【《锂电池模型参数辨识及性能测试分析》3800字】

锂电池模型参数辨识及性能测试分析目录TOC\o"1-3"\h\u16620电池模型参数辨识及性能测试分析 138691.1基于模型参考自适应算法的模型参数在线辨识 1249891.1.1基于模型参考自适应算法的模型参数在线辨识 2181281.1.2电池模型参数在线辨识方法 413581.1.3参数辨识结果验证及电池模型仿真 5130601.2实验对象及电池测试平台 851281.2.1实验对象 83731.2.2电池测试平台 9232791.3电池基础性能测试实验 10122121.1.1活化实验 10313541.1.2容量标定测试 10145521.1.3单循环DST工况测试（峰值功率测试） 111.1基于模型参考自适应算法的模型参数在线辨识传统的电池模型参数辨识方法主要有最小二乘法、卡尔曼滤波法、神经网络法、遗传算法和粒子滤波法等，[18]而在电池等效电路模型的参数辨识中最小二乘凭借算法简单，可用于动态系统，也可用于静态系统等优点，被广泛应用于电池的模型参数辨识中。但电池的开路电压随SOC变化，而电池充放电测试时，SOC始终在不断的变化中，上述方法均无法实现对SOP估算中所需要的OCV数据进行在线辨识与跟踪。为此，本课题提出一种基于模型参考与自适应算法的电池模型参数辨识方法，模型参考自适应算法最大的好处就是自动跟踪输出，使得参考模型的输出与真实输出的误差趋于0，该方法只需要很简单的运算，即可实现高精度的输出跟踪，进而得到待估计模型的参数。1.1.1基于模型参考自适应算法的模型参数在线辨识基于模型参考与自适应算法的电池模型参数辨识原理如图3-1所示：图3-1模型参考自适应算法原理示意图模型参考自适应算法的基本原理是建立参考模型，通过参考模型和待辨识系统之间的误差来调节参考模型的参数，力求参考模型的输出与待辨识系统的输出相一致，对参数的实时跟踪性较好，非常适合对电池的实时OCV、内阻等模型参数进行在线辨识。图中待辨识系统为以公式（2-16）表达的实际电池二阶RC电路模型；定义其模型的参数矩阵为（3-1）其中、和、分别为：(3-2)参考模型和待辨识系统具有相同的结构和输入，其状态方程为：(3-3)定义参考模型的参数矩阵为（3-4）e(t)为待辨识系统的输出与参考模型输出的误差，（3-5）参数控制率为的变化率关于误差e的函数，（3-6）参数控制率方程由李雅普诺夫稳定性定理推导而来，误差函数e(t)如公式（3-5）所示，e(t)的一阶导数如下：（3-7）将电池的二阶模型系统方程代入（3-5）、（3-7）可得：（3-8）定义李雅普诺夫函数如下：（3-9）则的一阶导数如下：（3-10）由李雅普诺夫意义下的渐近稳定性定理可知：对于以状态方程（3-11）描述的动态系统，如果存在一个对时间连续可微的标量函数满足以下条件：（1）正定；（2）沿公式（3-11）解的轨迹对时间的一阶偏导数存在，且为负定的。则系统在状态空间的坐标原点处为李雅普诺夫意义下的渐进稳定，且称为李雅普诺夫函数。由上述限定条件可推导出参数控制律如下：（3-12）其中为参数调节系数，均为大于零的实数。根据参数控制率调节参考模型的参数，即可控制其输出使误差e(t)快速向0收敛，此时即可认为参考模型的参数即为待辨识系统的参数。（3-13）1.1.2电池模型参数在线辨识方法以电池容量标定中的放电过程为例，将容量标定测试的电流电压数据代入模型参考自适应算法中进行在线辨识，具体步骤（图3-2）归结如下：1）采集电池电流电压数据I、U；2）设定参考模型参数的初值，初值可以为经验值、历史时刻值或其他电池的参考值；3）将电流和初值代入参考模型系统方程中，计算得到参考模型的输出；4）将和采集到的电压数据U代入待辨识系统的状态方程中，计算参考模型输出和待辨识系统输出的误差e；5）将e控制率方程（3-12）中，计算出参考模型的参数控制律；6）根据计算出的调节参考模型参数；7）输出，。其流程图如下图3-2所示：图3-2模型参考自适应算法在线辨识电池模型参数的流程图1.1.3参数辨识结果验证及电池模型仿真本文以美国USABC在《Electricvehiclebatterytestproceduresmanual》中提出的动态应力测试（DynamicStressTest，DST）工况作为激励信号对模型参数辨识结果进行验证。DST工况为美国FUDS工况的简化版，其电流脉冲变化丰富，可以使电池的动态特性充分展现，较为适合在实验室模拟电池的动态运行状态，具体测试步骤如下：1）1C电流放电至下限截止电压，静置1h；2）1C电流充电至上限截止电压，转入恒压充电模式，，当充电电流小于3A时停止充电，静置1h；3）1/4C电流放电28S，1/2C电流放电12S，1/4C电流充电8S，静置16S；4）1/4C电流放电24S，1/2C电流放电12S，1/4C电流充电8S，静置16S，执行该步骤2次；5）1/2C电流放电36S，2C电流放电8S，1.25C电流放电24S，1/2C电流充电8S，1/2C电流放电32S，1C电流充电8S，静置44S；6）重复步骤3）~5）循环30次。DST工况由30个循环组成，下图3-3为DST工况的电压电流波形：图3-3DST测试工况根据电池二阶RC电路模型的状态方程，在MATLAB软件中建立电池的Simulink仿真模型如图3-4所示，把模型参数辨识结果和DST工况电流数据输入模型中进行仿真验证：图3-4电池Simulink仿真模型其中Input模块1为DST实际电流，2为电池端电压实测值，Input3~8分别表示电池的开路电压、欧姆内阻和两个极化环节的极化内阻和时间常数，以2#电池为例，模型输出与实际测量值对比如下。图3-52#电池电压实测值与模型估算值对比从图中可看出，模型估算值可以很好的跟随实际测量值，验证了模型的准确性和模型参数辨识的精确度。图3-62#电池电压实测值与模型估算值绝对误差从误差图中可以看到，在电流突变瞬间会出现较大误差，但最大不超过1.5%，该误差是由于辨识系统的时差造成的，时差长短取决于采样时间，辨识结果会在快速跟随上系统真实值，由此可以得出参数辨识的准确度较高。1.2实验对象及电池测试平台验证电池组性能与单体参数的相互关系以及后续研究，需要获取准确的单体电池和电池组的状态参数，本文依托实验室现有设备搭建电池测试平台，以8节同批次同规格的退役磷酸铁锂动力电池为研究对象设计相应实验，分别测量单体电池及不同一致性状态下的电池组的SOH、SOP等状态参数。1.2.1实验对象本文选用的被测电池为图3-7所示的小型观光车的电池包中拆卸下来的同批次同规格的8节磷酸铁锂电池：图3-7电池来源车辆被测电池外观如下图3-8所示：图3-8被测电池外观其具体参数如表3-1所示：表3-1被测电池额定参数参数数值标称电压（V）1.2放电截止电压（V）2.8充电截止电压（V）1.6标称容量（Ah）60长/宽/高（mm）130/36/190质量（Kg）1.91.2.2电池测试平台本文所用电池测试平台主要由迪卡龙BNT300-060ME电池测试仪、新威BTS-8008电池测试平台、泰琪MHX-K恒温箱、迪卡龙DLS-CAN-1-24数据采集设备以及上位机交互软件组成。实验时通过上位机交互软件对测试设备编程设计测试电流工况，蓄电池综合测试仪通过夹具与被测电池连接，对电池执行设定的电流工况，恒温箱设置为实验所需的特定温湿度环境后将电池放入恒温箱中，电池的单体温度和电压通过数据采集线与迪卡龙数据采集设备连接，再由数据采集设备将采集到的电池信息上传至上位机，测试平台结构图如图3-9。图3-9电池测试平台示意图测试平台主要设备的具体参数如下：1）DigatronBNT300-060ME蓄电池综合性能测试仪充放电电流3-300A，电流精度±0.1%；充放电电压0-60V，电压精度±0.2%；2）新威BTS-8008电池测试平台8通道单体电压采样，16通道温度采样，电压范围0-5V，电流范围0-400A，控制精度±0.05%，测量精度±0.05%；3）TerchyMHX-408NKM可程式恒温恒湿试验机温度范围-70℃~150℃，温度波动范围±0.2℃；湿度范围10%~98%RH，波动范围±2.5%RH；4）DigatronDLS-CAN-1-24数据采集设备12路单体电压采集通道，12路温度采集通道，分辨率为±15位。1.3电池基础性能测试实验为满足研究需求，本文对所选的8节磷酸铁锂电池以及8节实验对象组成的电池组分别进行了动态应力测试、容量标定测试、单循环DST工况测试等实验。1.1.1活化实验由于实验所选的退役电池较长时间未使用，初次使用时，充放电过程中电池内部化学反应活性不足，导致电池的性能无法充分发挥，需要对各个单体进行激活实验。1）1C电流充电至上限截止电压，静置30min；2）1C电流放电至下限截止电压，静置30min；3）重复3-5次步骤1）、2）。在电池充分活化后，进行动态应力测试、容量标定测试、单循环DST测试。1.1.2容量标定测试电池的容量是计算SOC、SOH等指标的重要参数，将容量标定结果代入式（2-2）和（2-3）即可求得电池的SOC和SOH，容量标定的准确度，直接影响到电池荷电状态、健康状态计算结果的准确性，具体测试方法本文在第二章SOH计算方法中已介绍，此处不再赘述。1.1.3单循环DST工况测试（峰值功率测试）为获取电池在各SOC点的内部参数计算SOP，以DST工况为基础进行改进，将DST工况的30个循环改为1个循环，在0.9~0.1SOC点分别进行测试。1）1C电流放电至下限截止电压，静置1h；2）1C电流充电至上限截止电压，转入恒压充电模式，当充电电流小于3A时停止充电，静置1h；3）1C电流放出10%SOC，静置30分钟；4）1/4C电流放电28S，1/2C电流放电12S，1/4C电流充电8S，静置16S；5）1/4C电流放电24S，1/2C电流放电12S，1/4C电流充电8S，静置16S，执行该步骤2次；6）1/2C电流放电36S，2C电流放电8S，1.25C电流放电24S，1/2C电流充电8S，1/2C电流放电32S，1C电流充电8S，静置44S；7）1C电流放电，当放电量与步骤4）~6）所放出电量之和等于10%SOC时停止放电，静置30分钟；8）重复步骤4）~7）至SOC=0。其工况电压电流曲线如下：图3-10单循环DST工况测试电流电压曲线将实验所得电流电压数据放入MATLAB中进行参数辨识得到电池在各SOC点的模型参数如下图3-11所示：图3-111#电池模型参数通过MATLAB软件中的Gaussian低通滤波器对各参数进行平滑处理，处理结果如下图3-12所示：图3-12Gaussian低通滤波器平滑结果从参数辨识结果