王琨，徐鵬，李呈旭

一種考慮遲滯的動力電池模型及其參數(shù)識別*

王琨1，徐鵬1，李呈旭2

（1.鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院汽車與交通學院，江蘇 鹽城 224005； 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

建立精確的電池模型是實現(xiàn)電池管理策略仿真及驗證的前提，是實現(xiàn)對動力電池進行全面、高效、精細化的管理的關鍵。然而在動力電池充放電過程中出現(xiàn)的電壓遲滯現(xiàn)象，嚴重影響了動力電池的建模精度。文章建立了一種考慮鋰離子電池充放電電壓遲滯的電池模型，并對其進行了參數(shù)識別，可供從事相關鋰離子電池狀態(tài)分析的研究人員作為參考。

電池管理；充放電遲滯；建模

前言

近些年來動力電池電芯技術實現(xiàn)了較快的發(fā)展，給電動汽車的動力存儲提供了很多新的選擇，但是僅僅依靠單體技術和材料的進步不能保證電動汽車使用安全性、可靠性以及電動汽車中電池的成本效率，對動力電池進行全面、高效、精細化的管理是最終滿足實際車用需求的重要環(huán)節(jié)。建立精確的電池模型是實現(xiàn)電池管理策略仿真及驗證的前提。然而動力電池在充放電過程中通常會出現(xiàn)充放電曲線不重合的情況，這種動力電池的固有特性對其建模精度產(chǎn)生了重要的影響。

動力電池等效電路模型通過傳統(tǒng)電阻、電容、理想電壓源等物理元件組成電路來模擬動力電池的外特性。其中電壓源表示電池的熱力學平衡電勢，RC網(wǎng)絡描述電池的動力特性。等效電路模型對動力電池的充放電特性有良好的適應性，而且容易推導出模型的狀態(tài)方程，被研究者們廣泛地運用于電動汽車建模仿真和基于模型的BMS開發(fā)[1-2]。

常見的等效電路模型有 Rint模型、RC模型、Thevein模型以及在上述模型基礎上改進得到的PNGV和GNL模型。如圖1所示，Rint模型結構比較簡單，沒有考慮動力電池的極化效應和內阻變化，誤差較大；Thevenin模型在Rint模型基礎上增加了一對電阻和電容用來反映電池極化效應和內阻變化，但不能反映電池充放電過程中開路電壓隨電池SOC值的變化[3]；PNGV模型在Thevenin模型基礎上增加了一個電容，解決了開路電壓隨電池SOC值變化的問題，但模型較復雜，運算成本高。RC模型由2個電容和3個電阻構成，其中大電容C表示電池的可用容量，小電容C表示電池的表面效應，R、R、R分別表示極化電阻、表面效應電阻和終端電阻，能夠較好地反應電池的SOC和內阻特性[4]。

圖1 常見等效電路模型

2 改進型電池模型的建立

本文考慮動力電池在充放電過程中存在較大的充放電電壓遲滯，結合典型的動力電池等效電路模型的特點，在RC等效電路模型的基礎上，建立了帶遲滯的改進型RC電池模型。將遲滯電壓U加在RC等效電路模型的終端，建立的改進型RC等效電路模型，如圖2所示。電容C表示電池的表面效應，R、R、R分別表示極化電阻、表面效應電阻和終端電阻，V代表開路電壓，U表示電池充放電遲滯電壓的數(shù)值。

圖2 帶遲滯的改進型RC等效電路模型

根據(jù)電路原理對該電路模型進行數(shù)學推導得到改進型RC等效電路模型數(shù)學方程如下：

式中：U為電容C兩端的電壓；U為電容C兩端的電壓；U為電池的遲滯電壓；U為負載電壓；I為負載電流。

3 模型參數(shù)辨識

本文應用混合脈沖功率性能測試（HPPC）實驗對RC電路模型中的參數(shù)進行辨識。利用最小二乘法指數(shù)擬合電池的端電壓對電流的響應曲線，進而求出RC模型中的電路參數(shù)。試驗方法如下：選取一個SOC點，測試前先將電池都靜置1小時，然后對電池進行20s的恒流放電，停止40s后再進行20s的恒流充電，圖3是電池放電后靜置階段截取的電壓曲線。

圖3 恒流放電電壓曲線

在參數(shù)擬合過程中，電池輸出的電壓值已經(jīng)去除了遲滯電壓U，根據(jù)圖3中的電壓曲線求取模型的參數(shù)如表1所示：

表1 改進型RC模型參數(shù)

4 結語

隨著新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車動力電池管理系統(tǒng)（BMS）得到了相關工業(yè)界和學術界的廣泛關注和研究。作為電池管理系統(tǒng)設計的核心，能夠對動力電池實施精確建模是關鍵，也是近年來學術界和工業(yè)界研究的熱點。本文對常用的動力電池等效電路模型進行了簡要分析，在RC等效電路模型的基礎上建立了帶遲滯的改進型RC電池模型，并利用HPPC實驗對RC電路模型中的參數(shù)進行了辨識。通過最小二乘法指數(shù)擬合端電壓與電流的關系曲線，進而求出了RC模型中的電路參數(shù)，是進一步對動力電池進行管理策略仿真及驗證的重要基礎。

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[4] 張吉星.純電動汽車動力鋰離子電池SOC估計算法研究[D].長春:吉林大學,2015.

Power Battery Model with Hysteresis and Its Parameter Identification*

Wang Kun1, Xu Peng1, Li Chengxu2

（1.School of Automotive Engineering, Yancheng Vocational Instition of Industry Technology, Jiangsu Yancheng 224005; 2.Automotive Engineering Research Institute, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013）

The establishment of an accurate battery model is a prerequisite for the simulation and verification of battery management strategies, and is the key to a comprehensive, efficient and refined management of power batteries. However, the voltage hysteresis in the charging and discharging process of the power battery seriously affects the modeling accuracy of the power battery. In this paper, a battery model considering the hysteresis of lithium-ion battery charging and discharging voltage is established, and its parameters are identified, which can be used as a reference for scholars engaged in the analysis of related lithium-ion battery status.

Battery management; Charge and discharge hysteresis; Modeling

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.001

U469.72

A

1671-7988(2021)07-01-03

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1671-7988(2021)07-01-03

王琨，就職于鹽城工業(yè)職業(yè)技術學院汽車與交通學院，工學碩士，從事電動汽車動力電池研究。

鹽城市科協(xié)軟課題《長三角一體化背景下鹽城市新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑研究》（編號yckxrkt2020-9）資助。