基于BMS的锂离子电池建模方法综述
发布时间：2021-10-06 18:35
电池管理系统（battery management system, BMS）是电动车辆的技术核心,而精确的电池模型是实现BMS的关键。电池模型的精度与材料、环境温度、工作模式、老化程度等密切相关,而在建模时完整地包含上述因素是非常困难的。本文在简单介绍BMS功能和结构的基础上,通过对近几年锂离子电池建模文献的整理,着重介绍了电学特性模型、热模型及电-热耦合模型的建模方法。由于电-热模型综合了其他两种方法的优点,模型相对简单且在实际中使用较多。在此基础上阐述了三种模型在电池内部状态如电池荷电状态（state of charge,SOC）、电池健康状态（state of health, SOH）、温度等参数估计中的应用。特别是SOH的状态估计,除受电流、温度、SOC等因素影响外,还与机械振动及过电势等密切相关。考虑到状态估计变量之间的相互耦合如电池的SOC、内部温度等,故需进一步提高耦合参数的估计精度以确保BMS工作的可靠性。在未来,还需要继续对模型进行降阶,以实现BMS工作的实时性。
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电池管理系统功能及结构Fig.1Diagramoffunctionandstructureofbatterymanagementsystem
吩げ狻９?内外有大量电化学模型用于研究相关反应机理及锂电池的优化设计[7-9]，但此类模型参数较多且计算量大，难以应用在电池管理系统中。适当简化的降阶电化学模型在电池管理中得到了广泛的研究。Zou等[10]建立了磷酸铁锂电池的降阶电化学模型，用于预测不同条件下锂电池的荷电状态。Li等[11]提出一种考虑液相扩散、反应极化和欧姆极化的简化电化学模型，并实现了锂电池SOC的准确估计。等效电路模型使用电压源、电阻及电容等组成电路，用来模拟锂电池的动态特性。典型的等效电路模型框架如图2所示。相对于电化学模型，等效电路模型结构简单且参数较少，方便用于系统的实时控制。常见的等效电路模型包括Rint模型、一阶电阻电容(RC)模型和二阶RC模型等[12]。研究表明，一阶RC及二阶RC模型应用较广泛，而更高阶的模型的适用性有所降低[13-14]。考虑到电池内部离子扩散为非线性过程，分数阶等效电路模型也被用于描述锂电池的特性。邹渊等[15]建立了分数阶阻抗模型，并使用粒子群优化算法识别了模型参数；鲁伟等[16]以18650型锂电池为对象，建立了分数阶阻抗模型，并使用分数阶卡尔曼滤波器实现了锂电池荷电状态的估算。锂电池是一个非线性、时变的动态系统。基于数据驱动的模型使用神经网络、支持向量机及高斯过程回归等方法，通过大量数据建立起锂电池输入信号与响应的关系。张彩萍等[17]建立了基于神经网络的电路模型，对电池的电学特性进行获龋孙培坤[18]建立了基于高斯过程回归的数据驱动模型，对锂电池的健康状态进行了准确预测。Wang等[19]利用支持向量回归算法建立非线性电池模型，该模型在FUDS测试数据中的最大相对电压误差为3
问?饶Ｐ捅挥糜诟咝Ъ扑愫腿?管理控制。Hu等[31]基于计算流体力学提出一种降阶状态空间模型，在保证计算量较小的同时能提供与CFD模型相近的结果。Richardson等[32]提出了一种考虑瞬态生热、各向异性热传导及非均匀对流边界条件的低阶二维热模型，通过与有限元计算结果的比较，验证了模型的计算效率及精度。2.3电-热耦合模型锂电池的电学效应与热特性通过发热量形成强耦合。电池温度直接影响电学特性模型的重要参数(如内阻、电压等)，而这些参数同时也影响电池的发热量，其电热耦合关系如图3所示。为同时精确获得电池的电效应(例如电流、电压和SOC)和热特性(例如温度分布)，学者们建立了一系列电热耦合模型。常见的电热耦合模型可分为电化学-热耦合模型及电-热耦合模型。电化学热耦合模型考虑了电芯内部的电极反应、离子传输、固相扩散、电荷传递以及热能守恒，能够精确反映电池内部电化学反应过程。Xu等[33]建立了三维电化学-热耦合模型，对不同放电倍率下电池的温度分布进行仿真，发现极耳的分布会影响电池的电压和局部反应速率，且靠近极耳处电池温度较高。Alipour等[34]建立了一种多层三维电热耦合模型用于电池温度分布预测，仿真结果表明相对于单层模型，多层模型能更准确地描述锂电池的热行为。尽管这类模型精度较高，但模型由多个偏微分方程组成，因其较大的计算量并不适用于当前电池管理系统的实时控制。电-热耦合模型从宏观角度考虑电流、输出电压及电池生热的相互作用，将等效电路模型与热模型耦合。此类模型复杂程度相对较低，在工程实践方面有较多的应用。Lin等[35]针对圆柱形锂电池建图3电热耦合关系Fig.3Diagramofelectrothermalcoupl
【参考文献】：
期刊论文
[1]电池管理系统的设计与实现[J]. 吕杰,宋文吉,冯自平. 电池. 2019(06)
[2]车用锂离子动力电池组均衡管理系统研究进展[J]. 华旸,周思达,何瑢,崔海港,杨世春. 机械工程学报. 2019(20)
[3]中国新能源汽车行业发展水平分析及展望[J]. 唐葆君,王翔宇,王彬,吴郧,邹颖,许黄琛,马也. 北京理工大学学报(社会科学版). 2019(02)
[4]锂离子电池热管理和安全性研究[J]. 董缇,彭鹏,曹文炅,王亦伟,岑继文,郭剑,赵春荣,蒋方明. 新能源进展. 2019(01)
[5]锂电池分数阶建模与荷电状态研究[J]. 鲁伟,续丹,杨晴霞,周阳. 西安交通大学学报. 2017(07)
[6]电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现[J]. 李军求,吴朴恩,张承宁. 汽车工程. 2016(01)
[7]电动汽车用锂离子电池热特性和热模型研究[J]. 雷治国,张承宁,雷学国,李军求. 电工电能新技术. 2015(12)
[8]基于寿命量化的混合储能系统协调控制参数优化[J]. 李逢兵,谢开贵,张雪松,赵波,陈健. 电力系统自动化. 2014(01)
[9]锂离子电池单体热模型研究动态[J]. 宋丽,魏学哲,戴海峰,孙泽昌. 汽车工程. 2013(03)
[10]锂离子电池内部温度场的传递函数在线估计[J]. 刘光明,欧阳明高,卢兰光,李建秋,梁金华,韩雪冰. 汽车安全与节能学报. 2013(01)
硕士论文
[1]电动汽车动力电池健康状态估计方法研究[D]. 孙培坤.北京理工大学 2016
本文编号：3420542
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
电池管理系统功能及结构Fig.1Diagramoffunctionandstructureofbatterymanagementsystem
吩げ狻９?内外有大量电化学模型用于研究相关反应机理及锂电池的优化设计[7-9]，但此类模型参数较多且计算量大，难以应用在电池管理系统中。适当简化的降阶电化学模型在电池管理中得到了广泛的研究。Zou等[10]建立了磷酸铁锂电池的降阶电化学模型，用于预测不同条件下锂电池的荷电状态。Li等[11]提出一种考虑液相扩散、反应极化和欧姆极化的简化电化学模型，并实现了锂电池SOC的准确估计。等效电路模型使用电压源、电阻及电容等组成电路，用来模拟锂电池的动态特性。典型的等效电路模型框架如图2所示。相对于电化学模型，等效电路模型结构简单且参数较少，方便用于系统的实时控制。常见的等效电路模型包括Rint模型、一阶电阻电容(RC)模型和二阶RC模型等[12]。研究表明，一阶RC及二阶RC模型应用较广泛，而更高阶的模型的适用性有所降低[13-14]。考虑到电池内部离子扩散为非线性过程，分数阶等效电路模型也被用于描述锂电池的特性。邹渊等[15]建立了分数阶阻抗模型，并使用粒子群优化算法识别了模型参数；鲁伟等[16]以18650型锂电池为对象，建立了分数阶阻抗模型，并使用分数阶卡尔曼滤波器实现了锂电池荷电状态的估算。锂电池是一个非线性、时变的动态系统。基于数据驱动的模型使用神经网络、支持向量机及高斯过程回归等方法，通过大量数据建立起锂电池输入信号与响应的关系。张彩萍等[17]建立了基于神经网络的电路模型，对电池的电学特性进行获龋孙培坤[18]建立了基于高斯过程回归的数据驱动模型，对锂电池的健康状态进行了准确预测。Wang等[19]利用支持向量回归算法建立非线性电池模型，该模型在FUDS测试数据中的最大相对电压误差为3
问?饶Ｐ捅挥糜诟咝Ъ扑愫腿?管理控制。Hu等[31]基于计算流体力学提出一种降阶状态空间模型，在保证计算量较小的同时能提供与CFD模型相近的结果。Richardson等[32]提出了一种考虑瞬态生热、各向异性热传导及非均匀对流边界条件的低阶二维热模型，通过与有限元计算结果的比较，验证了模型的计算效率及精度。2.3电-热耦合模型锂电池的电学效应与热特性通过发热量形成强耦合。电池温度直接影响电学特性模型的重要参数(如内阻、电压等)，而这些参数同时也影响电池的发热量，其电热耦合关系如图3所示。为同时精确获得电池的电效应(例如电流、电压和SOC)和热特性(例如温度分布)，学者们建立了一系列电热耦合模型。常见的电热耦合模型可分为电化学-热耦合模型及电-热耦合模型。电化学热耦合模型考虑了电芯内部的电极反应、离子传输、固相扩散、电荷传递以及热能守恒，能够精确反映电池内部电化学反应过程。Xu等[33]建立了三维电化学-热耦合模型，对不同放电倍率下电池的温度分布进行仿真，发现极耳的分布会影响电池的电压和局部反应速率，且靠近极耳处电池温度较高。Alipour等[34]建立了一种多层三维电热耦合模型用于电池温度分布预测，仿真结果表明相对于单层模型，多层模型能更准确地描述锂电池的热行为。尽管这类模型精度较高，但模型由多个偏微分方程组成，因其较大的计算量并不适用于当前电池管理系统的实时控制。电-热耦合模型从宏观角度考虑电流、输出电压及电池生热的相互作用，将等效电路模型与热模型耦合。此类模型复杂程度相对较低，在工程实践方面有较多的应用。Lin等[35]针对圆柱形锂电池建图3电热耦合关系Fig.3Diagramofelectrothermalcoupl
【参考文献】：
期刊论文
[1]电池管理系统的设计与实现[J]. 吕杰,宋文吉,冯自平. 电池. 2019(06)
[2]车用锂离子动力电池组均衡管理系统研究进展[J]. 华旸,周思达,何瑢,崔海港,杨世春. 机械工程学报. 2019(20)
[3]中国新能源汽车行业发展水平分析及展望[J]. 唐葆君,王翔宇,王彬,吴郧,邹颖,许黄琛,马也. 北京理工大学学报(社会科学版). 2019(02)
[4]锂离子电池热管理和安全性研究[J]. 董缇,彭鹏,曹文炅,王亦伟,岑继文,郭剑,赵春荣,蒋方明. 新能源进展. 2019(01)
[5]锂电池分数阶建模与荷电状态研究[J]. 鲁伟,续丹,杨晴霞,周阳. 西安交通大学学报. 2017(07)
[6]电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现[J]. 李军求,吴朴恩,张承宁. 汽车工程. 2016(01)
[7]电动汽车用锂离子电池热特性和热模型研究[J]. 雷治国,张承宁,雷学国,李军求. 电工电能新技术. 2015(12)
[8]基于寿命量化的混合储能系统协调控制参数优化[J]. 李逢兵,谢开贵,张雪松,赵波,陈健. 电力系统自动化. 2014(01)
[9]锂离子电池单体热模型研究动态[J]. 宋丽,魏学哲,戴海峰,孙泽昌. 汽车工程. 2013(03)
[10]锂离子电池内部温度场的传递函数在线估计[J]. 刘光明,欧阳明高,卢兰光,李建秋,梁金华,韩雪冰. 汽车安全与节能学报. 2013(01)
硕士论文
[1]电动汽车动力电池健康状态估计方法研究[D]. 孙培坤.北京理工大学 2016
本文编号：3420542
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