本發(fā)明涉及一種鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法，該方法針對航空鋰離子電池組特殊工況和工作狀態(tài)描述目標(biāo)，綜合考慮表征準(zhǔn)確度和計(jì)算復(fù)雜度，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方程模型和二階等效電路模型，使用電路等效方式，提出并構(gòu)建了一種針對性電池等效模型（s-ecm，special-equivalentcircuitmodel），通過對電池不同效應(yīng)的模擬，實(shí)現(xiàn)了航空鋰離子電池組的特殊工況和工作過程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)；等效模型s-ecm在一階rc等效基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)電阻以表征自放電效應(yīng)；等效模型s-ecm在pngv等效基礎(chǔ)上，引入串有反向二極管的電阻并聯(lián)回路以表征充放電內(nèi)阻差異；等效模型s-ecm在thevenin等效基礎(chǔ)上，在電動勢兩端增添并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，全面準(zhǔn)確地表征鋰離子電池組的工作過程；該方法在充分考慮鋰離子電池成組工作基礎(chǔ)上，結(jié)合s-ecm模型構(gòu)建，融入狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)描述，利用工作特性實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池組的有效狀態(tài)空間數(shù)學(xué)描述；該方法是一種基于現(xiàn)代控制理論的鋰離子電池組工作狀態(tài)描述方法，屬于新能源測控領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在鋰離子、鉛酸、鎘鎳和其他類型的電池中，鋰離子電池由于具有高能量密度等優(yōu)勢，已成為當(dāng)前的大功率電池組供能應(yīng)用方向；根據(jù)正極材料的結(jié)構(gòu)和組成成分，鋰離子電池可以分為多種類型；鈷酸鋰材料的鋰離子電池組，由于具有高能量密度和穩(wěn)定性優(yōu)勢，在與能源領(lǐng)域得到探索性應(yīng)用。

由于單體電壓和容量的限制，鋰離子電池需要串并聯(lián)成組使用，單體間在生產(chǎn)制造和使用過程中不可避免的造成性能上的差異使其在實(shí)際應(yīng)用過程中存在安全隱患，失衡狀態(tài)下的工作不僅導(dǎo)致電池組壽命降低而且引發(fā)安全問題；如電動汽車鋰離子電池組局部過熱導(dǎo)致自燃、航空輔助供能鋰離子電池組模塊熱失衡導(dǎo)致冒煙起火等安全事故；通過材料、工藝及現(xiàn)有均衡調(diào)節(jié)無法徹底解決該問題；隨著鋰離子電池組應(yīng)用的日益普及，單體間不平衡所導(dǎo)致的安全事故對社會安全和國家政治經(jīng)濟(jì)有極大威脅，已然成為威脅國家能源安全的重大隱患；能源安全是國家安全和社會穩(wěn)定的基石，我國公共安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對科技提出重大戰(zhàn)略需求，構(gòu)建鋰離子電池組等效模型以描述其工作狀態(tài)成為重要解決途徑之一。

針對航空鋰離子電池組工作過程模擬與表達(dá)目標(biāo)，目前所使用的等效模型構(gòu)建思路，主要有經(jīng)驗(yàn)方程模型和等效電路模型；通過對模擬表達(dá)方法進(jìn)行研究，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方程模型和不同擬合模擬結(jié)構(gòu)的等效電路模型分析，探索并提出了準(zhǔn)確表征航空鋰離子電池組內(nèi)部狀態(tài)的s-ecm等效模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法的不足，提供一種鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法，解決鋰離子電池成組應(yīng)用的工作狀態(tài)準(zhǔn)確描述問題。

本發(fā)明主要通過構(gòu)建鋰離子電池組s-ecm等效模型準(zhǔn)確描述工作狀態(tài)；通過對電池不同效應(yīng)的模擬，實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池組的工作過程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)；該方法在一階rc等效基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)電阻以表征自放電效應(yīng)，引入串有反向二極管的電阻并聯(lián)回路以表征充放電內(nèi)阻差異，增添并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，全面準(zhǔn)確地表征鋰離子電池組的工作過程；該方法在充分考慮鋰離子電池成組工作基礎(chǔ)上，結(jié)合s-ecm模型構(gòu)建，融入狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)描述，利用工作特性實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的有效描述。

本發(fā)明是基于鋰離子電池組工作特性分析和等效電路模擬方法研究相結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)的鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法，具有較強(qiáng)的環(huán)境適用性；針對鋰離子電池組工作特征，本發(fā)明進(jìn)行針對性s-ecm等效模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組工作狀態(tài)的準(zhǔn)確描述；本發(fā)明等效模型s-ecm在一階rc等效基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)電阻以表征自放電效應(yīng)；在pngv等效基礎(chǔ)上，引入串有反向二極管的電阻并聯(lián)回路以表征充放電內(nèi)阻差異；在thevenin等效基礎(chǔ)上，在電動勢兩端增添并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，全面準(zhǔn)確地表征鋰離子電池組的工作過程；在充分考慮鋰離子電池成組工作基礎(chǔ)上，結(jié)合s-ecm模型構(gòu)建，融入狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)描述，利用工作特性實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的有效描述；本發(fā)明可對鋰離子電池組工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，具有計(jì)算簡潔、適應(yīng)性好和精度高的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明鋰離子電池組s-ecm等效模型結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的鋰離子電池內(nèi)部工作過程示意圖；

圖3是本發(fā)明的鋰離子電池級聯(lián)成組結(jié)構(gòu)示意圖；

具體實(shí)施方式

以下將對本發(fā)明的鋰離子電池組s-ecm等效模型構(gòu)建方法結(jié)合附圖作進(jìn)一步的詳細(xì)描述；本發(fā)明針對鋰離子電池成組應(yīng)用時(shí)等效模型構(gòu)建問題，構(gòu)建鋰離子電池組s-ecm等效模型，通過對電池不同效應(yīng)的模擬，實(shí)現(xiàn)了航空鋰離子電池組的特殊工況和工作過程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)；等效模型s-ecm在一階rc等效基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)電阻以表征自放電效應(yīng)；等效模型s-ecm在pngv等效基礎(chǔ)上，引入串有反向二極管的電阻并聯(lián)回路以表征充放電內(nèi)阻差異；等效模型s-ecm在thevenin等效基礎(chǔ)上，在電動勢兩端增添并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，全面準(zhǔn)確地表征鋰離子電池組的工作過程；該方法在充分考慮鋰離子電池成組工作基礎(chǔ)上，結(jié)合s-ecm模型構(gòu)建，融入狀態(tài)空間方程數(shù)學(xué)描述，利用工作特性實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池組的有效狀態(tài)空間數(shù)學(xué)描述，構(gòu)造等效模型構(gòu)建系統(tǒng)方案；為了更好的體現(xiàn)本發(fā)明，在本實(shí)施例中僅以航空鋰離子電池組為例進(jìn)行說明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該熟知，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)思想可以實(shí)現(xiàn)多種鋰離子電池組的等效模型構(gòu)建；以下對鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法的實(shí)現(xiàn)步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。

見圖1，本發(fā)明的鋰離子電池組等效模型構(gòu)建方法中所設(shè)計(jì)的s-ecm等效模型具有：綜合考慮表征準(zhǔn)確度和計(jì)算復(fù)雜度，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方程模型和二階等效電路模型，使用電路等效方式，提出并構(gòu)建了一種針對性電池等效模型s-ecm，所構(gòu)建s-ecm模型通過對電池內(nèi)部不同效應(yīng)的模擬，實(shí)現(xiàn)了航空鋰離子電池組的特殊工況和工作過程的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)表達(dá)；第一，等效模型s-ecm在一階rc等效基礎(chǔ)上，增加并聯(lián)電阻以表征自放電效應(yīng)；第二，等效模型s-ecm在pngv等效基礎(chǔ)上，引入串有反向二極管的電阻并聯(lián)回路以表征充放電內(nèi)阻差異；第三，等效模型s-ecm在thevenin等效基礎(chǔ)上，在電動勢兩端增添并聯(lián)電容以表征表面效應(yīng)，全面準(zhǔn)確地表征鋰離子電池組的工作過程；在充分考慮鋰離子電池成組工作特性基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)其等效模型s-ecm框架構(gòu)建；利用工作特性實(shí)驗(yàn)分析和狀態(tài)參數(shù)辨識，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池組的有效狀態(tài)空間數(shù)學(xué)描述；針對航空鋰離子電池應(yīng)用工況特點(diǎn)，提出其等效電路模型結(jié)構(gòu)s-ecm，在原有電池等效模型基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)等效電路模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖中，參數(shù)uoc為電池開路電壓，表征航空鋰離子電池組的ocv值；參數(shù)rs是一個(gè)大電阻，表征鋰離子電池的自放電效應(yīng)；參數(shù)rω為電池歐姆內(nèi)阻，通過該參數(shù)表征鋰離子電池在充放電過程中正負(fù)極兩端的電壓降；所提出的s-ecm模型通過使用一階rc網(wǎng)絡(luò)，來模擬表征充放電維護(hù)過程中的松弛效應(yīng)，對航空鋰離子電池組的瞬態(tài)響應(yīng)進(jìn)行表達(dá)；參數(shù)rp表征鋰離子電池的極化電阻，參數(shù)cp為鋰離子電池單體的極化電容；參數(shù)rp和cp的并聯(lián)電路反映鋰離子電池極化效應(yīng)的產(chǎn)生和消除過程；參數(shù)rd是放電時(shí)期的放電內(nèi)阻，表征在放電時(shí)航空鋰離子電池組所表現(xiàn)出的內(nèi)阻差異；參數(shù)rc是充電時(shí)的充電內(nèi)阻，表征在放電時(shí)航空鋰離子電池組所表現(xiàn)出的內(nèi)阻差異；參數(shù)ce是鋰離子電池表面效應(yīng)電容；參數(shù)ul為航空鋰離子電池組與外電路接通后，在進(jìn)行充放電工作時(shí)正負(fù)極兩端的端電壓，參數(shù)il為其流入或流出的電流值。

參見圖2，航空鋰離子電池組采用化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量的儲存與釋放，在充放電過程中，內(nèi)部相互連接的各電池單體正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)；從材料構(gòu)成的角度分析和描述，航空鋰離子電池組中各電池單體由正極、隔膜、負(fù)極和有機(jī)電解液組成，各部分的簡要描述如下所述；正極最活躍的材料是氧化鈷，隔膜是一種特殊的型材，它的特殊微觀穿透結(jié)構(gòu)使得鋰離子可以自由通過，然而電子卻不能通過；負(fù)極的可用材料可以是石墨或其他類似結(jié)構(gòu)的材料，可以用來導(dǎo)電和吸附鋰離子；電解液的有機(jī)溶劑是碳酸鹽，單體電池外殼的形狀和材料是鋼體和方形；在航空鋰離子電池組工作過程中，鋰離子在正負(fù)極之間反復(fù)進(jìn)行脫出和嵌入；當(dāng)航空鋰離子電池組用于在線應(yīng)急動力供應(yīng)過程時(shí)，兩個(gè)電極連接到負(fù)載用電設(shè)備，進(jìn)而通過這些數(shù)據(jù)下載模塊等負(fù)載設(shè)備形成回路；在正負(fù)極電勢差的作用下，鋰離子在電池內(nèi)部從負(fù)極流向正極，直至正極富鋰態(tài)或者負(fù)極貧鋰態(tài)現(xiàn)象的發(fā)生；進(jìn)而，在浸入電解液的兩極間產(chǎn)生電流。

在航空鋰離子電池充電過程中，通過鋰離子從正極到負(fù)極的移動，鋰離子電池負(fù)極逐漸趨于富鋰態(tài)，而其正極逐漸趨于貧鋰態(tài)；在航空鋰離子電池組放電過程中，通過鋰離子從負(fù)極到正極的移動，鋰離子電池正極逐漸趨于富鋰態(tài)，而負(fù)極趨于貧鋰態(tài)；因此，鋰離子電池是一種比較理想的能量可逆儲存和釋放器件；在充放電過程中，航空用鋰離子電池組中各單體的正極、負(fù)極和電池總反應(yīng)化學(xué)方程式分別如下式所示。

參見圖3，鋰離子電池動力應(yīng)用需要將單體電池串并聯(lián)使用，航空鋰離子電池組包含許多串并聯(lián)連接的電池單體來實(shí)現(xiàn)大功率應(yīng)用，以滿足大容量和高電壓需求并提供所需要的電壓；首先選取基于電路等效的模型構(gòu)建方法，通過假定航空鋰離子電池組中所有單體表現(xiàn)一致，因此整個(gè)電池組將可以等效為一個(gè)獨(dú)立單體，具有更高的電壓和更大的容量，通過引入平衡狀態(tài)參數(shù)添加對單體間相互影響的考慮，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池成組工作等效模型構(gòu)建方法探索；在航空鋰離子電池組處于充放電狀態(tài)時(shí)，根據(jù)模型和基爾霍夫定律，描述各電路元器件端電壓間的表征關(guān)系，其狀態(tài)空間方程如下式所示。

用于航空鋰離子電池組s-ecm模型的參數(shù)辨識，可以看成是一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)；同時(shí)，在系統(tǒng)參數(shù)辨識過程中，參數(shù)辨識模塊子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種簡單直接的解決方法；該方法非常適合于s-ecm模型參數(shù)動態(tài)系統(tǒng)的辨識，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性以實(shí)現(xiàn)動態(tài)參數(shù)的時(shí)域評估；該方法的過程特征是基于參數(shù)辨識模塊的動態(tài)原理實(shí)現(xiàn)的；因此，對應(yīng)參數(shù)的輸出值能夠得到有效辨識，其中系統(tǒng)穩(wěn)定化處理的過程也是參數(shù)辨識的過程；在使用辨識過程網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，所定義的辨識誤差函數(shù)等同于標(biāo)準(zhǔn)的能量方程，該函數(shù)可以通過使用參數(shù)辨識模塊的動態(tài)方程實(shí)現(xiàn)；參數(shù)辨識模塊的外部鏈接的輸入矩陣參數(shù)i以及權(quán)重矩陣參數(shù)w，可以通過該網(wǎng)絡(luò)獲得，并代替動態(tài)網(wǎng)絡(luò)方程運(yùn)行；經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，可以精確地獲得穩(wěn)定的參數(shù)辨識結(jié)果；根據(jù)所確立的電池模型狀態(tài)空間方程，設(shè)φ0(x)，φ1(x)，…，φn(x)是區(qū)間c[a，b]上線性無關(guān)函數(shù)族，其函數(shù)關(guān)系可以通過表達(dá)式φ=span{φ0(x)，φ1(x)，…，φn(x)}進(jìn)行描述，進(jìn)而，在其中求取一函數(shù)s(x)，使得誤差平方和最小，求取過程如下式所示。

其中，方程s(x)的擬合曲線可以通過方程s(x)=a0φ0(x)+a1φ1(x)+…+anφn(x)進(jìn)行描述，用于獲得基于最小二乘法的函數(shù)曲線擬合方程；在估算過程中，通過使用最小均方根誤差作為判斷依據(jù)，通過這種方式達(dá)到最優(yōu)估算效果；參數(shù)rmse的值對無法避免的小誤差非常敏感，可以很好地反映測量精確度；通過最小均方誤差的條件約束，使得所構(gòu)建電池模型能夠準(zhǔn)確地反映電池的輸出電壓特性。

綜上所述，本發(fā)明針對鋰離子電池組等效模型構(gòu)建目標(biāo)，綜合考慮計(jì)算復(fù)雜性和工作狀態(tài)表征可靠性等問題，提出針對性s-ecm等效模型構(gòu)建方法，在鋰離子電池組的充電、放電以及循環(huán)充放電及其他維護(hù)過程檢測基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池組的工作狀態(tài)描述，保證鋰離子電池組儲能和供能過程的安全性。

本發(fā)明的以上實(shí)施例僅以航空鋰離子電池組為例進(jìn)行了鋰離子電池組等效模型構(gòu)建的說明，但可以理解的是，在不脫離本發(fā)明精神和范圍下本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其進(jìn)行任意的改變和變化。