一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電池低溫模型的構(gòu)建方法，特別是涉及一種鋰離子電池的低溫頻 域電-熱模型的構(gòu)建方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源緊缺和環(huán)境污染的雙重壓力助推了電動汽車的快速發(fā)展，鋰離子電池以單體 電壓高、能量密度高、壽命長、無記憶效應(yīng)和無污染等優(yōu)點，成為電動汽車動力驅(qū)動的首選 電池。
[0003] 然而，低溫下鋰離子電池由于電解質(zhì)、導(dǎo)電材料的導(dǎo)電率明顯下降，化學(xué)反應(yīng)動力 學(xué)、擴(kuò)散動力學(xué)明顯遲滯緩慢，相比于室溫內(nèi)阻成十倍地增大，因此，寒冷環(huán)境中，鋰離子電 池能量轉(zhuǎn)換效率嚴(yán)重下降，電動汽車的續(xù)駛里程和脈沖輸出功率大幅下降。低溫下鋰離子 電池充電非常困難，更嚴(yán)重的是，由于副反應(yīng)導(dǎo)致負(fù)極形成鋰金屬沉積(析鋰)而不是鋰離 子嵌入負(fù)極。析鋰會加速鋰離子電池衰退，鋰金屬還有可能刺破隔膜引起鋰電池內(nèi)部短路 造成安全危害，如熱失控。
[0004] 低溫下鋰離子電池性能下降嚴(yán)重?fù)p害了電動汽車的動力性能、續(xù)駛里程和使用壽 命，影響了用戶使用電動汽車時的便利性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，極大地限制了電動汽車在寒冷 環(huán)境的推廣使用。
[0005] 改善鋰離子電池的低溫運(yùn)行性能，需要對電池性能進(jìn)行深入了解，在此基礎(chǔ)上，基 于鋰離子電池的實際應(yīng)用需求，構(gòu)建鋰離子電池的等效電路模型，以方便電池管理系統(tǒng)管 理、控制電池及其環(huán)境。
[0006] 鋰離子電池在低溫運(yùn)行時，對外表現(xiàn)的非線性明顯，一般使用復(fù)雜的模型來模擬 電池性能;鋰離子電池的頻域運(yùn)行性能很少被提及，但頻域應(yīng)用工況是個很重要的領(lǐng)域，如 進(jìn)行自加熱方法研究、諧波研究、頻域阻抗研究等;低溫下阻抗較大，即使電流很小電池也 會產(chǎn)生大量的熱，構(gòu)建鋰離子電池的電-熱模型十分必要。因此，建立簡化的鋰離子電池的 低溫頻域電-熱模型具有重要的現(xiàn)實意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法，能夠改善現(xiàn)有技 術(shù)中模型復(fù)雜、頻域性能未知和溫度對電學(xué)參數(shù)的影響等問題。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。
[0009] -種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法，該方法包括以下步驟：
[0010] S1、根據(jù)EIS(電化學(xué)阻抗譜)數(shù)據(jù)構(gòu)建等效電路模型，確定等效電路模型的結(jié)構(gòu)， 在高頻和低頻兩個頻率范圍內(nèi)分別辨識鋰離子電池的模型參數(shù)，包括歐姆電阻、電感、極化 電阻和極化電容；
[0011] S2、根據(jù)步驟S1確定的極化電阻和極化電容，基于鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng) 機(jī)理，構(gòu)建極化電阻、極化電容與頻率的函數(shù)關(guān)系，并擬合得到函數(shù)未知系數(shù);所述函數(shù)未 知系數(shù)為待擬合的極化電阻參數(shù)或極化電容參數(shù)；
[0012] S3、根據(jù)步驟S1和步驟S2確定的歐姆電阻和函數(shù)未知系數(shù)，基于鋰離子電池內(nèi)部 的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建歐姆電阻和函數(shù)未知系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系；
[0013] S4、根據(jù)步驟S1、S2和步驟S3確定的函數(shù)關(guān)系和模型參數(shù)，構(gòu)建出簡化的鋰離子電 池的低溫頻域電-熱模型。該模型在不同的頻率、不同的溫度和不同的電流幅值下進(jìn)行實驗 驗證，精度較高。
[0014] 優(yōu)選的，步驟S1中，確定等效電路模型結(jié)構(gòu)并辨識模型參數(shù)的步驟包括：
[0015] S11、從鋰離子電池實際應(yīng)用需求出發(fā)，基于鋰離子電池的EIS數(shù)據(jù)，確定等效電路 模型的結(jié)構(gòu)為含有歐姆電阻、電感、極化電阻和極化電容的一階等效電路模型；
[0016] S12、根據(jù)等效電路模型的結(jié)構(gòu)，從高頻的虛部阻抗數(shù)據(jù)辨識電感參數(shù)，從高頻的 實部阻抗數(shù)據(jù)辨識歐姆電阻參數(shù)；
[0017] S13、根據(jù)等效電路模型的結(jié)構(gòu)，從低頻的虛部阻抗數(shù)據(jù)辨識極化電容參數(shù)，從低 頻的實部阻抗數(shù)據(jù)辨識極化電阻參數(shù)；
[0018] 優(yōu)選的，步驟S12中所述辨識歐姆電阻參數(shù)的步驟包括：
[0019] S121、辨識得到各個溫度下的歐姆電阻；
[0020] S122、根據(jù)鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過分析阻抗與電化學(xué)反應(yīng)速率的 關(guān)系，構(gòu)建歐姆電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系；
[0021 ] S123、構(gòu)建歐姆電阻與溫度的Ar方程，即xefe ;其中，Rb為歐姆電阻，h為比 例系數(shù)，Eib為活化能，R為氣體常數(shù)，T為電池溫度。
[0022]優(yōu)選的，步驟S2中，構(gòu)建極化電阻、極化電容與頻率的函數(shù)關(guān)系的步驟包括：
[0023] S21、根據(jù)辨識的極化電阻和極化電容，分析極化電阻和極化電容與頻率的函數(shù)關(guān) 系；
[0024] S22、構(gòu)建極化阻抗（包括極化電阻和極化電容）與頻率的FD方程，即
[0025] S23、考慮實際應(yīng)用的簡化需求，將Π )方程簡化關(guān)
[0026 ] Z p為極化電阻或極化電容，f為頻率，α、β、ε為待擬合的極化電阻參數(shù)或極化電容 參數(shù)。
[0027] 優(yōu)選的，步驟S23中，分析待擬合的極化電阻或極化電容參數(shù)，其步驟包括：
[0028] S231、根據(jù)歐姆電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)建極化電阻ro方程中待擬合的極化電 阻參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系，極化電阻參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系為&τ<：0=/7ιιΧ￡Ι^
[0029] Rix為極化電阻參數(shù)，bix為比例系數(shù)，Ε?χ為活化能，R為氣體常數(shù)，Τ為電池溫度;X為 FD方程中待擬合的極化電阻參數(shù)(α、β、ε)。
[0030] S232、根據(jù)鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過分析極化阻抗與電化學(xué)反應(yīng)速 率的關(guān)系，確定極化電容FD方程中待擬合的極化電容參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系；
[0031] S233、構(gòu)建ro方程中待擬合的極化電容參數(shù)與溫度的Ar方程，極化電容參數(shù)與溫 度的Ar方程為= ，
[0032] C2x為極化電容參數(shù)，b2x為比例系數(shù)，E2x為活化能，R為氣體常數(shù)，T為電池溫度;x為 FD方程中待擬合的極化電容參數(shù)(α、β、ε)。
[0033] 所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法構(gòu)建了極化電阻、極化電容與 頻率的定量函數(shù)關(guān)系，即FD方程；
[0034]所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法構(gòu)建了歐姆電阻和ro方程中待 擬合的極化電阻或極化電容參數(shù)與溫度的定量函數(shù)關(guān)系，即歐姆電阻、Π )方程中待擬合的 極化電阻或極化電容參數(shù)與溫度的Ar方程；
[0035] 所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法在不同工況下進(jìn)行實驗驗證， 構(gòu)建的鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型能夠體現(xiàn)鋰離子電池的頻率、溫度和電流特性； [0036]該模型具有簡單實用、精度高等特點；
[0037]本發(fā)明的有益效果：
[0038]本發(fā)明所述技術(shù)方案具有考慮頻率與溫度影響、模型簡單、可靠實用和模型精度 高等效果;考慮鋰離子電池的頻域特性，構(gòu)建極化阻抗與頻率的函數(shù)關(guān)系;考慮鋰離子電池 的溫度特性，構(gòu)建極化電阻、極化電容與溫度的函數(shù)關(guān)系；該模型簡單，等效電路模型為一 階等效電路模型，計算方便，精度較高，有利于電池管理系統(tǒng)的在線應(yīng)用。
【附圖說明】
[0039]本發(fā)明有如下附圖：
[0040] 圖1鋰離子電池在不同溫度下的阻抗譜圖
[0041] 圖2鋰離子電池頻域一階等效電路模型
[0042] 圖3鋰離子電池在_15°C時極化阻抗隨頻率變化的曲線圖
[0043] 圖4鋰離子電池歐姆電阻隨溫度變化的曲線圖
[0044] 圖5鋰離子電池極化電阻、極化電容參數(shù)隨溫度變化的曲線圖 [0045]圖6鋰離子電池在_15°C時500Hz的正弦信號模型驗證的曲線圖
[0046] 圖7鋰離子電池仿真曲線與實測電壓誤差分布圖
[0047] 圖8本發(fā)明模型構(gòu)建方法的示意圖
【具體實施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
[0049] 一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構(gòu)建方法，該方法包括以下步驟：
[0050] S1、根據(jù)EIS(電化學(xué)阻抗譜)數(shù)據(jù)構(gòu)建等效電路模型，確定等效電路模型的結(jié)構(gòu)， 在高頻和低頻兩個頻率范圍內(nèi)分別辨識鋰離子電池的模型參數(shù)，包括歐姆電阻、電感、極化 電阻和極化電容；
[0051] S2、根據(jù)步驟S1確定的極化電阻和極化電容，基于鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng) 機(jī)理，構(gòu)建極化電阻、極化電容與頻率的函數(shù)關(guān)系，并擬合得到函數(shù)未知系數(shù);所述函數(shù)未 知系數(shù)為待擬合的極化電阻參數(shù)或極化電容參數(shù)；
[0052] S3、根據(jù)步驟S1和步驟S2確定的歐姆電阻和函數(shù)未知系數(shù)，基于鋰離子電池內(nèi)部 的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，構(gòu)建歐姆電阻和函數(shù)未知系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系；
[0053] S4、根據(jù)步驟S1、S2和步驟S3確定的函數(shù)關(guān)系和模型參數(shù)，構(gòu)建出簡化的鋰離子電 池的低溫頻域電-熱模型。該模型在不同的頻率、不同的溫度和不同的電流幅值下進(jìn)行實驗 驗證，精度較高。
[0054]優(yōu)選的，步驟S1中，確定等效電路模型結(jié)構(gòu)并辨識模型參數(shù)的步驟包括：
[0055] S11、從鋰離子電池實際應(yīng)用需求出發(fā)，基于鋰離子電池的EIS數(shù)據(jù)，確定等效電路 模型的結(jié)構(gòu)為含有歐姆電阻、電感、極化電阻和極化電容的一階等效電路模型；
[0056] S12、根據(jù)等效電路模型的結(jié)構(gòu)，從高頻的虛部阻抗數(shù)據(jù)辨識電感參數(shù)，從高頻的 實部阻抗數(shù)據(jù)辨識歐姆電阻參數(shù)；
[0057] S13、根據(jù)等效電路模型的結(jié)構(gòu)，從低頻的虛部阻抗數(shù)據(jù)辨識極化電容參數(shù)，從低 頻的實部阻抗數(shù)據(jù)辨識極化電阻參數(shù)；
[0058] 優(yōu)選的，步驟S12中所述辨識歐姆電阻參數(shù)的步驟包括：
[0059] S121、辨識得到各個溫度下的歐姆電阻；
[0060] S122、根據(jù)鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過分析阻抗與電化學(xué)反應(yīng)速率的 關(guān)系，構(gòu)建歐姆電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系；
[0061 ] S123、構(gòu)建歐姆電阻與溫度的Ar方程，即= xel;其中，Rb為歐姆電阻，bi為比 例系數(shù)，Eib為活化能，R為氣體常數(shù)，T為電池溫度。
[0062]優(yōu)選的，步驟S2中，構(gòu)建極化電阻、極化電容與頻率的函數(shù)關(guān)系的步驟包括；
[0063] S21、根據(jù)辨識的極化電阻和極化電容，分析極化電阻和極化電容與頻率的函數(shù)關(guān) 系；
[0064] S22、構(gòu)建極化阻抗（包括極化電阻和極化電容）與頻率的FD方程，即
[0065] S23、考慮實際應(yīng)用的簡化需求，將ro方程簡化夕
[0066] Z p為極化電阻或極化電容，f為頻率，α、β、ε為待擬合的極化電阻參數(shù)或極化電容 參數(shù)。
[0067] 優(yōu)選的，步驟S23中，分析待擬合的極化電阻或極化電容參數(shù)，其步驟包括：
[0068] S231、根據(jù)歐姆電阻與溫度的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)建極化電阻ro方程中待擬合的極化電 阻參數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系，即
[0069] Rix為極化電阻參數(shù)，bix為比例系數(shù)，Ε?χ為活化能，R為氣體常數(shù)，T為電池溫度;X為 FD方程中待擬合