一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，包括以下步骤：首先，对铝空气电池进行放电特性实验，获取实验数据；其次，建立铝空气电池等效电路模型，并求得铝空气电池等效电路模型的函数关系式以及状态空间方程；然后，将上述的函数关系式及状态空间方程简化得到系统差分方程，采用带有遗忘因子的递推最小二乘法对系统差分方程进行递推迭代运算，并对铝空气电池等效电路模型进行参数辨识并得到参数值；最后，通过Matlab搭建相应的铝空气电池等效电路仿真模型，并根据仿真结果对建立的铝空气电池等效电路模型进行精度验证。由该方法辨识得到的参数具有高精准度，且参数辨识简单可行。

A Parameter Identification Method for Equivalent Circuit Model of Aluminum Air Battery

【技术实现步骤摘要】
一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法
本专利技术涉及电池建模领域，尤其是涉及一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法。
技术介绍
随着时代的迅速发展，环境问题和能源问题越来越成为当今世界最受关注的问题之一。当今世界，各国普遍面临能源短缺的压力，传统能源对环境污染带来的问题日益加剧。随着国家相关政策的支持，开发新能源电池来代替传统化石燃料成为了目前新能源领域研究的热点。现如今，对新能源电池的研究，人们主要着重于锂离子电池、镍氢电池、铅酸蓄电池以及金属燃料电池等。其中，金属燃料电池是其中发展前景较好的一类电池。金属燃料电池作为新一代新能源电池，因为有着能量密度高、安全可靠、污染小等特点而被广泛关注，尤其是铝空气电池。铝空气电池作为新一代新能源电池，有着功率密度大、比能量高、原材料丰富、寿命长以及成本低等优点，已被示范应用于通信基站备用电源、电动汽车电源以及水下设施的驱动能源领域。目前，市场上已出现技术相对成熟的锂离子电池管理系统，若简单将其移植到铝空气电池上，存在不匹配和测试结果不准确等问题，因此研制一套应用于铝空气电池的能量管理系统是非常必要的。现如今研发出的铝空气电池管理系统存在着检测精度、建模精度以及SOC估算精度不高的问题，目前还未有一套成熟的管理系统对铝空气电池运行状态进行监测。电池等效电路模型可很好模拟电池非线性动态特性，等效电路模型是基于端电压、内阻、电容以及电流之间的关系而提出的电池等效系统。通过对模型的建立，可直接模拟电池外部电压随时间变化曲线。等效电路模型可写成状态空间方程形式，所以利于在线实时估计，因此该建模法在电池管理系统中被广泛应用。根据内部器件组成及电路结构的不同，可细分为Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、MassimoGeralol模型等，Rint模型是所有等效电路模型中最简单的模型，该模型将电池看作理想电压源和电阻的串联组成，该模型未考虑电池放电电流、电池容量以及环境温度等对电池内阻的影响，同时也不能很好的解释电池内部的内极化以及自放电作用，因此，Rint模型适用于对精度没有很高要求的电池仿真分析。Thevenin模型又叫作一阶RC模型，是在Rint模型的基础上增加了一个RC并联回路，可以很好地表现电池的非线性特性，当Thevenin模型在模拟动态特征时会产生较大的误差，同时该模型也未考虑自放电因素，因此该模型不适用于长时间仿真，应用较少。PNGV电池模型是在Thevenin模型的基础上多串联了一个电容，该电容用于表示在电池运行过程中开路电压随着电流的累积而累计的误差，拥有更高的精准度，但在长时间对电容充放电的过程中，电容带来的模型误差也会也来越大，同时该模型相对复杂，尤其在嵌入式系统中，电容的辨识相较于其他参数来说有一定的困难，该模型目前未被广泛使用。MassimoGeraolo模型是在Thevenin模型的基础上改进的，充分考虑了电池模型的非线性，该模型由开路电压E、欧姆内阻R0以及多节RC并联回路组成。MassimoGeraolo模型通过增加RC并联回路的阶数进一步提高了模拟电池动态和静态特性时的精确度，同时也考虑到了电池放电过程中的极化反应、欧姆以及电流积累效应，该模型串联的RC并联回路越多，所得到的模型阶数也就越高，可更高精度地模拟电池的动静态特性，但是，通过增加RC并联回路的数量虽然可以提高电池模型的理论精确度，却同样也会带来电池等效模型在参数辨识时的复杂度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术的不足，提供一种高精准度的铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：对铝空气电池进行放电特性实验，获取实验数据；步骤二：建立铝空气电池等效电路模型，并求得铝空气电池等效电路模型的函数关系式，并离散化后得到铝电池等效电路模型的状态空间方程；步骤三：将铝空气电池等效电路模型的函数关系式及状态空间方程简化得到系统差分方程，采用带有遗忘因子的递推最小二乘法对系统差分方程进行递推迭代运算，并得到带有遗忘因子的递推最小二乘法算法；步骤四：采用带有遗忘因子的递推最小二乘法算法对铝空气电池等效电路模型进行参数辨识并得到参数；步骤五：根据铝空气电池等效电路模型，通过Matlab搭建相应的铝空气电池等效电路仿真模型，由铝空气电池等效电路仿真模型经过仿真计算得到仿真结果，并根据仿真结果对建立的铝空气电池等效电路模型进行精度验证。以上技术方案中，铝空气电池的放电特性实验研究为建立铝空气电池等效电路模型提供了研究基础以及原始实验数据，铝空气电池的放电特性的实验如下：a、在通风环境中，将铝空气电池组放电电流以1A/min的增长速度增加至15A，并实时记录铝空气电池组的放电电压和放电时间；b、在通风环境中，将铝空气电池组放电电流以5A/min的增长速度从15A增加至30A，并实时记录铝空气电池组的放电电压和放电时间；c、在通风环境中，将铝空气电池组以30A的放电电流大小恒流放电至放电结束，并实时记录铝空气电池组的放电电压和放电时间；d、根据a至c，分析铝空气电池组放电电流与时间的关系、铝空气电池组放电电压与时间的关系、以及铝空气电池组的放电特性。以上技术方案中，基于铝空气电池等效电路模型，求得铝空气电池等效电路模型的函数关系式，并离散化后得到铝空气电池等效电路模型的状态空间方程，将铝空气电池等效电路模型的函数关系式及状态空间方程简化得到系统差分方程，采用带有遗忘因子的递推最小二乘法对系统差分方程进行递推运算，并得到带有遗忘因子的递推最小二乘法算法，在Matlab中采用含有遗忘因子的最小二乘法算法对铝空气电池等效电路模型进行参数辨识，在铝空气电池等效电路仿真模型中输入辨识后的参数以及铝空气电池特性实验得到的放电电流，并得到仿真输出电压，通过比对仿真输出电压和铝空气电池特性实验得到的实际端电压来对铝空气电池等效电路模型进行精度验证。在Matlab中对铝空气电池等效电路模型的参数辨识的方法如下：S1、将电池的实验数据导入Matlab，其中实验数据包括由实验得出实际端电压和放电电流；S2、确定初始化参数：θ(0)＝0、P(0)＝105i、数据采集周期为1min，启动参数辨识算法的递推过程，其中，θ(0)为铝空气电池等效电路模型初始状态下的参数估计值，P(0)为铝空气电池等效电路模型初始状态下的协方差矩阵，i为单位矩阵；S3、通过带有遗忘因子的递推公式得到k时刻的系统差分方程参数h0、h1、h2、h3、h4、h5的值，其中系统差分方程由铝空气电池等效电路模型的函数关系式推出；S4、通过换算公式，得到铝空气电池等效电路模型中参数的表达式，换算公式为：c＝h3；d＝h0/(1-h1-h2)；其中，a1、a2、b1、b2、c、d为铝空气电池等效电路模型状态空间方程的系数；铝空气电池等效电路模型中参数的表达式为：R1＝b1/(1-a1)；R2＝b2/(1-a2)；R0＝c；Uoc＝d；C1＝(a1-1)/b1lna1；C2＝(a2-1)/b2lna2；其中，R0为铝空气电池等效电路模型中的欧姆内阻，R1、C1分别为用于模拟电池内部浓差极化的第一RC并联电路中的第一电阻和第一电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：对铝空气电池进行放电特性实验(1)，获取实验数据；步骤二：建立铝空气电池等效电路模型(2)，并求得铝空气电池等效电路模型(2)的函数关系式(3)，并离散化后得到铝电池等效电路模型的状态空间方程(9)；步骤三：将铝空气电池等效电路模型(2)的函数关系式(3)及状态空间方程(9)简化得到系统差分方程(11)，采用带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)对系统差分方程(11)进行递推迭代运算，并得到带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)算法；步骤四：采用带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)算法对铝空气电池等效电路模型(2)进行参数辨识并辨识得到参数(4)；步骤五：根据铝空气电池等效电路模型(2)，通过Matlab搭建相应的铝空气电池等效电路仿真模型(7)，由铝空气电池等效电路仿真模型(7)经过仿真计算得到仿真结果，并根据仿真结果对建立的铝空气电池等效电路模型(2)进行精度验证(8)。

【技术特征摘要】
1.一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：对铝空气电池进行放电特性实验(1)，获取实验数据；步骤二：建立铝空气电池等效电路模型(2)，并求得铝空气电池等效电路模型(2)的函数关系式(3)，并离散化后得到铝电池等效电路模型的状态空间方程(9)；步骤三：将铝空气电池等效电路模型(2)的函数关系式(3)及状态空间方程(9)简化得到系统差分方程(11)，采用带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)对系统差分方程(11)进行递推迭代运算，并得到带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)算法；步骤四：采用带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)算法对铝空气电池等效电路模型(2)进行参数辨识并辨识得到参数(4)；步骤五：根据铝空气电池等效电路模型(2)，通过Matlab搭建相应的铝空气电池等效电路仿真模型(7)，由铝空气电池等效电路仿真模型(7)经过仿真计算得到仿真结果，并根据仿真结果对建立的铝空气电池等效电路模型(2)进行精度验证(8)。2.根据权利要求1所述的一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：在Matlab中采用带有遗忘因子的递推最小二乘法(10)算法对铝空气电池等效电路模型(2)进行参数(4)辨识。3.根据权利要求2所述的一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：在Matlab中对铝空气电池等效电路模型(2)的参数(4)辨识的步骤如下：S1：将放电特性实验(1)的实验数据导入Matlab；S2：确定初始化参数(4)：θ(0)＝0、P(0)＝105E、数据采集周期为1min，启动参数(4)辨识算法的递推过程；其中，θ(0)为初始状态下的参数(4)估计值，P(0)为初始状态下的协方差矩阵，E为单位矩阵；S3：通过带有遗忘因子的递推公式得到k时刻的系统差分方程(11)中h0、h1、h2、h3、h4、h5的值；S4：通过换算公式，得到铝空气电池等效电路模型(2)中参数(4)的表达式。4.根据权利要求3所述的一种铝空气电池等效电路模型的参数辨识方法，其特征在于：换算公式为：c＝h3；d＝h0/(1-h1-h2)；其中，a1、a2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李璟，王玉华，蔡慧，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33