一种锂离子电池阻抗模型和参数辨识方法

技术领域

本申请涉及动力电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池阻抗模型和参数辨识方法。

背景技术

在新能源动力总成测试台架和硬件在环HIL台架上，电池模型都扮演者极为重要的角色，电池模型的精度对于模拟整车测试续航里程、功率均有着极大的影响。同时，电池模型中的锂离子电池阻抗模型作为重要组成，锂离子电池阻抗模型的精确度直接影响着电池模型的精确程度。

相关技术中，一种基于相关与回归分析的蓄电池模型建模方法，采用二阶RC等效电路模型作为电池模型，如图2所示，该二阶RC等效电路模型包括阻抗Rb、和二阶RC电路，所述二阶RC电路包括阻抗R1、阻抗R2、电容C1和电容C2，所述阻抗R1与所述阻抗R2串联，所述电容C1与所述阻抗R1并联，所述电容C2与所述阻抗R2并联。该二阶RC等效电路模型也是大多数新能源动力总成台架电池模拟器和硬件在环HIL台架所采用的锂离子电池模型，尽管该锂离子电池模型结构简单能够初步模拟锂离子电池特性。但与真实电池相比，其模拟的精度仍然有待提升。

发明内容

本申请实施例提供一种锂离子电池阻抗模型和参数辨识方法，以解决相关技术中电池模型中的阻抗模型精度欠缺的问题。

第一方面，提供了一种锂离子电池阻抗模型，包括依次串联的电感L、阻抗Rb、和二阶RC电路，且每一阶PC电路均为并联电路。

一些实施例中，所述二阶RC电路包括阻抗R1、阻抗R2、常相位角元件CPE1和常相位角元件CPE2，所述阻抗R1与所述阻抗R2串联，所述常相位角元件CPE1与所述阻抗R1并联，所述常相位角元件CPE2与所述阻抗R2并联。

一些实施例中，所述电感L为多孔电极感抗。

第二方面，还提供了一种锂离子电池阻抗模型的参数辨识方法，包括步骤：

预先提供一个具有锂离子电池阻抗的待测电池，并根据该待测电池创建一个具有锂离子电池阻抗模型的电池电路；

确定所述待测电池的电池容量；

调整所述待测电池至指定的状态，并采用不同频率的正弦波电压信号对所述待测电池进行激励，得到所述待测电池在该状态下的阻抗谱EIS；

使用阻抗谱EIS分析软件调取所述电池电路，向所述电池电路的锂离子电池阻抗模型中的各个阻抗元件赋值，并得到赋值后的电池电路的阻抗谱EIS和各个阻抗元件的参数；

比较得到赋值后的电池电路的阻抗谱EIS与所述待测电池的阻抗谱EIS；

根据比较结果，更新所述各个阻抗元件的赋值，直至所述电池电路的阻抗谱EIS与所述待测电池的阻抗谱EIS满足拟合条件，输出最后得到的各个阻抗元件的参数；

将输出的各个阻抗元件的参数作为所述锂离子电池阻抗模型在指定的状态下的参数。

一些实施例中，所述状态的因变量包括SOC状态，调整所述待测电池至指定状态的具体步骤包括：

调整所述待测电池的SOC状态到指定的SOC状态。

一些实施例中，所述状态的因变量包括SOC状态和环境温度，具体包括步骤：

将所述待测电池的SOC状态调整至一个指定的SOC状态，并测量该指定的SOC状态下的不同的环境温度下对应的参数。

一些实施例中，所述状态的因变量还包括循环次数，具体包括：

将所述待测电池的循环次数调整至一个指定的循环次数，并测量该指定的循环次数下的不同的SOC状态、不同的环境温度下对应的参数。

一些实施例中，还包括：

根据输出的所有参数，创建三维数据表，三个维度为SOC状态、环境温度、循环次数；

基于所述三维数据表，采用插值法确定其他的SOC状态、环境温度、循环次数下的参数。

一些实施例中，在调整所述待测电池至指定的状态之后，采用不同频率的正弦波电压信号对所述待测电池进行激励之前，还包括步骤：

在指定的环境温度下静置所述待测电池，若环境温度在25℃以上，静置时间在6h以上，若环境温度小于25℃，静置时间在24h以上。

一些实施例中，初次赋值的数量级与所述锂离子电池阻抗中各个阻抗元件的数量级相同。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：提高锂离子电池阻抗模型的精度，更为真实地模拟具有该锂离子电池阻抗模型的电池模型。

本申请实施例提供了一种锂离子电池阻抗模型，其在常规的锂离子电池阻抗模型的基础上新增一个电感L，结构简单，且本申请实施例中的锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为0.952％，而常规的锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为16.8％，明显看出改进后的锂离子电池阻抗模型的精度提升明显，更为真实地模拟具有该锂离子电池阻抗模型的电池模型。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种锂离子电池阻抗模型的电路结构图；

图2为常规的锂离子电池阻抗模型的电路结构图；

图3为本申请实施例提供的一种锂离子电池阻抗模型的参数辨识方法的流程示意图；

图4为25℃/SOC＝50％的25AH锰酸锂电池进行奈奎斯特频率Nyquist处理后的阻抗谱EIS；

图5为本申请实施例提供的锂离子电池阻抗模型的拟合结果与实测阻抗谱的对比；

图6为本申请实施例提供的锂离子电池阻抗模型辨识出的阻抗元件参数值；

图7为常规的锂离子电池阻抗模型的拟合结果与实测阻抗谱的对比；

图8为常规的锂离子电池阻抗模型辨识出的阻抗元件参数值。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种锂离子电池阻抗模型，其能提高锂离子电池阻抗模型的精度，更为真实地模拟具有该锂离子电池阻抗模型的电池模型。

如图1所示，一种锂离子电池阻抗模型，包括依次串联的电感L、阻抗Rb、和二阶RC电路，且每一阶PC电路均为并联电路。

进一步地，所述二阶RC电路包括阻抗R1、阻抗R2、常相位角元件CPE1和常相位角元件CPE2，所述阻抗R1与所述阻抗R2串联，所述常相位角元件CPE1与所述阻抗R1并联，所述常相位角元件CPE2与所述阻抗R2并联。

一般来说，锂离子电池电极的表面是多孔结构，具体地，所述电感L为多孔电极感抗。

图2为常规的锂离子电池阻抗模型，包括阻抗Rb、和二阶RC电路，所述二阶RC电路包括阻抗R1、阻抗R2、电容C1和电容C2，所述阻抗R1与所述阻抗R2串联，所述电容C1与所述阻抗R1并联，所述电容C 2与所述阻抗R2并联。

相较于常规的锂离子电池阻抗模型，本申请实施例在阻抗Rb远离所述二阶RC电路的一端连接一个多孔电极感抗，同时，使用常相位角元件CPE取代电容C，其中电容C的阻抗公式为：

式中，Z

常相位角元件CPE的阻抗公式为：

式中，Z

在实际的锂离子电池电化学体系中，锂离子电池内部的SEI(solid electrolyteinterphase固体电解质界面)层电容、界面双层电容均由于电极表面粗糙度、漏电电容及电流不均匀分布等弥散效应的存在，往往都是非理想纯电容，而电化学领域的常相位角元件CPE能够作为一种专为拟合设定的非理想电容，更真实的模拟锂离子电池中的非理想纯电容。

经过验证，本申请实施例提供的一种锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为0.952％，常规的锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为16.8％，能够明显直观地看到本申请实施例提供的锂离子电池阻抗模型的精度大大提升，那么在模拟具有该锂离子电池阻抗模型的电池模型时，也更为真实，能够为后期的模拟实验提供有力地实验参数。

如图3所示，本申请实施例还提供了一种锂离子电池阻抗模型的参数辨识方法，包括：

步骤S1：预先提供一个具有锂离子电池阻抗的待测电池，并根据该待测电池创建一个具有锂离子电池阻抗模型的电池电路；

步骤S2：确定所述待测电池的电池容量；

步骤S3：调整所述待测电池至指定的状态，并采用不同频率的正弦波电压信号对所述待测电池进行激励，得到所述待测电池在该状态下的阻抗谱EIS；

步骤S4：使用阻抗谱EIS分析软件调取所述电池电路，向所述电池电路的锂离子电池阻抗模型中的各个阻抗元件赋值，并得到赋值后的电池电路的阻抗谱EIS和各个阻抗元件的参数；

步骤S5：比较得到赋值后的电池电路的阻抗谱EIS与所述待测电池的阻抗谱EIS；

步骤S6：根据比较结果，更新所述各个阻抗元件的赋值，直至所述电池电路的阻抗谱EIS与所述待测电池的阻抗谱EIS满足拟合条件，输出最后得到的各个阻抗元件的参数；

步骤S7：将输出的各个阻抗元件的参数作为所述锂离子电池阻抗模型在指定的状态下的参数。

在本申请实施例中，实际获取待测电池在指定状态下的一个阻抗谱EIS，并根据不断更新电池电路中的锂离子电池阻抗模型中各个阻抗元件的赋值来拟合一个模拟的阻抗谱EIS，直至模拟得到的阻抗谱EIS与实测的阻抗谱EIS最为接近，并输出最为接近的模拟得到的阻抗谱EIS对应的各个阻抗元件的参数。

其中，确定所述待测电池的电池容量的具体方式为：

在25℃±2℃环境温度下，以1C电流对待测电池以恒流恒压方式充满电后，再静置30min以上，在相同的环境温度与特定放电电流(电流值按照电池类型参照企标或国标)条件下，对待测电池进行恒流放电，在放电完毕后，待测电池再搁置30min以上，按照相同的方式充放电5次，并将5次测量的电池容量的平均值为待测电池的容量值。

进一步地，所述状态的因变量包括SOC状态，调整所述待测电池至指定状态的具体步骤包括：

调整所述待测电池的SOC状态到指定的SOC状态。

在本申请实施例中，调整所述待测电池的SOC状态到指定的SOC状态的具体步骤为：

在25℃±2℃环境温度下，以1C电流对待测电池进行放电，放电时间(1-n)×1h，n为每次测试的SOC值。

其中，待测电池需要测量的SOC状态对应的SOC值包括但不限于：10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

在所述步骤S3中，使用电化学工作站，对待测电池施加频率为ω1小振幅的正弦波电压信号(电压幅值1mv～10mv)，会产生一个频率为ω2的正弦波电流信号，同时，还需要控制产生的正弦波电流信号幅值在2A以下，而正弦波电压信号与响应的正弦波电流信号的比值即为频率为ω1下的阻抗值Z

式中，E(ω1)为随频率ω1变化的电压值，I(ω2)＝随频率ω2变化的电流值，ω1＝2πf，f为正弦交流电频率。

在1m～10K Hz的频率范围内，改变对待测电池施加的正弦交流电频率f，以10KHz作为起始频率，1mHz作为末端频率，有序间隔逐点改变施加的正弦交流电频率f，在测量相应产生的正弦波电流后，根据上述的得到阻抗值Z

进一步地，所述状态的因变量包括SOC状态和环境温度，具体包括步骤：

将所述待测电池的SOC状态调整至一个指定的SOC状态，并测量该指定的SOC状态下的不同的环境温度下对应的参数。

在本实施例中，保持所述待测电池的SOC状态不变，改变所述待测电池的环境温度，该环境温度包括但不限于：-20℃、-10℃、0℃、10℃、25℃、40℃。当某一个SOC状态下的所有环境温度下的各个阻抗元件的参数测得后，再将SOC状态调整至下一个SOC状态，再继续测各个环境温度下的各个阻抗元件的参数。

更进一步地，所述状态的因变量还包括循环次数，具体包括：

将所述待测电池的循环次数调整至一个指定的循环次数，并测量该指定的循环次数下的不同的SOC状态、不同的环境温度下对应的参数。

在本申请实施例中，为了缩短试验的时间，选取多个相同的待测电池，多个待测电池的循环次数N不同，包括有新鲜待测电池(循环次数＝0)、循环次数N＝500的待测电池、循环次数N＝1000的待测电池、循环次数N＝1500的待测电池、循环次数N＝2000的待测电池，按照上述的测得不同的SOC状态和不同的环境温度的步骤，辨识出待测电池在不同的循环寿命阶段，锂离子电池阻抗模型中的各个元件参数。

优选地，还包括：

根据输出的所有参数，创建三维数据表，三个维度为SOC状态、环境温度、循环次数；

基于所述三维数据表，采用插值法确定其他的SOC状态、环境温度、循环次数下的参数。

在本实施例中，根据SOC状态、环境温度、循环次数三个维度，结合测得的所有参数，构建一个三维数据表。比如，在同一环境温度、同一循环次数下，两个SOC状态之间的某一个SOC状态的锂离子电池阻抗模型的各个阻抗元件的参数，在查表后，采用插值法求解得到高SOC状态下的锂离子电池阻抗模型的各个阻抗元件的参数。

进一步地，在调整所述待测电池至指定的状态之后，采用不同频率的正弦波电压信号对所述待测电池进行激励之前，还包括步骤：

在指定的环境温度下静置所述待测电池，若环境温度在25℃以上，静置时间在6h以上，若环境温度小于25℃，静置时间在24h以上。

优选地，初次赋值的数量级与所述锂离子电池阻抗中各个阻抗元件的数量级相同。在本实施例中，使用电化学阻抗谱EIS分析软件调取电池电路，对该电池电路中的锂离子电池阻抗模型中的各个阻抗元件分别赋初值，比如阻抗Rb一般为mΩ级别，那么赋予阻抗Rb的初值取100mΩ，能够快速迭代至目标值附近，若初值的数量级相差很大，则可能导致误差较大。

下面结合一具体的实施例对本申请进行阐述。

以某混动重卡用25AH锰酸锂电池为例，在25℃±2℃环境温度中，将待测的25AH锰酸锂电池的SOC状态调整至SOC＝50％，并在25℃±2℃环境温度中静置6h以上；再用电化学工作站，用电压幅值为2mV(该电压下，25AH锰酸锂电池的电流幅值不超过1A)的正弦波电压信号对25AH锰酸锂电池进行激励，频率范围10K～2mHz，最后能够得到25AH锰酸锂电池的在这个频段的交流阻抗谱，再将交流阻抗谱进行奈奎斯特频率Nyquist处理，得到阻抗实部-虚部曲线，并对于虚部为正值的数据点，仅保留靠近0附近的1到2个点，其余删除，对于虚部为负值的数据点，则全部保留，如图4所示，图4为25℃/SOC＝50％的25AH锰酸锂电池进行奈奎斯特频率Nyquist处理后的阻抗谱EIS。

提供两种锂离子电池阻抗模型，如图1和2所示，打开电化学阻抗谱EIS分析软件，分别调取常规的锂离子电池阻抗模型(图2)和改进后的锂离子电池阻抗模型(图1)，对两种锂离子电池阻抗模型的后续处理步骤相同。

以改进后的锂离子电池阻抗模型为例，该锂离子电池阻抗模型包括电感L、阻抗Rb、阻抗R1、阻抗R2、常相位角元件CPE1和常相位角元件CPE2，对各个阻抗元件分别赋初值，电化学阻抗谱EIS分析软件自动调整各个阻抗元件的参数和得到锂离子电池阻抗模型的阻抗谱EIS，比较得到的阻抗谱EIS和25AH锰酸锂电池的交流阻抗谱，若两个阻抗谱差异较大，则反复修改各个阻抗元件的赋值，直至得到锂离子电池阻抗模型的阻抗谱EIS和25AH锰酸锂电池的交流阻抗谱拟合相当，如图5所示，该锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为0.952％，再输出拟合相当的锂离子电池阻抗模型的阻抗谱EIS的各个阻抗元件的参数，如图6所示。

若锂离子电池阻抗模型为常规的，则最后得到锂离子电池阻抗模型的阻抗谱EIS和25AH锰酸锂电池的交流阻抗谱拟合情况如图7所示，常规的锂离子电池阻抗模型与实测阻抗谱的整体误差率为16.8％，输出锂离子电池阻抗模型的阻抗谱EIS的各个阻抗元件的参数，如图8所示。

比较图5和图7，能够直观看到本申请实施例提供的锂离子电池阻抗模型的拟合程度更高，更为真实地模拟待测电池。

在环境温度25℃下，调整25AH锰酸锂电池的SOC状态至：0、10％、20％、30％、40％、60％、70％、80％、90％、100％，辨识各个SOC状态下的各个阻抗元件的参数值如表1所示，其中CPE1的右侧一列为n，表示电容C因弥散效应偏转的物理量。

表1 25℃时不同SOC状态下的各个阻抗元件参数值

若需要SOC＝15％的参数值，则选取SOC＝10％和SOC＝20％的参数值，采用插值法计算得到即可。

需要解释的是，说明书附图6中的731m为0.0731，551m为0.551，“m”表示10

同时，由于激励的正弦交流电不改变25AH锰酸锂电池的SOC状态，在实际操作中，为提高测试的效率，调整SOC状态到一个指定的SOC值后，再改变环境温度，即可得到不同温度下的锂离子电池阻抗模型的阻抗元件的参数值。再将25AH锰酸锂电池循环至指定的循环次数，重复得到不同SOC状态、不同环境温度下的阻抗元件的参数值，最后能够得到不同的循环次数、不同的SOC状态、不同的环境温度下的阻抗元件的参数值。其中，所述循环次数也可以为行驶里程或使用时间。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。