一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，特别是涉及一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法。

背景技术

在实际运行过程中，由于电池本身的特性、运行工况和运行条件的不同等原因，都会在不同程度上影响钛酸锂电池的运行性能，同时也会造成钛酸锂离子电池不同程度的性能衰退并反映为电池不同程度的老化。这不仅影响机车整体的行驶速度及续航里程，同时也影响着驾驶员对车辆运行的行驶决策。

锂离子电池的荷电状态(State of Charge，SOC)和健康状态(State of Health，SOH)是锂离子电池的两个重要性能指标，SOC反应了当前锂离子电池的剩余可用容量，表示为电池当前的可用能力，而SOH反映的则是锂离子电池在不断使用过程中，其内部活性物质的不断损耗、电池内部结构的不断变化所导致的电池性能的衰退。因此锂离子电池SOC和SOH的准确估计，对合理安排电池的使用、检修、更换及车辆的安全行驶尤为重要。

但是目前大多数的SOC及SOH估计方法都是以电池的外特性作为估计基础，而电池的状态变化的是电池内部的复杂特性的外部体现，目前锂离子电池的状态估计方法大多并未考虑电池的内部变化过程以及机车工况，而电池的状态与电池所处工况和电池的内部变化息息相关，无法准确估计机车用钛酸锂电池状态。

有轨电车上使用的钛酸锂电池通常面临着高倍率充放电以及充放电倍率不断改变的情况，造成电池温度改变量较大、电池内部物理化学反应过程的速率不断发生改变、电池内部结构发生改变等情况。但目前针对钛酸锂动力电池的研究工况相对单一，相对与传统锂离子电池，其针对特定运行工况下电池性能衰退过程的探究相对较少。钛酸锂电池由于其负极材料的不同，其性能衰退特征与其他类型锂离子电池相比也有所区别，由于钛酸锂电池的循环寿命较长，目前采用非拆解技术针对其性能衰退过程中内部变化的研究相对缺乏。目前针对钛酸锂电池SOC及SOH估计的研究仍然不多，且大多限于数据驱动和等效电路模型的方法并没有和电池的内部物理化学过程相结合过程，无法准确估计机车用钛酸锂电池状态。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法，旨在弥补目前对钛酸锂动力电池的研究工况相对单一、使用非拆解技术对其性能衰退过程中内部变化的研究相对缺乏、状态评估主要局限于数据驱动与等效电路建模，未与电池内部物理化学过程有机融合等的不足，从而实现机车用钛酸锂电池状态的准确估计。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法，包括步骤：

S10，根据测得的电池全频域电化学阻抗谱曲线，建立钛酸锂电池等效电路模型；对酸锂电池等效电路模型进行改进，将低频扩散区域阻抗等效为电阻和常相角元件并联的复合元件；

S20，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

S30，建立基于R

S40，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

S50，建立基于R

1.根据权利要求1所述的一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法，其特征在于，改进后的钛酸锂电池的等效电路模型由一个电阻串联两个电阻和常相角元件并联形成的复合元件的等效电路，改进后的钛酸锂电池等效电路模型为：

其中，R

进一步的是，利用改进后的钛酸锂电池等效电路模型，结合粒子群优化算法得到不同荷电状态下的电池参数，包括：不同SOC和不同衰退程度下通过参数辨识得到的电池欧姆内阻R

进一步的是，利用荷电转移电阻R

SOC与荷电转移内阻间的计算模型为：

其中，α

进一步的是，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

进一步的是，选取SOC为10％时的R

进一步的是，建立基于R

采用本技术方案的有益效果：

本发明根据钛酸锂电池的EIS曲线建立了等效阻抗模型，并采用粒子群优化算法对等效阻抗模型进行参数辨识。同时将低频扩散区域阻抗等效为电阻和常相角元件并联的复合元件对模型进行了改进，模型精度得到较大提高，从而能更精准的用于钛酸锂电池状态估计，保证其安全、稳定、可靠的长期运行；

本发明针对了机车工况下的钛酸锂电池进行分析，这是现有技术并未深入进行研究及探讨的内容，针对钛酸锂电池SOC及SOH估计的研究仍然不多，且大多限于数据驱动和等效电路模型的方法并没有和电池的内部物理化学过程相结合过程，而本发明则弥补了上述问题。

本发明准确估计钛酸锂电池的运行状态，保证钛酸锂电池在使用过程中安全、稳定、高效的运行并避免电池的电滥用和热滥用，将反应电池内部状态变化的参数与电池的运行状态估计相结合，对电池的优化使用具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法流程示意图；

图2为本发明实施例中钛酸锂电池改进等效电路模型的结构示意图；

图3a为本发明实施例中不同SOC下R

图3b为本发明实施例中不同衰退程度下R

图3c为本发明实施例中不同SOC下R

图3d为本发明实施例中不同衰退程度下R

图3e为本发明实施例中不同SOC下R

图3f为本发明实施例中不同衰退程度下R

图4a为本发明实施例中20％SOC下不同衰退程度R

图4b为本发明实施例中40％SOC下不同衰退程度R

图4c为本发明实施例中60％SOC下不同衰退程度R

图4d为本发明实施例中80％SOC下不同衰退程度R

图5a为本发明实施例中20％SOC下不同衰退程度R

图5b为本发明实施例中40％SOC下不同衰退程度R

图5c为本发明实施例中60％SOC下不同衰退程度R

图5d为本发明实施例中80％SOC下不同衰退程度R

图6为本发明实施例中R0和R1二阶指数函数拟合均方根误差曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于等效阻抗模型的机车用钛酸锂电池状态估计方法，包括步骤：

S10，根据测得的电池全频域电化学阻抗谱曲线，建立钛酸锂电池等效电路模型；对酸锂电池等效电路模型进行改进，将低频扩散区域阻抗等效为电阻和常相角元件并联的复合元件；

S20，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

S30，建立基于R

S40，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

S50，建立基于R

作为上述实施例的优化方案，如图2所示，改进后的钛酸锂电池的等效电路模型由一个电阻串联两个电阻和常相角元件并联形成的复合元件的等效电路，改进后的钛酸锂电池等效电路模型为：

其中，R

作为上述实施例的优化方案，利用改进后的钛酸锂电池等效电路模型，结合粒子群优化算法得到不同荷电状态下的电池参数，包括：不同SOC和不同衰退程度下通过参数辨识得到的电池欧姆内阻R

图3a-图3f中不同SOC下的R

欧姆内阻R

作为上述实施例的优化方案，利用荷电转移电阻R

SOC与荷电转移内阻间的计算模型为：

其中，α

具体建立过程可采用：

电极界面的反应是法拉第电流和电极电位间的关系，即可通过巴特勒福尔摩方程表示，电极通过电流I为：

式中，a

其中j

式中，k

其中，

其中，

则SOC为：

则荷电转移电阻为:

令a＝β＝0.5：

过电势：

荷电转移电阻：

将j

为了更好的模拟SOC对R

将R

作为上述实施例的优化方案，对改进后的钛酸锂电池等效电路模型进行参数识别，获得等效阻抗模型参数欧姆内阻R

由于在不同性能衰退状态下及不同SOC下，钛酸锂电池的荷电转移电阻R

欧姆内阻R

采用函数拟合的方式分别将钛酸锂电池欧姆内阻R

优选的，选取SOC为10％时的R

作为上述实施例的优化方案，建立基于R

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。