锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及电化学-热耦合机理建模及其参数获取方法，是电气工程、电化学、热学、应用数学等多学科的交叉，属于智能电网大容量储能领域。【
背景技术：
】[0002]锂离子电池的突出特点是电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应、绿色环保，是大型设备或系统的主要储能器件。电池的安全性、可靠性和经济性这三个方面的性能制约了其进一步推广使用。从应用层面角度讲，电池管理系统对充分发挥电池性能具有至关重要的意义。[0003]锂离子电池机理模型能够准确描述电池内部复杂的物理、化学过程，具有对任意负载电流激励下电池响应的仿真估计能力。但模型通常具有复杂的形式，计算耗时，并且需要借助电化学测量方法或智能算法获取机理模型参数，不具备快速、无损获取参数的能力。目前，机理模型主要用于电池的设计和改进，鲜见用于电池管理系统中。【
发明内容】[0004]本发明是为了解决现有缺少对电池端电压和外壳温度随时间的变化进行仿真的电化学和热耦合模型的问题。现提供锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法。[0005]锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法，它包括以下内容：[0006]将锂离子电池放在不同的温度下，对锂离子电池输入电流，得到锂离子电池端电压Uapp(t):【主权项】1.裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，它包括w下内容：将裡离子电池放在不同的温度下，对裡离子电池输入电流，得到裡离子电池端电压Uapp(t)：式中，心烹(0为电池在参考温度下，固相扩散、浓差极化、反应极化和欧姆极化影响均为零的情况下的端电压，为反应极化过电势，为欧姆极化过电势，为浓差极化过电势，和裡离子电池外壳温度公式：式中，R。。。。为电池内部热阻，h为换热系数，CtJ%外壳的热容，T。为环境温度，A为有效散热面积，nitJ%外壳质量，T(tk)为k时刻的裡离子电池外壳温度，Lutf(tk_i)为k-1时刻的裡离子电池外壳温度，tk为k时刻，tk_i为k-1时刻，T为内部平均温度，从而获得裡离子电池电化学和热禪合模型。2.根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，计算电池理想电动势￡及的过程：在0.02C倍率下，将裡离子电池放电电压作为电池理想电动势，已知正负极开路电势Up和U。，使用最小二乘法估计正负极初始嵌裡率y。和X。，及正负极变化范围Dy和D,，根据公式：获得正负极容量Qp和Q。，嵌裡率偏移y。^;式中，Qau为小倍率放电的总容量，将公式3带入电池理想电动势￡戌中：获得电池理想电动势完，式中，y^g和X。^表示正负极活性颗粒内部平均裡离子浓度，ywg=Yci+It/Qp，x^g=(i-yrfs-yavg)QpZQ。，I为负载电流，规定放电为正，t为时间。3.根据根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，计算反应极化过电势11。。,_。。1"^。《。。和欧姆极化过电势11。^"。1"^。"。。的过程：将电池置于不同环境温度下一段时间后，施加1曲Z正弦电压激励，采用最小二乘拟合方法对不同温度进行拟合，得到欧姆内阻R。!?随电池内部温度的变化式：R。血=0J3+02了2+03了1+04，（公式5)式中，0i为侍拟合参数，i二1，2,3,4,根据公式：获得欧姆极化过电势在不同倍率下，环境温度分别控制在25°C、35°C、45°C下，对电池恒流充放电各7分钟，然后将电池搁置10分钟，依次循环充放电各7分钟，并依次对电池进行搁置10分钟的过程，电流从0变化到某一固定值的一瞬间，电压存在跳变AU，电压跳变AU包括反应极化过电势和欧姆极化过电势，电压跳变AU减去欧姆极化过电势能够获得反应极化过电势^act-polarization*;为理想气体常数，F为法拉第常数，C。为电解液浓度，作expy(i/T:.,-l/n)，使用最小二乘方法，拟合参考温度下反应极化系数巧:f和活化能系数A，P。。,为反应极化系数，Tuf为参考温度。4.根据根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，计算浓差极化过电势11。。。_。。1"^。《。。的过程：在不同倍率下，环境温度分别控制在25°C、35°C、45°C下，对电池恒流充放电各7分钟，然后将电池搁置10分钟，依次循环充放电各7分钟，并依次对电池进行搁置10分钟的过程，裡离子电池的扩散过程需要一段过渡时间，才进入新的稳定状态，在液相扩散和固相扩散均进入稳态阶段后，正极表面和平均嵌裡浓度的差A负极表面和平均嵌裡浓度的差AXstable和集流体边界处的浓度差Acstable均为定值，表达式如下：式中，液相扩散比例系数？。。。=aTb+c，a,b和C为待拟合的未知参数，与为正极固相扩散的时间常数，<为负极固相扩散的时间常数，选择恒流充放电的23个截止点，在截止点处，固相扩散和液相扩散过程都已进入稳态阶段，截止点的端电压满足公式：式中，口就^^/。"_-。。。。表示稳态时的浓差极化过电势，将公式9变形为：应用最小二乘拟合，得到不同环境温度下的正极固相扩散的时间常数了^和负极固相扩散的时间常数W及液相扩散比例系数p。。。中的a,b和c，Up为正极开路电势函数，U。为负极开路电势函数，计算连续动态恒流充放电工况下的浓差极化过电势：由反向求解该工况下电池集流体边界处液相裡离子浓度的变化量AC(t)；式中，t+表示传荷数，根据液相裡离子浓度的变化量Ac(t)和液相扩散比例系数P。。。，计算k+1时刻的液相扩散时间常数T。；获得浓差极化过电势式中，液相裡离子浓度的变化量Ac(t)的迭代形式为5.根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，计算换热系数h的过程：根据公式：Gexchangea)=灯surfa)-Ta(t))/IU，（公式15)获得电池与环境的换热率G,uh。^。，其中，Ramb为电池外壳与环境热交换热阻，其表达式为R"b=1/hA。，L为环境温度，A。为电池有效散热面积，h为换热系数，当负载电流为零时，电池产热为零，内外部温度相等，将电池外部温度公式：当电池表面温度和内部温度相等，t=0时，T(0)=T。;当t=c?时，T(c?)=T。，整理公式17,得到：Tsurf(t)=Ta(t)+(T〇-Ta)exp(-M〇t/(CpIIlroii))，（公式18)其中，Tswf(t)为t时刻的电池外壳温度，时间常数Theat=Cpirw/^OiA。)，Cp为电池电极缠绕体热容，m"ii为电极缠绕体质量，T。为初始电池内部温度，将电池放在恒温箱中进行测试，在电池外壳贴装温度传感器进行测温，在不同倍率下，电池外壳温度随时间的变化，在电池停止放电后，令电池在恒温箱内恢复到设定的温度，采用公式18将不同时间内的外壳温度进行拟合，得到各个时间常数Th。。,，将各个时间常数T取均值，进而获得换热系数h。6.根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，计算电池内部热阻氏。。4的过程：由于反应极化过电势欧姆极化过电势n和浓差极化过电势n。。"。1。,^。"。。都与内部温度相关，如果过电势计算出现较大偏差，热计算结果将出现较大误差，则不可逆热(i,产热如下式：二，（公式19)则产热率表达式为：dA-,.Wd/、"(〇式中，为正极材料的滴系数，为负极材料的滴系数，Tuf为参考温度，将电池外壳温度写成迭代的形式，得到电池外壳温度的计算式：将电池内部温度寻成迭代的形式，得到计算式：T(tk)=T(tk_i)+(tk-tk_i)(G(tk_i)-灯（tk_i)-Tsurf(tk_i))/Rc。J/(nWiCp)，（公式22)联立公式20和公式21，获得电池内部热阻R。。^，式中，G(tk_i)为k-1时刻的产热率。7.根据权利要求6所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，对电池理想电动势￡寬进行修正的过程：电池自身产热率为G，包括不可逆热6和可逆热〇两个部分，表达式分别如下：其中，为正负电极材料的滴系数，是电池材料固有属性，di根据公式22和21，对当前内部温度T和参考温度Tuf下的电池开路电势巧f；(〇进行修正为：其中，E"Ev(t)表示电池开路电势。【专利摘要】锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法，涉及智能电网大容量储能领域。本发明是为了解决缺少对电池端电压和外壳温度随时间的变化进行仿真的电化学和热耦合模型的问题。本发明所述的将锂离子电池放在不同的温度下，对锂离子电池输入电流，根据电池端电压和锂离子电池外壳温度响应曲线，获得锂离子电池电化学和热耦合模型参数。该耦合模型可用于仿真锂离子电池的端电压和外壳温度。【IPC分类】G01R31-36,G06F19-00【公开号】CN104849675【申请号】CN201510337596【发明人】王立欣,吕超,李俊夫,罗伟林,张刚【申请人】哈尔滨工业大学【公开日】2015年8月19日【申请日】2015年6月17日