基于等效電路-簡化電化學(xué)模型的鋰離子電池模擬和仿真.pdf

1、鋰離子動力電池由于具有高能量密度、高功率密度、循環(huán)周期較長及記憶效應(yīng)較小等優(yōu)勢，近年來在電動汽車領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。但是，在實(shí)際應(yīng)用中鋰離子電池仍面臨一系列挑戰(zhàn)，比如外界環(huán)境溫度的劇烈變化、充放電過程中的過充過放操作、大倍率充電造成的加速老化等。因此，為了保障電池系統(tǒng)始終在高效、安全、長壽的區(qū)間工作，有必要開發(fā)更先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)。作為電池管理系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，電池模型的精確度與實(shí)時(shí)性就成為了一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。
　　本文綜

2、合分析了現(xiàn)有等效電路模型和電化學(xué)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，然后對上述兩種模型在時(shí)域和頻域進(jìn)行研究。全文從外特性和內(nèi)部電化學(xué)機(jī)理特性對電池系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，研究工作主要包括以下五部分：
　　(I)等效電路模型參數(shù)辨識及影響因素分析。
　　首先，進(jìn)行模型離散化及模型特性分析，主要包括模型誤差分析、穩(wěn)定性分析、測量不確定性時(shí)干擾分析以及參數(shù)靈敏度分析等。通過以上分析，可增進(jìn)對模型參數(shù)辨識問題的深入理解，并能夠評估采樣時(shí)間以及電流/電壓傳感器測

3、量精度等因素對模型參數(shù)辨識精度的影響情況。然后，通過仿真分析了溫度效應(yīng)、電流/電壓采樣精度效應(yīng)和采樣時(shí)間效應(yīng)對參數(shù)辨識的影響。最后，針對給定的參數(shù)辨識和SOC估計(jì)精度要求，提出在測量環(huán)節(jié)中電流/電壓傳感器精度以及采樣時(shí)間的選取建議。
　　(II)荷電狀態(tài)估計(jì)及影響因素分析。
　　本章節(jié)主要思路是通過遞歸最小二乘法實(shí)時(shí)辨識模型參數(shù)，然后利用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法進(jìn)行荷電狀態(tài)值SOC估計(jì)。該聯(lián)合算法可實(shí)時(shí)更新模型參數(shù)，提高模型在不

4、同場景的適應(yīng)性。最后，通過仿真驗(yàn)證了：a)模型階次、b)初始 SOC設(shè)定值、c)過程噪聲及測量噪聲、d)EKF和AEKF算法、e)電流傳感器精度、f)電壓傳感器精度以及g)采樣時(shí)間效應(yīng)等因素對SOC估計(jì)精度的影響。
　　(III)基于修正邊界條件的簡化電化學(xué)模型傳遞函數(shù)推導(dǎo)。
　　偽二維電化學(xué)模型能夠描述電池內(nèi)部的電化學(xué)動力學(xué)過程，有利于提高對電池系統(tǒng)的深入認(rèn)識。該模型主要缺點(diǎn)是計(jì)算量相對復(fù)雜，嚴(yán)重制約其在實(shí)時(shí)模擬和控制問題

5、中的應(yīng)用。本文通過修正電化學(xué)模型中電解液相濃度擴(kuò)散方程的邊界條件，大大降低了模型的分析求解難度，從而得到電解液相鋰離子濃度、電解液相鋰離子電位勢與電流密度傳遞函數(shù)的解析結(jié)果。進(jìn)一步利用Pade逼近方法得到具有分子-分母型傳遞函數(shù)的簡化電化學(xué)模型，使其計(jì)算復(fù)雜度大大降低，具備實(shí)時(shí)應(yīng)用的潛力。最后，對簡化電化學(xué)模型與傳統(tǒng)電化學(xué)模型進(jìn)行了模型精度對比，驗(yàn)證了簡化電化學(xué)模型的有效性。
　　(IV)簡化電化學(xué)模型阻抗分析和參數(shù)靈敏度分析。<

6、br>　　本章節(jié)主要討論短時(shí)動態(tài)阻抗模型及電化學(xué)全阻抗模型特性。關(guān)于短時(shí)動態(tài)阻抗模型，分析了以下電化學(xué)參數(shù)的影響，比如等效電導(dǎo)率k_eff、電解液相濃度擴(kuò)散系數(shù)De和交換電流密度常數(shù)i0等；關(guān)于電化學(xué)全阻抗模型，重點(diǎn)分析了負(fù)極固相擴(kuò)散系數(shù)Ds_neg和正極固相擴(kuò)散系數(shù)Ds_pos對阻抗譜變化趨勢的影響。簡化電化學(xué)阻抗模型的參數(shù)靈敏度分析結(jié)果，為簡化模型的時(shí)域參數(shù)辨識及頻域阻抗譜估計(jì)工作提供了研究基礎(chǔ)。
　　(V)簡化電化學(xué)模型的實(shí)

7、時(shí)驗(yàn)證及與等效電路模型的參數(shù)關(guān)系。
　　目前，兩種主流電池模型(等效電路模型和電化學(xué)模型)的建模技術(shù)是相互獨(dú)立的，且上述兩種模型具有各自優(yōu)缺點(diǎn)。本文所建立的簡化電化學(xué)模型能夠兼顧電化學(xué)模型和等效電路模型的雙重優(yōu)勢。然后，基于dspace平臺的DS1401/1512/1517硬件在環(huán)仿真設(shè)備，對所提出的簡化電化學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，證明該模型具有精度較高、電化學(xué)意義更豐富且具備實(shí)時(shí)應(yīng)用的能力。同時(shí)，建立了該簡化電化學(xué)模型與等效電路模型