shù)作為電池模型的輸入，再利用基爾霍夫定律KVC建立電池模型。將電池系統(tǒng)中各支路 電池電流的測量值Ini*與均值模型對(duì)應(yīng)支路電流仿真值1"作為輸入，設(shè)計(jì)出一個(gè)SOC補(bǔ)償 器，得到各支路的電池 SOC的補(bǔ)償值Δ SOCni.。最后將各補(bǔ)償值Δ SOCni.與SOC模塊輸出的 SOC1相加，所得的SOC實(shí)際值SOC 1乍參數(shù)均值模型的輸入，來更新參數(shù)均值模型中各電池 單體性能參數(shù)與電池系統(tǒng)性能參數(shù)的數(shù)理關(guān)系，再經(jīng)電池模型，從而建立并聯(lián)型電池系統(tǒng) 模型。
[0008] 所述電池單體等效電路模型為二階等效電路模型，模型主電路由2個(gè)RC 并聯(lián)電路、受控電壓源Uid(SOC)及電池內(nèi)阻R等組成，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：U(t)= U0 [SOC (t) ] -I (t) [R (t) +Rs (t) /Rs (t) j ω Cs (t) +R1 (t) /R1 (t) j ω C1 (t)],其中，U。(SOC)為 電池單體開路端電壓，R(t)為電池單體內(nèi)阻，RjthRjt)和(；(〇、（：1(〇分別為描 述電池單體暫態(tài)響應(yīng)特性的電阻、電容，以上性能參數(shù)均與SOC相關(guān)，SOC的定義為：
其中，S0C。為電池單體SOC初始值，一般為0~1的常數(shù)； Qu(t)為電池單體不可用容量，Q。為電池單體額定容量。U0(SOC)、Rs (t)、R1U)和Cs (t)、
d。~d 2、e。~e 2、f。~f 2、bQ~b 5均為模型系數(shù)，可由電池測量數(shù)據(jù)經(jīng)擬合而得。
[0009] 所建立并聯(lián)型電池系統(tǒng)參數(shù)均值模型為二階等效電路模型。由基爾霍夫定律 KVC得電池模型表達(dá)式為：UP (t) = Uqp [S0C⑴]-Ip (t) Zp [S0C⑴]。利用并聯(lián)電路工作 特性及篩選法確定各電池單體性能參數(shù)與電池系統(tǒng)的參數(shù)均值模型數(shù)理關(guān)系如下：參 數(shù)均值模型中電池系統(tǒng)的開路端電壓計(jì)算如下：
MS0C)表示第i個(gè)電池單體開路端電壓；參數(shù)均值模型中電池系統(tǒng)的阻抗計(jì)算如下：
，其中，Rp(t)為電池系統(tǒng)內(nèi)阻，R ps(t)、Rpl(t)和Cps(t)、 Cpl (t)分別為描述電池系統(tǒng)暫態(tài)口向應(yīng)特性的電阻、電容。參數(shù)均值模型中Rp(t)、Rps(t)、 Rpl⑴和Cps (t)、Cpl⑴的計(jì)算分別如下：
、
，其中，下標(biāo)i為第i 個(gè)電池單體，取值為大于1的自然數(shù)。
[0010] 所述SOC補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)如下：通過檢測電池系統(tǒng)各支路電池電流的測量 值Ini*與均值模型對(duì)應(yīng)支路電流仿真值1"進(jìn)行比較，其差值再利用鋰離子電池電流 I與SOC近似成線性關(guān)系，得到各支路的電池 SOC的補(bǔ)償值A(chǔ)SOCni,具體計(jì)算如下：
式中，kS(K為補(bǔ)償系數(shù)。最后將各補(bǔ)償值A(chǔ)SOC nr^ SOC模塊 所得的SOC1相加后，作為參數(shù)均值模型新的輸入量S0C%以更新電池系統(tǒng)性能參數(shù)。SOCf計(jì) 算如下：
^式中，A SOCni為第m個(gè)支路電池模塊SOC補(bǔ)償值。
[0011] 所述SOC模塊的定義如下：
其中，SOCpq為 電池系統(tǒng)SOC初始值，一般為0~1的常數(shù)；Qpu(t)為電池系統(tǒng)不可用容量，Qp。為電池系統(tǒng) 額定容量。
[0012] 與未用采SOC補(bǔ)償器相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：一是整個(gè)放電過程， 本發(fā)明所提的電池系統(tǒng)等效電路模型能準(zhǔn)確地預(yù)測電池系統(tǒng)的工作特性；二是在放電初始 期和末期效果更明顯，更加準(zhǔn)確地跟隨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其預(yù)測精度更高。
【附圖說明】
[0013] 圖1為并聯(lián)型電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為含2個(gè)電池單體的并聯(lián)型電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為電池單體等效電路模型圖；
[0016] 圖4為并聯(lián)型電池系統(tǒng)參數(shù)均值模型圖；
[0017] 圖5為基于SOC補(bǔ)償器的并聯(lián)型電池系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 圖6-1~圖6-2為S0C。不同時(shí)電池恒流放電特性，其中圖6-1為電池單體端電壓 變化情況，圖6-2為并聯(lián)型電池系統(tǒng)端電壓補(bǔ)償前后對(duì)比情況；
[0019] 圖7-1~圖7-2為S0C。不同時(shí)電池脈沖放電特性，其中圖7-1為電池單體端電壓 變化情況，圖7-2為并聯(lián)型電池系統(tǒng)端電壓補(bǔ)償前后對(duì)比情況。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體的實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述為對(duì)本發(fā)明的解釋而不 是限定。
[0021] 1、并聯(lián)型電池系統(tǒng)及電池單體模型
[0022] I. 1并聯(lián)型電池系統(tǒng)
[0023] 并聯(lián)型電池系統(tǒng)是由N個(gè)電池模塊并聯(lián)而成，而每個(gè)電池模塊又由多個(gè)電池單體 串聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。為便于分析，本實(shí)例中假設(shè)并聯(lián)型電池系統(tǒng)由2個(gè)電池模 塊并聯(lián)而成，每個(gè)電池模塊只有一個(gè)電池單體構(gòu)成，即此并聯(lián)型電池系統(tǒng)由2個(gè)電池單體 并聯(lián)而成，如圖2所示。每個(gè)電池單體的額定電壓為3. 7V，額定容量為860mAh，放電截止電 壓為3V。
[0024] 1. 2電池單體等效電路模型
[0025] 電池單體等效電路模型為二階等效電路模型，模型主電路由2個(gè)RC并聯(lián) 電路、受控電壓源Uid(SOC)及電池內(nèi)阻R等組成，電池單體電路圖如圖3所示，其 數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：u(t) = lusocamaKR