混合动力汽车中锂离子动力电池参数辨识状态估计

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1、混合动力汽车中锂离子动力电池参数辨识与状态估计魏学哲，孙泽昌，田佳卿（同济大学汽车学院，上海，200092）摘要：本文从锂离子动力电池的“电流激励-电压响应”出发，通过实验分析了FreedomCar电池模型存在的不足之处，对其提出了改进，并证明了改进模型在混合动力工况下的可行性。根据该线性模型提出了基于最小二乘法的参数辨识的方法，并根据混合动力汽车的具体应用条件提出了并实现了基于“电流-时间窗口”的SOC校准方法。关键词：锂离子动力电池蓄电池管理系统电池模型荷电状态参数辨识一、引言能源危机已经初露端倪，而全球范围内要求减少污染改善环保走可持续发展道路的呼声也日益高

2、涨。一方面，能源消耗与环境污染与汽车工业有着最直接的关系，而另一方面汽车工业由于涉及产业链很长，又常常是一个国家的支柱产业，面对这样的形势，整个汽车业又重新把目光投回到电动汽车上，并把开发电动汽车作为今后汽车工业发展的必然方向。由于目前电池的能量密度与汽油相比还相差甚远，所以工程师们开发了混合动力汽车（HEV-HybridElectricVehicle）。无论对于“机电”混合动力汽车或者“电电”混合动力汽车，作为辅助动力源的蓄电池组都是整车动力系统中的一个重要部分，作用是辅助汽车主动力源，在汽车行驶中有大功率需求时及时响应提供动力，并吸收汽车制动回馈的能量。由此，

3、蓄电池组的工作特点是，在一定的荷电状态（SOC-StateofCharge或DOD-DepthofDischarge）范围内工作（通常是30%~70%），在瞬时提供或者吸收较大功率，承受较大的充放电电流，但由于充放电的持续时间不长，因而充放电深度都不大，消耗电池的能量和容量也不大。锂离子电池以其能量密度和功率密度都较大、无记忆效应、自放电较小及循环寿命较长等特点逐渐受到人们的重视。与之配备的蓄电池组管理系统则必须实时地告诉车辆管理器关于蓄电池组的信息，包括当前电池的荷电状态，电池的充放电能力（最大充放电功率）和电池的老化情况。这些信息必须达到一定的精度要求，因为车

4、辆管理系统将会根据获得的信息，结合整车动力控制策略进行功率和能量的配置，如果蓄电池管理系统提供的信息10/10不能正确反应电池的实际情况，那将会影响整车的动力性能表现甚至引发严重的安全问题。为获得这些信息，本文建立了锂离子电池的电路模型，在一定电流范围内比较准确地描述电池的电特性响应，并且利用该模型计算了一些能反映电池状态的参量。而所有这些的基础，就是准确地确定了锂离子电池电路模型中的各个参数。二、蓄电池的电路模型描述蓄电池电特性的模型有很多，通过对电池的试验及其结果的分析，我们认为由FreedomCAR【1】给出的电池电路模型比较好地描述了电池的电特性，模型如图

5、1所示。图1FreedomCAR电池模型下面结合该模型，对电池试验结果作简要分析。电池试验都是在室温下进行，使用的是Arbin电子负载设备。图2是单体电池的恒流放电特征曲线，曲线的II部分，也就是混合动力汽车上蓄电池组主要工作的荷电状态范围，这一部分的曲线基本呈现直线的状态，类似一个电容，随着电容上电量的减少其两端的电压也相应下降，即对应模型中的电容C0。图3是电池组经受恒流脉冲放电时的电压响应曲线，可以看到，在刚加载上电流以及刚撤除加载电流时，电压值都有一个跳变，类似电流加载到一个纯电阻上后的电压响应，即模型中的R0。而图中两段电压缓慢变化的曲线，则用电流作用在

6、RC并联环节上来描述。使用Matlab/simulink对该模型仿真后的结果如图4所示，仿真曲线与试验数据在形状上相近，但可以看到两者的贴合程度并不理想，故我们对FreedomCAR给出的电路模型上进行适当修正，模型如图5所示，增加一个RC并联环节后的新模型相比原模型，能更准确地描述电池电特性的响应。10/10图2单体电池恒流充放电特征曲线图3实际电池组电流脉冲放电电压响应曲线图4FreedomCAR电池模型仿真结果与试验数据比较10/10图5基于试验修正的电池电路模型三、电池电路模型中的参数辨识锂离子电池充放电的电化学过程十分复杂，且锂离子电池又有非线性和时变性

7、的特点，由理论分析来获得模型中的参数非常困难，所以我们通过对试验曲线的分析，即知道电流输入电压输出的情况下，来计算电池模型中的各个参数，也就是计算出C0、C1、C2、R0、R1和R2的值，再根据计算出的参数值估计电池当前所处的状态，从而做到对电池比较完善的管理，电池模型在整个电池管理系统中的作用如图6所示，其中电流、电压和温度是可以直接测得的一次量，电池管理系统就是要根据这些测得的一次量来估计电池的状态。图6电池模型在电池管理系统中的作用图3所示的电池组电流脉冲放电电压响应的试验曲线包含了丰富的信息。利用该曲线可以计算出模型中的各参数，如下图所示：10/10图7电

8、池模型中的