车用锂离子电池模型研究.pdf

第4期(总第192 期)2023年11月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.4(serial No.192)Nov.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.04.002车用锂离子电池模型研究李延,田亚坤,张恭矾，申彩英,王姝文（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁锦州12 10 0 1）摘要：选取二阶RC电路模型作为研究的等效电路模型，对所选取的锂离子电池进行脉冲放电试验，对电池参数进行辨识。基于Matlab/Simulink平台搭建锂离子电池二阶RC等效电路模型,将实际电池与电池模型放电阶段端电压历史数据进行对比，在混合功率脉冲特性(HPPC)工况与1C放电工况下对模型精度进行验证。结果表明2 种工况误差率的绝对值可控制在3%以内,符合预期。关键词：锂离子电池；等效电路模型；混合功率脉冲特性测试；参数辨识中图分类号：U463.6(School of Automobile and Traffic Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China)Abstract:A second-order RC circuit model was selected as the equivalent circuit model for research.Pulse discharge experiments wereconducted on the selected lithium-ion batteries to identify battery parameters.A second-order RC equivalent circuit model for lithium-ion batteries was built based on the Matlab/Simulink platform.The historical voltage data of the actual battery and battery model wascompared during the discharge stage.And the accuracy of the model under HPPC and 1C discharge conditions was rerified.The verifi-cation results indicate that the absolute error rate of these two working conditions is controlled within 3%,which is in line with the ex-pected results.Key words:lithium-ion batteries;equivalent circuit models;HPPC testing;parameter identification文献标志码：AResearch on Vehicle Lithium-ion Battery ModelLI Yan,TIAN Yakun,ZHANG Gongfan,SHEN Caiying,WANG Shuwen文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 4-0 0 0 6-0 5引言随着人们对于生态环境可持续发展意识的提高，日常出行选择电动汽车的占比也越来越大。现在电动汽车与人类生活的关系已经非常密切,而动力电池是汽车企业重点研发目标，由于锂离子电池具有寿命长、稳定性好、成本适中、环保无污染等优点,已成为主要储能元件1,被广泛应用于电动汽车。随着科学技术的进步和时代的发展，无论是锂离子电池使用材料还是其生产方式都有了很大的发展，锂离子电池从材料上的钻酸锂、磷酸铁锂、三元材料发展到高镍富锰的材料体系；生产方式也从作坊式制造发展到自动化和智能化制造，锂离子电池产业规模正在不断扩大。研究锂离子电池的建模及参数辨识对电动汽车电池管理系统具有非常重要的意义。本文选用锂离子电池作为研究对象,研究锂离子电池特性,选取二阶RC电路模型作为等效电路模型,对所选取的锂离子电池进行脉冲放电试验,并进行参数辨识。基于Matlab/Simulink 平台搭建锂离子电池二阶RC等效电路模型,将实际电池与电池模型放电阶段端电压历史数据进行对比,在HPPC工况与1C放电工况下对模型精度进行验证。1锂离子电池建模1.1锂离子电池的介绍由于锂离子电池具有能量高、使用寿命长、无记*收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 2作者简介：李延（1998 一），男，陕西西安人，研究生，,主要研究方向为新能源汽车关键技术。2023年第4期忆效应、工作温度范围宽、循环性能优越、自放电小、内阻低、性价比高、噪声低等优点，所以其在工业应用中展现出比较大的优势并被广泛使用。锂离子电池由外壳、正负极、隔膜以及电解液组成。其中,正极材料为锂离子化合物,负极材料一般为活性炭,锂离子电池种类非常多,常见的有圆柱形、方块状以及软包类锂离子电池2 。由于圆柱形锂离子电池十分适合安装在电动汽车上，所以大部分电动汽车企业采用圆柱形锂离子电池作为单体电池来组成电池组。1.2等效电路模型锂离子电池的充放电过程,是化学能和电能相互转化的过程，常见的锂离子电池模型有化学模型、神经网络模型和等效电路模型3 。等效电路模型是建立在经验基础上的一种模型,由于在某些情况下无法使用真实的电池进行试验，所以用电阻、电容和电源等电器元件模拟出电池的动态特性。由于电池模型结构清晰，比较容易推导出电池的状态方程，方便分析。常用的等效电路模型包括Rint模型、Thevenin模型、二阶Thevenin模型（也叫二阶RC模型)3 。Rint模型又叫内阻模型,这种模型结构简单,参数较少,计算量小且计算速度快，但是在建模的过程中忽略了电池的极化反应,尤其在大倍率电流工况下，此模型误差较大，因此适用范围较小。Thevenin模型又称为一阶RC 模型,这是因为该模型增加了1个RC环节,可以更好地模拟电池的动态特性。一阶RC 模型的结构相较于其他模型也较为简单,其模型的计算量也较小,因此被广泛使用。但一阶RC模型在电池温度变化范围较大、电池老化程度增加时,适应性较差,模型的计算精度也随之降低2 。二阶RC 模型与一阶RC 模型相比增加了1个RC环节,即增加了浓差极化反应。如图1 所示,Uoc为开路电压;I为负载电流;Ci,C为电池的极化电容;Ri,Rz为电池的极化电阻;U为端电压；R。为欧姆内阻。李延，等：车用锂离子电池模型研究式中：U，U,为浓差极化电压。式(1)离散化后得到：U(k+1)=Uoc(h+1)-R.I(k)-U,(k+1)-U,(k+1)U,(h+1)=U(k)e-/1-I(k)R,(1-e-T/1)U,(h+1)=U,(h)=T/m-(k)R,(1-T/2)(4)式中：T为系统采样的时间周期;T1,T均为时间常数。二阶RC模型最大的优点是可以同时兼顾欧姆定理、电化学反应和浓差极化反应,所以其精度比一阶RC模型高。虽然模型的结构较为复杂,但随着计算机的计算能力不断提高，有望实现模型的在线实时应用4，本文采用二阶RC模型。2基于Matlab/Simulink平台搭建电池模型2.1林模型参数辨识辨识出电池等效模型中的开路电压Uoc，欧姆内阻Ro，极化电阻Ri,R2，极化电容Ci,C,以及时间常数T1,T对于本试验来说十分重要，只有将这些参数代人到电池模型中才能模拟出真实的电池动态特性5,但是这些参数无法直接用仪器测量，所以采用以下方法进行参数辨识。充放电试验选用的电池为某公司生产的FLNCM-20三元锂离子电池，电池的额定容量为19Ah,充放电截止电压为4.1V和2.8 V。试验所用设备为新威CT-4000高性能电池检测系统,如图2所示。C7U=Uoc-R.I-U,-U,(1)(2)(3)RR图1二阶RC模型电路图由基尔霍夫定律可得：R图2 新威CT-4000高性能电池检测系统U对所选电池进行HPPC测试,此测试就是将电池长时间放电静置再短时充电的过程。首先将电池电量充满并静置12 h，这样可以彻底消除电池极化反应。为了防止电池在充满和放空2 种状态下发生过充和过放现象,所以选取9个荷电状态（SOC）点8进行试验，具体试验步骤如下：（1）先将电池的初始电量调为90%，再进行6min的恒流放电,放电速率为1C。(2)将电池静置1 h。(3)再以1C的恒流对电池进行10 s的充电。(4)将电池静置40 s。(5)再将电池放电10 s,放电电流为0.7 5A。在每一个放电深度都重复上述过程，直至电池电量全部耗尽。每次经过1h的静置之后，电池的端电压基本维持不变,如图3 所示,在t，时刻之前电池没有放电,放电电流为零,所以电池内的极化反应非常小,到达t时刻,极化反应减少至基本为零。此时该电压就可以被认为是该SOC点处的开路电压(OCV）,将每次的OCV和其对应的SOC值记录下来6 ,如表 1 所示。4.2004.0003.800田审3.6003.4003.200图3 电压随时间变化的曲线表1开路电压在各SOC下的对应值OCV/VSOC3.5110.13.5660.23.5670.33.6020.43.6770.5电池的阻容参数则是通过前面测量出的电压和电流变化图来分析得出。混合功率脉冲测试的实际电压以及实际电流变化如图3 与图4所示。将图3 中的区域1放大来看，如图5所示。可以通过脉冲响应说明锂离子电池的内阻特性,图5中t时刻之前电压突然升高是由于采样设备不是连续采样的,而是1s采样一次,在1 s内电压可能会变化很大,这种情况并不会对参数辨识的结果造成很大影响7 。在t时刻之前,由于电池被静置，电池的RC环节电阻可以近似看成为零，所以电压现代车用动力的变化量只与电池的欧姆内阻R。有关,根据欧姆定律可得该SOC点的内阻R。为：Ro=(U2-U,)/I2010FV/审-10-20图4电流随时间变化的曲线4.100UA4.00023.900U3.8001920193021940图5局部电压变化在图3 所示的区域2 内，电池模型的RC环节相当于零输人响应,得到零输人响应的电压变化图，10t500010000150002000025000时间/sOCV/V3.7293.7633.8873.9792023年第4期(5)10500010.00015000时间/sU1950.1.960时间/s如图6 所示。3.9603.955田3.9503.9453.94.0SOC0.60.70.80.92000025000U,U。1970t31980t41990201020402.070.2100时间/s图6零输入响应电压变化图在Matlab软件中将某个SOC点附近的小段电压数据进行参数拟合,解方程式就可以得到该SOC点的时间常数T1，T 2。零输入响应下的拟合曲线如图7 所示。3.9603.9503.94020406080.100120140160180时间/s图7零输入响应下拟合曲线在图5中t3t4时间段内，电池模型的RC环节相当于零状态响应，得到零状态响应的电压变化图，如图8 所示。U213021602023年第4期3.9503.9003.8501975图8零状态响应电压变化图在Matlab软件中将该SOC点（0.9）附近的小段电压数据曲线进行参数拟合，就可以得到该 SOC点的极化电阻R，和R2。零状态响应下拟合曲线如图9所示。3.9403.9003.860012工345678910时间/s图9零状态响应下拟合曲线在9个SOC点上进行以上的操作,只可以辨识出电池的OcV,Ro,R,R2,C,C2,Ti,T2,其与电池SOC对应关系如表2 所示。273.15温度单位/K李延，等：车用锂离子电池模型研究SOCOCV/VRo/ml2R,/ml2R2/m2Ci/FC2/FTT20.13.5114.3735.7376.71610.23.566 4.6134.6966.2339 23319771979时间/25.31Temp3298.509表2 参数辨识结果8.84610550.030.699543.090.591981198319850.33.5673.1024.1666.1460.43.602 3.2533.2366.10311 39712736.630.760.53.6773.1373.1676.21611 97513946.960.870.63.729 3.163 3.7496.09710.42512339.220.730.73.7633.2212.5666.44614 68516137.461.040.83.8873.2533.5885.9169 25614732.630.880.93.9793.4363.2645.7342.2验证模型准确性在Matlab/Simulink中搭建电池模型,将电池模型的放电数据与试验电池的放电数据进行对比以验证模型准确性，由于本文还需要采集电池的端电压、损失功率、SOC、温度,所以要在电池模型中加入这些参数的信息采集模块和模型精确性模块，建立模型如图10 所示。HPPC(1,;)HPPC(3,;)ControlledDurrentSource69.54310540.650.647 93612225.690.64电压误差率模拟电压/实际电压-0模拟电压H将电池模型在HPPC放电、1C恒流放电2 种工况下产生的模拟电压与实际电压进行对比，分别得出这2 种工况下模拟电压和实际电压随时间变化的情况,如图11和图12 所示。4.2004.0003.8003.600F3.400F02500500075001000012500150001750020000时间/s图11HPPC工况电压对比298.15环境温度图10电池模型4.4004.2004.00023.8003.600模拟电压3.400实际电压3.2003.00050分别计算HPPC放电、1C恒流放电2 种工况下的模型误差率，得到的结果如图13 和图14所示，可以看到,电压误差率绝对值都控制在3%以内。1000一500100015002.0002.50030003500时间/s图121C放电工况电压对比HPPC(1;:)HPPC(2,;)Cur实际电压一104L3%/率210F-1525005000750010.00012500150001750020000图13HPPC工况模型误差率曲线0-2图141C放电工况模型误差率曲线3结束语本文搭建的电池模型在HPPC工况与1C放电工况下的电压误差率绝对值都控制在3%以内，误KKKKKKKKKKKK（上接第5页）制备方法复杂，环境稳定性差，生产成本高。聚合物固态电解质机械加工性能优、黏弹性好，但其室温离子电导率低，导致电池倍率性能差。无论采用何种固态电解质，其界面问题对于电池性能的影响都至关重要。4结束语本文调研分析了国内外企业和机构在固态电池技术研发方面的技术路线以及业务进展，并分析了研究固态电池技术的重点和难点，总结如下：a.国内电池企业集中于氧化物和硫化物，氧化物路线代表企业有太蓝新能源、蓝固新能源等公司，硫化物路线代表企业有宁德时代、国轩高科、恩力动力、屹锂新能源等公司。部分企业选择固液混合的半固态电池作为过渡方案使用。b.国外主流厂家均以氧化物和硫化物这2 种技术路线为主。氧化物路线代表企业为Quantum-Scape,硫化物路线代表企业包含丰田、三星SDI、SolidPower、LG 化学、松下等公司。c.任何单一固态电解质都无法取得令人满意现代车用动力差率较小，符合预期,说明辨识的参数和所搭建的电池放电模型符合实际情况，也可以作为电池故障诊断的电池模型,为电池故障诊断提供模型支持。参考文献：工1陈息坤,孙冬.锂离子电池建模及其参数辨识方法研究时间/sJ.中国电机工程学报,2 0 16,3 6（2 2）：6 2 54-6 2 6 1.2 WANG L,ZHANG J L,YIN C L,et al.Realization andanalysis of good fuel economy and kinetic performance of alow-cost hybrid electric vehicle J.Chinese Journal of Me-chanical Engineering,2011,24(5):774-789.3】李晓锋.基于MATLAB的锂离子电池SOC相关参数辨识J.电工材料,2 0 2 1(5):2 5-2 8+3 4.4焦建刚.纯电动汽车结构与原理介绍J.汽车维修与保150010001500,2.00025003000时间/sKKKKKKKK2023年第4期3500养,2 0 17(1):94-97.5张城.电动汽车动力电池绿色设计方法研究D.合肥：合肥工业大学,2 0 19.6张春燕，马其华.电动汽车电机驱动控制系统设计研究J.机械设计与制造,2 0 12(2）:116-118.7 樊明迪.永磁同步电机直接转矩控制技术研究D.西安：西北工业大学,2 0 14.KKKKKKKKK的综合性能。固态电解质的组合制备以及固态电解质膜和正负极活性材料的包覆成为解决技术难点的有效方法。复合电解质有可能成为主要解决方案。参考文献：1 新能源汽车行业研究.2 0 2 3 年固态电池行业发展趋势研究报告R.2022:19-45.【2 冯旭宁.车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控D.北京：清华大学,2 0 16.3 JANEK J,ZEIER W G.A solid future for battery develop-mentJ.Nature Energy,2016,1(9):1-4.4许晓雄,邱志军，官亦标，等.全固态锂电池技术的研究现状与展望J.储能科学与技术,2 0 13,2（0 4）：3 3 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