[发明专利]一种锂离子电池的改进分数阶模型和参数辨识方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池的改进分数阶模型，其基于Butler‑Volmer方程改进了传统分数阶模型，克服了现有的电池分数阶模型没有考虑电荷转移过程的问题，使其能够更好地仿真车用动力电池动态复杂工况条件下电压响应的非线性特性，提供更精确的端电压和荷电状态估计。其模型参数也可以用于电池峰值功率等状态的估计。本发明还设计一种参数辨识方法和电池状态估计方法。

技术领域

本发明涉及车载动力电池系统领域，尤其涉及车载动力电池系统的建模技术。

背景技术

现有的锂离子电池模型使用纯电容和纯电阻、理想电压源仿真电池的电压特性，具有计算量小的优点。用于频域电化学阻抗谱拟合的分数阶模型可以通过使用常相位角元件替代等效电路模型中的纯电容元件，能够显著提高时域的电压估计精度，物理意义更加明显。电化学阻抗谱要求测试过程中以小幅值激励保证电荷转移过程的线性，然而由于电动汽车实际运行过程中电压波动大，温度变化显著，以极化电阻描述的线性条件难以满足。而实际上电荷转移过程的电压电流关系受到Butler-Volmer方程控制，是一种双曲正弦函数形式的电压电流关系。

发明内容

针对上述问题，本发明使用Butler-Volmer方程修正分数阶模型中的极化电阻，可以使模型更加接近电池实际内部工作原理，更好地拟合电池的非线性特性。测试和仿真结果表明，本专利提出的改进分数阶模型相比于传统分数阶模型具有更好的电压估计精度和更精确的荷电状态估计结果。

本发明的一种建立锂离子电池的改进分数阶模型的建立方法，使用Butler-Volmer方程修正等效电路模型的极化内阻；将等效电路模型中的极化电容替换为常相位角元件；得到改进分数阶模型。

优选地，所述等效电路模型为一阶RC模型。

优选地，将一阶RC模型的极化内阻所代表的线性电压电流关系转换为Butler-Volmer方程确定的双曲正弦函数形式的电压电流关系。

优选地，所述改进分数阶模型的状态空间表达式为：

U_t为电池端电压，U_c为电池极化电压，t为连续时间，D^αf(t)为函数f(t)求的α次微分，R_i为等效欧姆内阻，U_oc为理想电压源，I为电池的充放电电流；

Y和α是常相位角元件的参数，当α＝0时，CPE元件转化为纯电阻，当α＝1时，CPE元件转化为纯电容；

R_g、T、a_a、n、F是Butler-Volmer方程中的参数，R_g为气体常数，T为热力学温度，a_a为对称系数，n为反应得失电子数，F为法拉第常数。

本发明还涉及一种参数辨识方法，其特征在于：

对上述的改进分数阶模型进行离散化处理；

在电池不同SOC点处进行施加不同倍率的复合电流脉冲，以电流脉冲激励其复合脉冲电压响应，获取不同SOC点处不同电流脉冲激励的复合脉冲电压数据；

针对各个温度和SOC点处的不同电流脉冲激励的复合脉冲电压数据，使用复合脉冲电流为输入值，以所述离散化的改进分数阶模型计算改进分数阶模型输出的端电压；

将所述输出电压与采集的电压真实值相比较，以误差平方和最小为优化目标，使用算法优化求解改进分数阶模型的参数辨识值。

参数辨识值包括R_i，U_oc，Y,α,I_R，所述I_R代表Butler-Volmer方程描述的支路电流。

优选地，所述优化算法为智能优化算法。