[发明专利]计及电池电化学特性的动态等效电路模型及其工作方法

说明书

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；二是电池管理系统设计欠佳，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。作为电池管理系统的“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U_oc、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R_ct和双层电容C_dl构成，其中，第二RC并联模块与电阻R_ct串联连接之后再与双层电容C_dl并联连接；第二RC并联模块表示电池内部离子的扩散；电阻R_ct表示电荷转移双层电容C_dl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U_oc由开路电压与SOC关系结合多项式拟合而得到。其中，电压源U_oc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U_oc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R_ct和双层电容C_dl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：