CN108594132A - 一种电池等效电路模型 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种电池等效电路模型，包括：用于表征电池的开路电压的电压源；与所述电压源的正极电连接的电化学极化模拟电路；与所述电化学极化模拟电路电连接的浓差极化模拟电路，所述浓差极化模拟电路还与电压输出端的正极电连接；用于表征电池容量的第一电容，所述第一电容的第一端与所述电压源的负极电连接；与所述第一电容的第二端电连接的欧姆内阻模拟电路，所述欧姆内阻模拟电路还与电压输出端的负极电连接。本发明实施例中的电池等效电路模型，包括多种能够表征电池内部电路的电特性的电路结构，能够更好的模拟电池特性，即更好的表征电池充电过程和放电过程中电池参数的变化，实现对电池更精确的研究。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池等效电路模型。
背景技术
电池等效电路模型是指用固态电子元件，如电压源(UOCV)、电阻、电容等，来表征电池内部电路的电特性的模型，所谓“等效”并不是不同电路有着相同的效果，而是指同一电路的不同的表征方式。在针对锂电池的研究中，等效电路模型由于可以清晰的表达电池的外特性，且兼顾了电池的电压、电流、温度等影响因素，数学表达方式清晰明确，是目前采用最广泛的电池模型。但现有技术中的等效电路模型中，用于表征电池内部电路的电特性的电路结构比较单一，不能很好的模拟电池特性。
发明内容
本发明实施例提供了一种电池等效电路模型，能够更好的模拟电池特性。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种电池等效电路模型，包括：
用于表征电池的开路电压的电压源；
与所述电压源的正极电连接的电化学极化模拟电路；
与所述电化学极化模拟电路电连接的浓差极化模拟电路，所述浓差极化模拟电路还与电压输出端的正极电连接；
用于表征电池容量的第一电容，所述第一电容的第一端与所述电压源的负极电连接；
与所述第一电容的第二端电连接的欧姆内阻模拟电路，所述欧姆内阻模拟电路还与电压输出端的负极电连接。
进一步地，所述电化学极化模拟电路包括：并联连接的第一电阻和第二电容；
其中，所述第一电阻的第一端与所述电压源的正极电连接，第二端与所述浓差极化模拟电路电连接；所述第二电容的第一端与所述电压源的正极电连接，第二端与所述浓差极化模拟电路电连接。
进一步地，所述浓差极化模拟电路包括：并联连接的第二电阻和第三电容；
其中，所述第二电阻的第一端与所述电化学极化模拟电路连接，第二端与所述电压输出端的正极电连接；所述第三电容的第一端与所述电化学极化模拟电路连接，第二端与所述电压输出端的正极电连接。
进一步地，所述欧姆内阻模拟电路包括：并联连接的充电内阻模拟电路和放电内阻模拟电路；
其中，所述充电内阻模拟电路分别与所述电压输出端的负极和所述第一电容电连接，所述放电内阻模拟电路分别与所述电压输出端的负极和所述第一电容电连接。
进一步地，所述充电内阻模拟电路包括：串联连接的第三电阻和第一二极管；
其中，所述第三电阻的第一端与所述第一电容的第二端电连接，第二端与所述第一二极管的负极电连接，所述第一二极管的正极与所述电压输出端的负极电连接。
进一步地，所述放电内阻模拟电路包括：串联连接的第四电阻和第二二极管；
其中，所述第四电阻的第一端与所述第一电容的第二端电连接，第二端与所述第二二极管的正极电连接，所述第二二极管的负极与所述电压输出端的负极电连接。
本发明的有益效果是：
本发明实施例中的电池等效电路模型，包括多种能够表征电池内部电路的电特性的电路结构，能够更好的模拟电池特性，即更好的表征电池充电过程和放电过程中电池参数的变化，实现对电池更精确的研究。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1表示本发明实施例提供的电池等效电路模型的示意图。
附图标记说明如下：
101、电化学极化模拟电路；102、浓差极化模拟电路；103、欧姆内阻模拟电路；1031、充电内阻模拟电路；1032、放电内阻模拟电路；
UOCV、电压源；CC、第一电容；CP1、第二电容；CP1、第三电容；RP1、第一电阻；RP2、第二电阻；R1、第三电阻；R2、第四电阻；D1、第一二极管；D2、第二二极管。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明实施例提供了一种电池等效电路模型，用于表征电池内部电路的电特性，其可以模拟电池的动态特性，表征电池充电过程和放电过程中电池参数的变化，能够更加直观的对电池进行研究。
如图1所示，该电池等效电路模型包括：用于表征电池的开路电压的电压源UOCV，用于模拟电池的电化学极化现象的电化学极化模拟电路101，用于模拟电池的浓差极化现象的浓差极化模拟电路102，用于表征电池容量的第一电容CC以及用于模拟电池欧姆内阻的欧姆内阻模拟电路103。
可知的，电池内阻是衡量电池性能的一个重要性能指标。其中，电池内阻包括：欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括：电化学极化内阻和浓差极化内阻，而电化学极化内阻是由于电化学极化现象产生的，浓差极化内阻是由于浓差极化现象产生的，因此，本发明实施例为了更好的表征电池内部电路的电特性，在电池等效电路模型中分别设置了欧姆内阻模拟电路103、电化学极化模拟电路101和浓差极化模拟电路102。
此外，由于电池容量也是衡量电池性能的重要性能指标之一，它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量，因此，本发明实施例还在电池等效电路模型中设置了一个大电容，即第一电容CC，用来表征电池的开路电压随负载电流IL在时间上的积分而产生的变化。
其中，本发明实施例提供的电池等效电路模型中，各电路结构的电连接关系为：电化学极化模拟电路101分别与电压源UOCV的正极和浓差极化模拟电路102电连接，浓差极化模拟电路102还与电压输出端的正极电连接；第一电容CC的第一端与电压源UOCV的负极电连接，第二端与欧姆内阻模拟电路103电连接，欧姆内阻模拟电路103还与电压输出端的负极电连接，也就是在放电过程中，从电压源UOCV的正极输出的电流，依次经电化学极化模拟电路101和浓差极化模拟电路102，流向电压输出端的正极，而流入电压源UOCV的负极的电流，从电压输出端的负极，依次经欧姆内阻模拟电路103和第一电容CC，流向电压源UOCV的负极。
由于提高动力电池的性能和安全性，改善车辆运行的效率，实现电池容量和能量利用的高效性，需要电池管理系统给出精确的算法和控制策略，但无论采用何种算法都是在电池模型的基础上进行的。电池等效电路模型的准确与否是整个电池管理系统的关键所在，而本发明实施例中的电池等效电路模型，包括多种能够表征电池内部电路的电特性的电路结构，能够更好的模拟电池特性，且根据该电池等效电路模型，能够获取到更全面的电池参数，有利于提高模型的精度，以更好的表征电池充电过程和放电过程中电池参数的变化，实现对电池更精确的研究。
具体地，如图1所示，电化学极化模拟电路101包括：并联连接的第一电阻RP1和第二电容CP1。其中，第一电阻RP1用于表示电池的电化学极化电阻，第二电容CP1用于表示表示电池的电化学极化电容。
其中，第一电阻RP1的第一端与电压源UOCV的正极电连接，第二端与浓差极化模拟电路102电连接。第二电容CP1的第一端与电压源UOCV的正极电连接，第二端与浓差极化模拟电路102电连接。
具体地，如图1所示，浓差极化模拟电路102包括：并联连接的第二电阻RP2和第三电容CP2。其中，第二电阻RP2用于表示电池的浓差极化电阻，第三电容CP2用于表示表示电池的浓差极化电容。
其中，第二电阻RP2的第一端与电化学极化模拟电路101连接，具体是分别与电化学极化模拟电路101中的第一电阻RP1和第二电容CP1电连接；第二电阻RP2的第二端与电压输出端的正极电连接。第三电容CP2的第一端与电化学极化模拟电路101连接，具体是分别与电化学极化模拟电路101中的第一电阻RP1和第二电容CP1电连接；第三电容CP2的第二端与电压输出端的正极电连接。
进一步地，如图1所示，欧姆内阻模拟电路103包括：并联连接的充电内阻模拟电路1031和放电内阻模拟电路1032。
本发明实施例考虑到电池在充电阶段和放电阶段，其欧姆内阻在阻值上会有所不同，因此，在等效电路模型中分别设置了充电内阻模拟电路1031和放电内阻模拟电路1032，以减小欧姆内阻的计算误差，提高模型的精度。
其中，充电内阻模拟电路1031分别与电压输出端的负极和第一电容CC电连接，放电内阻模拟电路1032分别与电压输出端的负极和所述第一电容CC电连接。
具体地，如图1所示，充电内阻模拟电路1031包括：串联连接的第三电阻R1和第一二极管D1。
其中，第三电阻R1的第一端与第一电容CC的第二端电连接，第二端与第一二极管D1的负极电连接，第一二极管D1的正极与电压输出端的负极电连接。第一二极管D1在充电内阻模拟电路1031中起到开关作用，在电池的充电过程中，充电内阻模拟电路1031处于通路状态；在电池的放电过程中，充电内阻模拟电路1031处于开路状态。
具体地，如图1所示，放电内阻模拟电路1032包括：串联连接的第四电阻R2和第二二极管D2。
其中，第四电阻R2的第一端与第一电容CC的第二端电连接，第二端与第二二极管D2的正极电连接，第二二极管D2的负极与电压输出端的负极电连接。第而二极管在放电内阻模拟电路1032中起到开关作用，在电池的放电过程中，放电内阻模拟电路1032处于通路状态；在电池的充电过程中，放电内阻模拟电路1032处于开路状态。
进一步地，本发明实施例中，电池等效电路模型的状态方程为：
xk+1＝Axk+Buk
yk＝Cxk-UkR0+Uocv
其中，xk+1为一状态矩阵，xk为xk+1前一时刻的状态矩阵，yk＝UL，表示输出电压(即端电压)，uk＝iL,k，表示k时刻的IL，IL表示负载电流；R0表示电池欧姆内阻，IL>0表示电池的放电过程，R1表示第三电阻的电阻值，即放电内阻；IL<0表示电池的充电过程，R2表示第四电阻的电阻值，即充电内阻。A、B、C分别表示一个状态增益矩阵，具体为：
C＝[-1 -1 -1 0]。
其中，Ts表示输出电压的采样周期，Cc表示第一电容CC的电容值，Cp1表示第二电容CP1的电容值，Cp2表示第三电容CP2的电容值，Rp1表示第一电阻RP1的电阻值，Rp2表示第二电阻RP2的电阻值，QN表示电池的额定容量，η表示电池的充放电效率。
通过利用上述状态方程，可以计算得到各个参数的数值，通过对参数进行监控，可获取参数在充电过程和放电过程中的变化情况。其中，UL、Uocv和IL可直接测量得到。
其中，上述状态方程的推导过程为：
根据图1中的电池等效电路模型可以得出电池的开路电压和输出电压之间的关系为：
UOCV＝UP1+UP2+UC+R0IL+UL (1-1)
其中(1-1)式中，UOCV表示电池的开路电压，UP1表示第一电阻RP1的电压，UP2表示第二电阻RP2的电压，UC表示第一电容CC的电压，UL表示端电压；
其中(1-1)式中，
再对电池等效电路模型中的三个电容(即Cc、Cp1和Cp2)进行计算，由于：
即：
其中，为U的导数。
以电容CP1为例：
其中，IP1表示第二电容CP1的电流值，表示UP1的导数。
同理可得：
其中，表示UP2的导数。
其中，表示UC的导数。
本发明实施例中，SOC(State of Charge，荷电状态，也称为剩余电量)的估算采用安时积分法，即：
其中，(1-7)式中，η为电池的充放电效率，QN为电池的额定容量，为了方便计算，取Z(t)＝SOC(t)，则有：
其中，表示SOC的导数。
综合方程(1-1)、(1-4)、(1-5)、(1-6)、(1-8)，得到：
将上式(1-9)联立，得：
运用一阶泰勒公式，将方程(1-10)变换，得：
其中，式中，TS为输出电压的采样周期，则离散化和线性化后得：
负载电流IL为电池的输入，输出电压(即端电压)UL为电池的输出，状态矩阵为：yk＝UL，uk＝IL，k，则电池模型为：
xk+1＝Axk+Buk (1-15)
yk＝Cxk-UkR0+UOCV (1-16)
通过利用上述状态方程(1-15)和(1-16)，可以计算得到等效电路模型中各个参数的数值，通过对参数进行监控，可获取参数在充电过程和放电过程中的变化情况，便于对电池内部电路的电特性进行研究。
综上所述，本发明实施例中的电池等效电路模型，包括多种能够表征电池内部电路的电特性的电路结构，能够更好的模拟电池特性，且根据该电池等效电路模型，能够获取到更全面的电池参数，有利于提高模型的精度，以更好的表征电池充电过程和放电过程中电池参数的变化，实现对电池更精确的研究。
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种电池等效电路模型，其特征在于，包括：
用于表征电池的开路电压的电压源(UOCV)；
与所述电压源(UOCV)的正极电连接的电化学极化模拟电路(101)；
与所述电化学极化模拟电路(101)电连接的浓差极化模拟电路(102)，所述浓差极化模拟电路(102)还与电压输出端的正极电连接；
用于表征电池容量的第一电容(CC)，所述第一电容(CC)的第一端与所述电压源(UOCV)的负极电连接；
与所述第一电容(CC)的第二端电连接的欧姆内阻模拟电路(103)，所述欧姆内阻模拟电路(103)还与电压输出端的负极电连接。
2.根据权利要求1所述的电池等效电路模型，其特征在于，所述电化学极化模拟电路(101)包括：并联连接的第一电阻(RP1)和第二电容(CP1)；
其中，所述第一电阻(RP1)的第一端与所述电压源(UOCV)的正极电连接，第二端与所述浓差极化模拟电路(102)电连接；所述第二电容(CP1)的第一端与所述电压源(UOCV)的正极电连接，第二端与所述浓差极化模拟电路(102)电连接。
3.根据权利要求1或2所述的电池等效电路模型，其特征在于，所述浓差极化模拟电路(102)包括：并联连接的第二电阻(RP2)和第三电容(CP2)；
其中，所述第二电阻(RP2)的第一端与所述电化学极化模拟电路(101)连接，第二端与所述电压输出端的正极电连接；所述第三电容(CP2)的第一端与所述电化学极化模拟电路(101)连接，第二端与所述电压输出端的正极电连接。
4.根据权利要求1所述的电池等效电路模型，其特征在于，所述欧姆内阻模拟电路(103)包括：并联连接的充电内阻模拟电路(1031)和放电内阻模拟电路(1032)；
其中，所述充电内阻模拟电路(1031)分别与所述电压输出端的负极和所述第一电容(CC)电连接，所述放电内阻模拟电路(1032)分别与所述电压输出端的负极和所述第一电容(CC)电连接。
5.根据权利要求4所述的电池等效电路模型，其特征在于，所述充电内阻模拟电路(1031)包括：串联连接的第三电阻(R1)和第一二极管(D1)；
其中，所述第三电阻(R1)的第一端与所述第一电容(CC)的第二端电连接，第二端与所述第一二极管(D1)的负极电连接，所述第一二极管(D1)的正极与所述电压输出端的负极电连接。
6.根据权利要求4或5所述的电池等效电路模型，其特征在于，所述放电内阻模拟电路(1032)包括：串联连接的第四电阻(R2)和第二二极管(D2)；
其中，所述第四电阻(R2)的第一端与所述第一电容(CC)的第二端电连接，第二端与所述第二二极管(D2)的正极电连接，所述第二二极管(D2)的负极与所述电压输出端的负极电连接。
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