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浅谈混合脉冲功率特性测试在电池模型中的应用
2020-11-21 13:03:29· 来源：AutoAero 作者：刘秀光
电池的电量估计和电池的均衡以及电池的充放电性能指标都是电池应用于各领域的重要研究课题，这些内容的精确计算离不开电池模型。目前常用的电池模型有：神经网络
电池的电量估计和电池的均衡以及电池的充放电性能指标都是电池应用于各领域的重要研究课题，这些内容的精确计算离不开电池模型。目前常用的电池模型有：神经网络模型、热模型、电化学模型、等效电路模型等，其中应用最广泛的是等效电路模型。等效电路模型就是使用电压源、电容、电感、电阻等简单元件的串并联构成的网络来等效实际电池的外特性，如Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、Universal模型、RC模型等。
HPPC识别二阶RC等效电路模型参数
1、二阶RC模型电路图
图中：R0为等效欧姆内阻；R1、C1分别为电化学极化电阻和电容；R2和C2分别为浓度差极化等效电阻和电容；Uoc为开路电压
2、状态方程及输出方程的建立
以两个极化电容两端的电压为状态变量，以负载电流IL为输入变量，端电压UL为输出变量建立状态方程和输出方程如下：
式中：τ1=Ｒ1C1，τ2=Ｒ2C2
3、HPPC测试简介
混合脉冲功率特性测试是2003年发表的《FreedomCar功率辅助型混合电动车电池测试手册》中的一项内容，它被用于体现动力电池脉冲充放电性能。它的基本思想是使用一个周期性的脉冲对电池进行放电、充电、静置，这就相当于在UL端接上一个可变的负载，它可以实现恒流充放电的工况同时还可以记录端电压UL随时间的变化曲线。电路的基础知识告诉我们，只有当电路中的电流发生变化时，我们才能通过端电压曲线判断电容或电感的存在，如果使用一个恒定的电流激励的话，电路达到稳态的时候是不能判断电路是否含有电容的。
4、模型参数辨识
HPPC实验输入电流和端电压响应示意图
观察端电压随时间的变化曲线不难发现，两个时间间隔内均包含阶跃段（如t1电压的阶跃）和平滑的过渡段（t1-t2时间电压的光滑过渡），联系电阻和电容的特性可以得出：阶跃段是欧姆内阻R0造成的，当电流从0变为100A时，欧姆内阻两端电压发生突变，导致外电压有一个呈现阶跃的压降，于是R0=deltaU/I (deltaU=U1-U1’，I=100A)；电压平滑过渡段是两个RC环节造成的。电容两端电压通常来说是不能发生突变的，根据电容存储能量公式W=1/2CU2，电压的突变会造成能量的突变，而能量的突变意味着功率在瞬间达到无穷大，这在实际过程中不可能发生。因此，当我们在电路中输入一个恒定的电流时，电容会有一个缓慢充电的过程，过程中电容两端电压呈现指数增长，这会造成端电压UL的指数下降，也就是t1-t2时间内端电压的下降。我们也可以在其他的时间段内得出类似的结论。
极化电压U1、U2由下式计算得出：
其中U1(0)和U2(0)分别表示两个电容的初始储能电压，初始时为零。可以得到电池内部总共的极化电压Up计算表达式如下：
将上式代入到输出方程我们就得到了UL随时间变化的关系式，结合HPPC测试得出的曲线，通过曲线拟合的方法，可以求出模型参数R1、C1、R2、C2。
5、某磷酸铁锂电池的参数辨识结果如下
6、22℃下模型电压响应与相同工况下的实验数据对比
其中，混合动力脉冲测试是模型仿真数据和原始数据的对比，DST和FUDS测试是用来测试模型的鲁棒性，可以看出该模型电压曲线与实验数据较为吻合。
HPPC识别二阶RC等效电路模型参数
1、二阶RC模型电路图
图中：R0为等效欧姆内阻；R1、C1分别为电化学极化电阻和电容；R2和C2分别为浓度差极化等效电阻和电容；Uoc为开路电压
2、状态方程及输出方程的建立
以两个极化电容两端的电压为状态变量，以负载电流IL为输入变量，端电压UL为输出变量建立状态方程和输出方程如下：
式中：τ1=Ｒ1C1，τ2=Ｒ2C2
3、HPPC测试简介
混合脉冲功率特性测试是2003年发表的《FreedomCar功率辅助型混合电动车电池测试手册》中的一项内容，它被用于体现动力电池脉冲充放电性能。它的基本思想是使用一个周期性的脉冲对电池进行放电、充电、静置，这就相当于在UL端接上一个可变的负载，它可以实现恒流充放电的工况同时还可以记录端电压UL随时间的变化曲线。电路的基础知识告诉我们，只有当电路中的电流发生变化时，我们才能通过端电压曲线判断电容或电感的存在，如果使用一个恒定的电流激励的话，电路达到稳态的时候是不能判断电路是否含有电容的。
4、模型参数辨识
HPPC实验输入电流和端电压响应示意图
观察端电压随时间的变化曲线不难发现，两个时间间隔内均包含阶跃段（如t1电压的阶跃）和平滑的过渡段（t1-t2时间电压的光滑过渡），联系电阻和电容的特性可以得出：阶跃段是欧姆内阻R0造成的，当电流从0变为100A时，欧姆内阻两端电压发生突变，导致外电压有一个呈现阶跃的压降，于是R0=deltaU/I (deltaU=U1-U1’，I=100A)；电压平滑过渡段是两个RC环节造成的。电容两端电压通常来说是不能发生突变的，根据电容存储能量公式W=1/2CU2，电压的突变会造成能量的突变，而能量的突变意味着功率在瞬间达到无穷大，这在实际过程中不可能发生。因此，当我们在电路中输入一个恒定的电流时，电容会有一个缓慢充电的过程，过程中电容两端电压呈现指数增长，这会造成端电压UL的指数下降，也就是t1-t2时间内端电压的下降。我们也可以在其他的时间段内得出类似的结论。
极化电压U1、U2由下式计算得出：
其中U1(0)和U2(0)分别表示两个电容的初始储能电压，初始时为零。可以得到电池内部总共的极化电压Up计算表达式如下：
将上式代入到输出方程我们就得到了UL随时间变化的关系式，结合HPPC测试得出的曲线，通过曲线拟合的方法，可以求出模型参数R1、C1、R2、C2。
5、某磷酸铁锂电池的参数辨识结果如下
6、22℃下模型电压响应与相同工况下的实验数据对比
其中，混合动力脉冲测试是模型仿真数据和原始数据的对比，DST和FUDS测试是用来测试模型的鲁棒性，可以看出该模型电压曲线与实验数据较为吻合。
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