CN105259795A - 用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，考虑到现有主控芯片的计算能力以及数据存储能力，根据锂离子动力电池的工作状况，设定了温度、电池容量、剩余电量等工作条件并取合理的设定值进行组合，然后将组合后的工作条件对动力电池进行测试并获得待测参数的样本数据库，最后对于任意的工作条件利用样本数据库采用了插值拟合的算法获得相应工作条件下的所有待测参数，从而降低了对硬件计算量及存储能力的要求，并大大提高了内部阻抗参数的计算精度，有利于简化现有动力电池模拟器的设计，即使使用市场上常见的单片微型计算机MCU也能实现精确的动力电池输出电压模拟。

Description

用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法

技术领域

本发明涉及一种用于计算动力电池模拟器的内部阻抗参数方法，尤其是一种利用已有的样本数据采用插值的方式计算动力电池模拟器的内部阻抗参数方法。

背景技术

动力电池组是新能源汽车的动力核心，承担电池管理与控制任务的电池管理系统是车辆行驶性能与安全性的重要保障。电池管理系统在设计和优化过程中，可以通过连接实际电池组进行调试和改进。但使用实际电池组将面临初始条件设置困难与测试时间较长等问题，对于容量、温度等条件难以按需求灵活变换和控制，同时反复调试也将耗费大量时间。为此，使用精确的电池模拟器可以有效缩短电池管理系统的测试时间，提高开发效率。

电池模拟器的运算核心为能有效模拟电池行为的等效模型。目前国内外使用较广泛的是Thevenin多阶阻容网络模型，该模型能较好地模拟磷酸铁锂、镍钴锰三元电池等多种材料电池的行为，适用于一般的电池管理系统开发，在降低计算复杂度又不失精确性的情况下，通常采用三阶网络模型即能取得良好的效果。影响模型精确性的关键在于内部阻抗参数的取值，即各阻容网络中电阻与电容的取值，而阻抗参数对不同的条件较为敏感。为获得任意指定条件下的内部阻抗参数，以便于电池模拟器能够根据等效模型模拟电池的所有特性，需要实时测量工作条件并通过运算获得所有的内部阻抗参数，然后将内部阻抗参数代入等效模型的相应方程计算获得电池模拟器的输出电压。为了实现根据工作条件计算内部阻抗参数，目前在工程上一般采用两种方法：一种是在线式，即实时测量工作条件，包括温度、电池容量、电池剩余电量等，将上述工作条件传输至计算机，利用计算机强大的运算能力计算获得相应工作条件的内部阻抗参数，这种方法的运算精度高，但是由于其运算程序的复杂性，而实际的控制系统中的主控芯片运算能力相对较低，因此上述方法无法直接应用于工程中；另一种是离线式，通过采集对不同工作条件下的内部阻抗参数形成数据库存储于存储芯片中，根据实际的工作条件，直接在数据库中读取最接近的内部阻抗参数进行运算获得电池模拟器的输出电压，该方法虽然对控制芯片的运算能力较低，但是如果需要获得精确的计算结果，就要求庞大的内部阻抗参数数据库支撑，而受限于现有模拟器主控系统的存储空间，只能减少数据库的占用空间，也就是减少工作条件的采集点以及相应内部阻抗参数数量，最终会导致计算误差的增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，以应用于单片机等主控芯片中，在现有模拟器主控芯片运算能力以及存储能力的前提下对任意的工作条件，通过扩展拟合的方式获得的该工作条件下精确的内部阻抗参数，从而提高电池模拟器的输出精度。

本发明是这样来实现上述目的的：

用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，包括以下步骤：

a.根据动力电池的特性建立动力电池等效模型以及与电池等效模型相应的输出电压的公式，根据输出电压的公式确定待测参数；确定影响输出电压公式中待测参数的电池工作条件，其中分别为温度、电池容量、剩余电量；

b.所有电池工作条件在各自的范围内取值形成电池工作条件预设值，将所有的电池工作条件预设值进行组合并分别对动力电池进行测试并获得对应电池工作条件下的电压特性数据，利用电压特性数据根据动力电池等效模型计算获得相应工作条件下所有待测参数的值，并建立上述测试的电池工作条件与对应待测参数的值的样本数据库；

c.根据样本数据库使用插值拟合的方法获得任意电池工作条件下的所有待测参数的值，并由动力电池等效输出电压公式计算获得动力电池等效模型在该电池工作条件下的输出电压。

其中，所述动力电池等效模型由等效电压源串接欧姆内阻及三阶阻容网络组成，每阶阻容网络为等效电阻与等效电容并联组成。

其中，所述电池等效模型的输出电压公式为：

式中R_s、R_m、R_l表示三阶阻容网络的等效极化内阻；C_s、C_m、C_l表示三阶阻容网络的等效电容；EMF表示等效电压源的开路电压；确定待测参数包括R_s、R_m、R_l、C_s、C_m、C_l。

其中，步骤c中，任意指定电池工作条件计算所有待测参数的步骤为：

i.选定电池工作条件的一个取值为相应的指定电池工作条件，变化另外两个电池工作条件，使用样本数据库进行插值拟合计算获得这两个电池工作条件与所有待测参数值的临时数据库I；

ii.选定第二个电池工作条件为相应的指定电池工作条件，变化第三个电池工作条件，使用临时数据库I进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库II；

iii.上述第三个电池工作条件取值为相应的指定电池工作条件，使用临时数据库II计算出所有指定电池工作条件下的待测参数值。

对步骤c进一步优化中，任意指定电池工作条件计算所有待测参数的步骤为：

i.选定电池工作条件的一个取值为相应的指定电池工作条件，取第二个电池工作条件为样品数据库中该指定电池工作条件相邻的两个数值，变化第三个电池工作条件，使用样本数据库进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库I；

ii.选定第二个电池工作条件为相应的指定电池工作条件，取第三个电池工作条件为样品数据库中该指定电池工作条件相邻的两个数值，使用临时数据库I进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库II；

iii.上述第三个电池工作条件取值为相应的指定电池工作条件，使用临时数据库II计算出所有指定电池工作条件下的待测参数值。

其中，上述插值拟合方法为分段线性插值拟合方法。

其中，上述插值拟合方法为三次样条插值拟合方法。

本发明的有益效果是：考虑到现有主控芯片的计算能力以及数据存储能力，发明人根据锂离子动力电池组的工作状况，设定了温度、电池容量、剩余电量等工作条件在合理的范围内，再根据现有模拟器主控芯片的存储能力将不同的工作条件均匀划分并取合理的设定值数量，根据这些设定的电池工作条件进行相互组合，并分别通过实际的动力电池测试获得待测参数的样本数据库，从而将该样本数据库限制在合理的范围，利用有限的样本数据库计算获得任意电池工作条件下的精确待测参数并最终获得动力电池模拟器精确的电压输出。发明人将不属于样本数据库的任意工作条件下的数据参数采用了插值拟合的算法，由于插值拟合的计算量较低，能够直接应用于现有的模拟器主控芯片中，从而实现了对硬件计算及存储能力的匹配，并大大提高了内部阻抗参数的计算精度，有利于简化现有动力电池模拟器的设计，即使使用市场上常见的单片微型计算机MCU也能实现精确的动力电池输出电压模拟。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明所使用的电池等效模型；

图2是本发明实施例计算方法示意图。

具体实施方式

用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，包括以下步骤：

a.根据动力电池的特性建立动力电池等效模型以及与电池等效模型相应的输出电压的公式，根据输出电压的公式确定待测参数；确定影响输出电压公式中待测参数的电池工作条件，其中分别为温度、电池容量、剩余电量；

b.所有电池工作条件在各自的范围内取值形成电池工作条件预设值，将所有的电池工作条件预设值进行组合并分别对动力电池进行测试并获得对应电池工作条件下的电压特性数据，利用电压特性数据根据动力电池等效模型计算获得相应工作条件下所有待测参数的值，并建立上述测试的电池工作条件与对应待测参数的值的样本数据库；

c.根据样本数据库使用插值拟合的方法获得任意电池工作条件下的所有待测参数的值，并由动力电池等效输出电压公式计算获得动力电池等效模型在该电池工作条件下的输出电压。

考虑到现有主控芯片的计算能力以及数据存储能力，发明人根据锂离子动力电池组的工作状况，设定了温度、电池容量、剩余电量等工作条件在合理的范围内，再根据现有模拟器主控芯片的存储能力将不同的工作条件均匀划分并取合理的设定值数量，根据这些设定的电池工作条件进行相互组合，并分别通过实际的动力电池测试获得待测参数的样本数据库，从而将该样本数据库限制在合理的范围，利用有限的样本数据库计算获得任意电池工作条件下的精确待测参数并最终获得动力电池模拟器精确的电压输出。发明人将不属于样本数据库的任意工作条件下的数据参数采用了插值拟合的算法，由于插值拟合的计算量较低，能够直接应用于现有的模拟器主控芯片中，从而实现了对硬件计算及存储能力的匹配，并大大提高了内部阻抗参数的计算精度，有利于简化现有动力电池模拟器的设计，即使使用市场上常见的单片微型计算机MCU也能实现精确的动力电池输出电压模拟。

电池模拟器的运算核心为能有效模拟电池行为的等效模型。目前国内外使用较广泛的是Thevenin多阶阻容网络模型，该模型能较好的模拟磷酸铁锂、镍钴锰三元电池等多种材料电池的行为，适用于一般的电池管理系统开发，在降低计算复杂度又不失精确性的情况下，通常采用三阶网络模型即能取得良好的效果。下面以三阶网络模型为例进行详细的介绍，参照图1。动力电池等效模型由等效电压源串接欧姆内阻及三阶阻容网络组成，每阶阻容网络为等效电阻与等效电容并联组成。利用该等效电路模型可推导出电流与外电压的微分关系，形成微分方程组，以此计算动力电池的实时电压响应。

上述的三阶阻容网络模型对应的微分方程组为：

输出端电压为：

内部阻抗参数一般是在恒流充或放电后，将电池搁置一段时间，根据电池电压回弹曲线获得。为此，令电流为零，将上述微分方程一般化可得：

,

式中I_B是指撤掉电流前恒流充或放电的电流值，视为常量；R_s、R_m、R_l表示三阶阻容网络的等效极化内阻；C_s、C_m、C_l表示三阶阻容网络的等效电容；EMF表示等效电压源的开路电压；搁置阶段输出电压的欧姆项为零。确定待测参数包括R_s、R_m、R_l、C_s、C_m、C_l。

形成待测参数的样本数据库，首先对电池工作条件均匀划分并取值，如温度取0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，电池容量取5AH、10AH、20AH、50AH、100AH，剩余电量为20%、40%、60%、80%、100%。将上述电池工作条件进行组合形成125种电池工作条件，在这125中条件下对实际的动力电池进行测试，从而获得125组待测参数R_s、R_m、R_l、C_s、C_m、C_l的数据，由于剩余电量的变换可以在同一次测试中进行，因此实际测试次数为25次，完成了样本数据库的建立。样本数据库的数据量越大，则越能精确描述动力电池在不同条件下的真实行为，但考虑到测试时间和成本，以及现有单片微型计算机MCU的存储容量，数据库不可能太大，也无法覆盖所有情况。

由于样本数据库只包含某些温度、电池容量、剩余电量的电池工作条件下的待测参数，如需获得任意工作条件下的待测参数，需要采用拟合扩展的方法计算获得。拟合方法可根据实际需要自由选择，但是本发明考虑到现有单片微型计算机MCU的计算能力，优选采用分段线性插值拟合法以及三次样条插值拟合法。

其中分段线性插值拟合方法为：

设已知节点上的函数值为。则对任意有

对于的点可采用外插值，即

其中三次样条插值拟合方法为：

其中，

下面结合一个实施例对本发明进行详细描述。

假设已通过基础测试获得一组含有125个样本的基础数据库，如附图2所示。三阶阻容网络等效模型包含未知参数R_s、R_m、R_l、C_s、C_m、C_l，每个参数与温度T、电池容量C与剩余电量S具有特定关系。以极化内阻R_s为例，依据已有信息，计算温度T=35℃，电池容量C=15Ah，剩余电量S=70%条件下的R_s取值，其他参数获取方法类似。

首先对剩余电量S进行拟合，获得图2中25个圆形参考点：

如此类推，直到

上述式中的A1、A2至A25表示剩余电量S=70%、温度T与电池容量依次变化组合获得的25个不同的电池工作条件。

然后对温度T进行拟合，获得图2中5个菱形参考点：

如此类推，直到

上述式中的A26至A30表示剩余电量S=70%、温度T=35℃、电池容量C依次变化组合获得的5个不同的电池工作条件。

最后对电池容量C进行拟合，获得图2中星形参考点，即所需的T=35℃，电池容量C=15Ah，剩余电量S=70%条件下的R_s取值：

上述式中的R_s(A31)即为剩余电量S=70%、温度T=35℃、电池容量C=15AH电池工作条件下R_s的最优取值。

本例以计算量较少的分段线性拟合进行介绍，但并不限于此方法。该例为展现拟合方法的通用性，介绍了完整的计算过程。而在实际应用中，对线性插值而言计算点数可以更少，由于估值仅依赖于相邻点的信息，因此只需计算包含目标点在内的7个相邻点，这样可大大的减少运算量。模型参数的扩展计算取决于外界影响因素，影响因素越多，扩展步骤越长。相关步骤可通过程序实现，拟合函数可经过预处理嵌入程序，实际计算中无需实时拟合，只需执行查取数据与若干初等运算，对处理器计算能力要求不高。

实际工况中外界条件变化相对较慢，在应用中可适当降低参数计算频率，如每隔20s才进行一次更新扩展，从而减少计算量。

本方法并不限于温度、容量、剩余电量的三维扩展，对于其他条件如倍率、滞回效应、电池劣化程度等因素的考虑，可用类似方法解决，只是数据库的建立与参数扩展步骤需相应进行扩充完善。

Claims (7)

1.用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于包括以下步骤：

根据动力电池的特性建立动力电池等效模型以及与电池等效模型相应的输出电压的公式，根据输出电压的公式确定待测参数；确定影响输出电压公式中待测参数的电池工作条件，其中分别为温度、电池容量、剩余电量；

所有电池工作条件在各自的范围内取值形成电池工作条件预设值，将所有的电池工作条件预设值进行组合并分别对动力电池进行测试并获得对应电池工作条件下的电压特性数据，利用电压特性数据根据动力电池等效模型计算获得相应工作条件下所有待测参数的值，并建立上述测试的电池工作条件与对应待测参数的值的样本数据库；

根据样本数据库使用插值拟合的方法获得任意电池工作条件下的所有待测参数的值，并由动力电池等效输出电压公式计算获得动力电池等效模型在该电池工作条件下的输出电压。

2.根据权利要求1所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：所述动力电池等效模型由等效电压源串接欧姆内阻及三阶阻容网络组成，每阶阻容网络为等效电阻与等效电容并联组成。

3.根据权利要求1所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：所述电池等效模型的输出电压公式为：

，

其中R_s、R_m、R_l表示三阶阻容网络的等效极化内阻；C_s、C_m、C_l表示三阶阻容网络的等效电容；EMF表示等效电压源的开路电压；确定待测参数包括R_s、R_m、R_l、C_s、C_m、C_l。

4.根据权利要求1所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：步骤c中，任意指定电池工作条件计算所有待测参数的步骤为：

选定电池工作条件的一个取值为相应的指定电池工作条件，变化另外两个电池工作条件，使用样本数据库进行插值拟合计算获得这两个电池工作条件与所有待测参数值的临时数据库I；

选定第二个电池工作条件为相应的指定电池工作条件，变化第三个电池工作条件，使用临时数据库I进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库II；

上述第三个电池工作条件取值为相应的指定电池工作条件，使用临时数据库II计算出所有指定电池工作条件下的待测参数值。

5.根据权利要求1所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：步骤c中，任意指定电池工作条件计算所有待测参数的步骤为：

选定电池工作条件的一个取值为相应的指定电池工作条件，取第二个电池工作条件为样品数据库中该指定电池工作条件相邻的两个数值，变化第三个电池工作条件，使用样本数据库进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库I；

选定第二个电池工作条件为相应的指定电池工作条件，取第三个电池工作条件为样品数据库中该指定电池工作条件相邻的两个数值，使用临时数据库I进行插值拟合计算获得所有待测参数值的临时数据库II；

上述第三个电池工作条件取值为相应的指定电池工作条件，使用临时数据库II计算出所有指定电池工作条件下的待测参数值。

6.根据权利要求1或4或5所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：所述插值拟合方法为分段线性插值拟合方法。

7.根据权利要求1或4或5所述的用于动力电池模拟器的内部阻抗参数扩展方法，其特征在于：所述插值拟合方法为三次样条插值拟合方法。