基于等效电路分析的航空锂电池工作特性研究

锂电池等效电路模型
锂电池等效电路模型是用来描述锂电池内部电化学反应和电学特性的模型。

它将锂电池看作是一个由电池内部化学反应和表面阻抗所组成的复杂电路，通过等效电路模型可以更好地描述锂电池的特性和行为。

锂电池的等效电路模型主要分为两部分，一部分是电化学反应模型，包括有电解质解离和离子在电解质中的迁移等，另一部分是电学特性模型，包括有内阻、电容和自放电等。

其中，电化学反应模型可以通过Nernst方程来描述，该方程可以计算出电池的电势随着时间和电池状态的变化而变化。

而电学特性模型则是通过等效电路模型来描述，其中内阻可以表示为电池内部化学反应过程的电阻，电容则可以表示为电池内部电荷储存的能力。

通过锂电池等效电路模型，我们可以更好地理解锂电池的工作原理和特性，为锂电池的设计和应用提供更加精准的模拟和分析。

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采用等效电路的参数自适应电池模型及电池荷电状态估计方法宁博;徐俊;曹秉刚;杨晴霞;王斌;许广灿【摘要】针对电池离线参数辨识复杂、模型系统误差无法在线校正等问题,提出基于等效电路的参数自适应电池模型及电池荷电状态估计方法.该方法设计了针对动力电池的自适应参数观测器并证明了稳定性,通过在线估计电池参数从根源校正模型误差,建立滑动平均滤波器对估计参数滤波降噪,利用多时间维度思想周期性更新电池模型,并结合卡尔曼滤波算法进行荷电状态估计.搭建电池充放电测试平台进行实验,实验结果表明:城市道路循环工况下,基于参数自适应电池模型的卡尔曼滤波电池荷电状态估计误差小于3％.该算法简单、准确、适应性强,对于多变环境、长周期使用条件下的动力电池监测具有较高的实用价值.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2015(049)010【总页数】6页(P67-71,78)【关键词】动力电池;电池模型;参数自适应;荷电状态估计【作者】宁博;徐俊;曹秉刚;杨晴霞;王斌;许广灿【作者单位】西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安;西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安;西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安;西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安;西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安;西安交通大学电动汽车与系统控制研究所,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TM912.8电池管理系统(battery management system,BMS)是电动汽车的关键部件之一。

作为BMS控制策略的基础,荷电状态(state of charge,SOC)估计的准确性直接关系着车辆安全性、动力性和经济性,而电池模型的准确度对SOC估计精度影响极大[1]。

尽管滑模[2]、PI[3]、卡尔曼滤波[4]等算法能够补偿一定SOC估计误差,但是并不能消除电池内部参数变化导致的模型系统误差。

锂电池二阶RC等效电路模型1. 引言在现代社会中，锂电池已经成为一种广泛应用的电池技术。

为了更好地理解锂电池的工作原理和性能特点，在电路分析中，我们可以使用RC电路模型来表示锂电池的等效电路。

本文将详细介绍锂电池二阶RC等效电路模型，探讨其原理和应用。

2. 理论在电路理论中，我们可以将锂电池建模为一个具有内阻和电容的二阶RC等效电路。

该模型可以帮助我们更好地研究锂电池的动态响应和充电/放电过程。

2.1 内阻的等效锂电池的内阻是指电池内部由于材料电阻、电解液电导等造成的电阻。

这种电池内阻对电池的充放电性能有着重要的影响。

在二阶RC等效电路模型中，内阻可以等效为一个串联的电阻元件。

2.2 电容的等效锂电池内部也存在一定的电容，该电容被称为电池的极化电容。

电池的极化电容主要由电解液和电极之间的界面电容构成。

在二阶RC等效电路模型中，电容可以等效为一个并联的电容元件。

2.3 等效电路模型综合以上分析，锂电池的二阶RC等效电路模型如下图所示：---------| |--| R_i |--| | | |--| C_p--| |---------其中，Ri代表电池的内阻，Cp代表电池的极化电容。

3. 应用锂电池二阶RC等效电路模型在很多实际应用中都有着重要的作用。

下面将介绍一些相关的应用场景。

3.1 锂电池充放电过程通过锂电池二阶RC等效电路模型，我们可以分析锂电池的充放电过程。

充电时，电池的内阻会导致电池的电压下降，电容则会对充电速度起到一定的影响。

放电时，电池的内阻会导致电池的电压上升，电容则会影响电池的放电时间。

通过分析电池的充放电过程，可以帮助我们更好地设计电池管理系统和优化电池的使用效果。

3.2 电池容量测试锂电池的容量是指电池能够存储的电荷量，是衡量电池性能的重要指标之一。

通过锂电池二阶RC等效电路模型，我们可以利用简单的电路测量方法来估计电池的容量。

通过测量电池的放电时间和电压变化情况，可以得到电池的容量估计值。

等效电路模型(equivalent circuit model，ECM)是电池模型的主要类型之一，对电池特性分析和状态估计非常重要。

然而，当前广泛使用的基于阻容(RC)结构的电池ECM无法应对复杂多变场景。

例如，传统ECM无法反映电池极化电压在高电流倍率下的特殊现象，即传统ECM不能准确表征电池在高电流倍率下的阻抗特性。

针对这一问题，本团队在不同SOC下进行了电池峰值电流实验，通过实验数据分析了电池在峰值电流下的极化电压和阻抗特性。

然后，引入负电阻电容环节拟合实验结果，对传统ECM进行改进以充分体现高电流倍率下的电池极化现象。

通过比较传统RC环节与负电阻电容环节特性，提出了基于阻抗特性曲线拐点的参数分离方法，其计算量小，模型求解便捷。

最后，对分离参数后的模型进行验证，结果表明所提ECM及参数获取方法能够较好地模拟高电流倍率下电池的极化电压变化，进而更加准确地表征电池电压特性，模型输出与实验结果误差小于0.05 V。

所提ECM相比于传统的RC模型精确度得到了极大提升，且不依赖于复杂的电化学模型，维持了模型的简单结构。

关键词:锂离子电池；等效电路模型；电池阻抗特性；极化电压；峰值电流实验能源问题一直是世界面临的重大挑战。

电池技术作为一种重要的能量存储方式，正逐步成为新能源汽车、新型电力系统等领域的核心技术之一。

电池管理系统(battery management system，BMS)作为电池管理、电池组设计以及电动汽车的关键技术，已经成为电池研究领域的热点问题。

通常电池的内部状态如荷电状态(state of charge，SOC)、健康状态(state of health，SOH)、功率状态(state of power，SOP)等不能直接获取，需要通过基于模型的估计算法进行推断。

因此，准确的电池模型至关重要。

电池建模种类较多，常见的有经验模型、ECM、电化学模型和数据驱动模型。

其中ECM采用电路元件串并联组合来模拟电池内部的电化学过程，其结构简单、易于理解、表达端电压能力强，被广泛地用于电池端电压预测和内部状态估计。

锂电池等效电路建模与荷电状态估计1. 引言1.1 概述锂电池是目前应用广泛的一种高能量密度的电池技术，被广泛应用于移动设备、电动汽车和储能系统等领域。

在实际应用中，了解锂电池的荷电状态（State of Charge，SOC）对于实现其可靠控制和管理至关重要。

然而，由于锂电池本身特性的复杂性以及工作环境的影响，精确地估计锂电池的荷电状态仍然是一个具有挑战性的问题。

为了解决这个问题，研究者们提出了多种方法，并且其中基于等效电路模型的荷电状态估计方法成为了主流。

该方法通过建立锂电池的等效电路模型来描述其内部特性，并利用测量得到的电压和电流数据进行参数估计，从而达到荷电状态估计的目的。

1.2 文章结构本文将会介绍锂电池等效电路建模与荷电状态估计这一研究领域的相关内容。

首先，在第2节中我们将详细讨论锂电池等效电路建模方法，包括概述不同类型的等效电路模型以及分析电压和电流之间的关系。

接着，在第3节中我们将介绍荷电状态估计技术的重要性，并详细探讨基于等效电路模型的荷电状态估计方法以及其他一些常用的估计方法。

在第4节中，我们将进行实验设计和数据采集，并对锂电池等效电路建模结果进行验证和优化分析，并比较评估不同荷电状态估计方法的结果。

最后，在第5节中，我们将总结本文的主要研究成果，并对未来的研究方向和拓展进行展望。

1.3 目的本文旨在全面介绍锂电池等效电路建模与荷电状态估计这一领域的相关研究进展，为进一步提高锂电池荷电状态估计精度提供参考。

通过对该领域已有研究成果的总结和归纳，可以帮助读者更好地理解锂电池等效电路建模方法、荷电状态估计技术以及它们在实际应用中的潜力和局限性。

同时，本文也可以为相关研究人员提供一个全面而系统的视角，从而为他们开展新的研究工作提供启示和指导。

2. 锂电池等效电路建模2.1 等效电路模型概述在研究锂电池行为和性能时，建立一个准确的等效电路模型是非常重要的。

等效电路模型可以帮助我们理解锂电池内部的物理过程，并预测其在不同负载条件下的响应。

锂电池二阶rc等效电路模型锂电池是一种常见的电池类型，具有高能量密度、长寿命和轻量化等优势，因此在现代电子设备中广泛应用。

而为了更好地理解和模拟锂电池的行为，研究人员提出了锂电池的二阶RC等效电路模型。

锂电池二阶RC等效电路模型是一种用于描述锂电池内部特性的数学模型。

它将锂电池视为一个由电阻、电容和电源构成的电路，用于表示锂电池充电和放电过程中的电压和电流变化。

该模型可以通过测量锂电池的动态响应来确定电阻和电容的值，从而更准确地预测锂电池的性能。

在锂电池二阶RC等效电路模型中，电阻R1代表电池内部的电阻，反映了电池中涉及化学反应的损耗。

电容C1代表电池内部的电荷存储能力，反映了电池对电流变化的响应速度。

电阻R2和电容C2则分别代表了电池与外部电路的耦合效应，反映了电池与外部环境的相互作用。

通过锂电池二阶RC等效电路模型，我们可以更好地理解锂电池的工作原理。

在充电过程中，外部电源施加电压，电流通过电阻R1和电容C1流入电池内部，同时电容C2也开始充电。

当电容C2充满后，电流开始流入外部电路，电池电压逐渐达到稳定状态。

在放电过程中，电池开始释放储存的能量，电流通过电阻R1和电容C1从电池内部流出，同时电容C2开始放电。

当电容C2放电完毕后，电流继续从电池内部流出，直到电池电压降至某个临界值。

锂电池二阶RC等效电路模型可以帮助我们分析锂电池的性能特点。

例如，通过调整电阻和电容的数值，我们可以改变电池的响应速度和电流输出能力。

此外，该模型还可以用于预测锂电池在不同工况下的电压和电流变化，从而指导电池的设计和应用。

需要注意的是，锂电池二阶RC等效电路模型是一种简化模型，它假设锂电池的内部特性可以用电阻和电容来表示。

实际上，锂电池的内部特性与化学反应和材料属性有关，更复杂的模型可能需要考虑更多的参数和影响因素。

锂电池二阶RC等效电路模型是一种重要的工具，用于描述和模拟锂电池的行为。

通过该模型，我们可以更好地理解锂电池的工作原理和性能特点，从而为锂电池的应用和设计提供指导。

无人机锂电池剩余电量估算方法谢霜娇; 王顺利; 蒋聪; 熊鑫; 时浩添【期刊名称】《《化工自动化及仪表》》【年(卷),期】2019(046)010【总页数】6页(P839-843,869)【关键词】剩余电量估算; 无人机锂电池; 二阶戴维南等效电路模型; 参数辨识; 扩展卡尔曼算法【作者】谢霜娇; 王顺利; 蒋聪; 熊鑫; 时浩添【作者单位】西南科技大学信息工程学院【正文语种】中文【中图分类】TH701; TP301.6在航空应用中，飞行物体的能量消耗和重量呈正相关关系，高能量密度成为配备航空电池组性能表征选择的重要因素。

锂离子电池具有比能量大、工作电压高、自放电小、无记忆效应、循环性能优越、可快速充/放电、输出功率大及不含有毒有害物质等优点。

但锂电池的使用过程中，需要可靠测算管理，其中剩余电量的估算是关键因素之一，而剩余电量通常用荷电状态(State of Charge，SOC)表征。

由于锂电池系统具有非线性，荷电状态的准确估算难度较大。

文献[1，2]分析了锂电池的安全性。

文献[3]运用无迹卡尔曼算法估算了电池荷电状态。

文献[4～7]针对钴酸锂电池、磷酸铁锂电池及三元锂电池等进行了特性分析、等效模型建立与相关验证分析。

文献[8]比较了不同阶数的锂电池等效电路模型对荷电状态估算效果的影响，结果表明二阶以上无明显提升，反而明显增加了计算复杂度。

笔者主要对无人机三元动力锂电池进行等效建模，并对模型进行参数辨识，对比仿真和实验观测模型效果。

再结合扩展卡尔曼算法(Extend Kalman Filter，EKF)对锂电池的荷电状态进行估算。

1 理论分析1.1 二阶戴维南等效电路模型目前，锂离子常用的等效模型主要有3类：纯数学模型、电化学模型和等效电路模型。

由于等效电路模型具有计算简单和物理意义明确的优点，应用最为广泛。

电池的内阻和极化效应对电池有较大影响[8]。

笔者采用如图1所示的二阶戴维南等效电路模型，相比于传统的Rint模型和一阶等效电路模型，本模型能更好地表征极化效应，具有更好的精度。

等效电路法动力锂离子电池组系统建模与仿真王新霞;王党树【摘要】以锂离子电池作为研究对象分析了多种电池等效电路模型的优缺点,最终选取二阶RC等效电路模型,搭建了仿真模型.该模型很好地表现了电池的输出特性,不仅直观地反映了开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)-荷电状态(State of Charge,SOC)特性,更进一步反映了工作电压-荷电状态特性,对电池的SOC在线评估具有的重要作用.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】5页(P92-96)【关键词】电池模型;电池管理系统;荷电状态估计;均衡保护【作者】王新霞;王党树【作者单位】西安科技大学电气与控制工程学院,西安710054;西安科技大学理学院,西安710054【正文语种】中文【中图分类】TP274+.20 引言建立准确的电池等效模型是研究电池荷电状态估计和均衡管理一种重要方法。

目前国内外学者所建立的电池模型大致可分为电化学模型、数学分析模型或电气原理模型[1-4]。

电化学模型是从电池的电解液、电极、隔膜材料之间的反应机理出发,用数学模型反映电极化学反应过程及电解液离子的浓度变化。

建模者应具有良好的电化学知识，所以模型只能在特定环境条件下使用[2]。

数学分析是根据经验利用过数学方程来表示电池内部关系，抽象于实体电池,主要有Peukert、RVW和随机马尔科夫链模型。

但不能表征电池内部具体参数如电阻、端口电压，难以仿真[5-8]。

电气模型又称作等效电路模型，是用具体的电气方程描述电池内部特性和外特性。

主要有Thevenin模型[9-10]、PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)模型[5]和通用性的非线性(General Nonlinear, GNL)模型[11-12]：Thevenin模型对电池稳态特性的描述不够完善，同时无法预测电池的工作时长；PNGV 模型对Thevenin模型做出了改善，但是它的精度是一大缺陷；GNL模型是对PNGV 模型的扩展与推广，模型适用性广，但同样模拟精度不高。

锂电池组等效模型构建与SOC估算方法研究李建超;王顺利;刘小菡;杨东;钟俊【摘要】以由7个单体串联的钴酸锂电池组为检测对象,搭建BMS系统(Battery Management System, BMS),实现对锂电池组各单体电压、电流、温度的实时监测和电池的荷电状态(State of Charge,SOC)估算;以STM32F103ZET6为控制器,设计电池的电压检测电路、电流检测电路及温度检测电路等,探索并实现了基于扩展卡尔曼(EKF)算法的荷电状态估算法.实验结果表明:该电池管理系统能够实现对电池组的电压、电流及温度等参数的监测,其中电压测量误差低于0.40%,还能完成对钴酸锂电池组中各单体电池的SOC估算,其误差低于5.00%.%Taking a lithium cobalt oxide battery pack with seven battery cells connected in series as the object of detection to set up a BMS system to realize the real-time monitoring of the voltage,current and temperature of the lithium battery pack together with the state of charge(SOC)estimation was implemented and through taking STM32F103ZET6 as a controller,the battery voltage detection circuit,current detection circuit and the temperature detection circuit were designed and a novel SOC estimation method based on extended Kalman (EKF)algorithm was realized.The experimental results show that,this BMS can detect the voltage,current, temperature and other parameters of the battery pack and the measurement error of the voltage is less than 0.40%.The SOC estimation error of the individual cell in the lithium cobalt oxide battery pack is less than 5.00%.【期刊名称】《化工自动化及仪表》【年(卷),期】2018(045)002【总页数】4页(P150-153)【关键词】电池管理系统;SOC估算;扩展卡尔曼算法【作者】李建超;王顺利;刘小菡;杨东;钟俊【作者单位】绵阳市产品质量监督检验所;西南科技大学信息工程学院;西南科技大学信息工程学院;绵阳市产品质量监督检验所;绵阳市产品质量监督检验所【正文语种】中文【中图分类】TH862+.7锂电池因具备工作电压高、重量轻、使用寿命长、循环充放电次数多及环保等优点，逐渐成为蓄电池的主流，在手机电池、备用电源、航空设备及电动汽车动力电池等方面广泛应用。

电子测量0 引言锂离子蓄电池是二十世纪九十年代初发展起来的一种新型高能电池，具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电小、免维护等特点[1]。

目前，航空机载领域装备的直流化学电源主要作为应急电源使用，类型主要有：镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组、铅酸蓄电池组，与此相比，锂离子蓄电池组的体积比能量和质量比能量更高，可以降低机载直流化学电源的重量，增加飞行器的额外载荷能力，因此高性能的航空用锂离子蓄电池组正成为机载直流化学电源的技术发展趋势。

到目前为止，航空机载能够实用的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂及镍钴锰酸锂三元材料等，而负极材料基本上都采用碳。

目前工程应用范围最广、应用技术最成熟的正极材料是钴酸锂材料。

国外在航空航天领域开始应用的是镍酸锂正极材料和钴酸锂正极材料两种，其中法国SAFT公司使用镍酸锂材料、日本使用钴酸锂材料。

镍酸锂材料具有比能量高、储存性能优异等特点，但其安全性最差。

与钴酸锂材料电池相比，磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的安全性有所提高，成本降低，但磷酸铁锂电池的比能量低、低温性能差，锰酸锂电池的高温使用寿命较差，镍钴锰酸锂三元材料是最近发展的新材料，航空机载工程化应用时间较短。

航空用锂离子蓄电池组通常具备容量大、电压高等特性，一般情况下采用多只大容量动力锂离子电池串联增压，其供电特性等性能与大容量动力锂离子电池直接相关。

大容量动力锂离子电池的制造工艺主要有两种：①采用叠片或卷绕工艺直接制造大容量锂离子电芯；②通过小容量锂离子电芯并联增容制造。

不管是哪种工艺，均需要通过集流体汇流后进行输出。

基于小容量锂离子电芯并联增容的大容量动力锂离子电池，刘新军等[2]研究了极耳分布、引出方式等对内部并联单元电流分布的影响；周显茂等[3]研究了单体的容量、放电平台、初始电压、自放电率等参数对并联电池性能的影响。

本文基于小容量锂离子电芯并联增容的航空用大容量动力锂离子电池，采用内阻测量法及恒流放电法研究了锂离子电芯并联后的内阻、功率供电特性变化，并开展了过充电、过放电、针刺、加温及短路安全性测试。