基于分数阶理论的锂离子动力电池建模研究

发布时间：2020-11-04 02:21

　　 目前,锂离子动力电池以其能量密度高,功率密度高,自放电率低等优势,在电动交通领域发挥着越来越重要的作用。由于电池应用技术开发过程中实物调试成本高、耗时,应用中电池内部状态不易直接测量,因此,电池建模成为动力系统仿真,电池状态参数估计和热性能分析的重要手段。鉴于模型物理意义和复杂程度的综合考虑,等效电路模型成为工程应用的主流方法;其中,分数阶等效模型由于能够模拟类电容和类电感特性而逐渐成为研究热点。本文针对电池建模现状进行了综述,建立了分数阶等效电路模型,并在时域和频域与整数阶模型进行了对比分析。交流阻抗测试可以获得丰富的电极动力学信息,是电池研发和性能检测的重要手段,得到的阻抗谱复数平面图可以详细地描述全频段内电池的电化学行为。依据阻抗谱表现出的容抗弧,选取了常相位元件(CPE)与电阻的并联环节,模拟电池双电层电容的弥散效应和电荷转移过程;针对阻抗谱中出现的低频区斜线,选取了分数阶元件瓦尔堡(Warburg)阻抗表征锂离子的传质过程。文章详述了分数阶模型的演化过程,基于电池内部物理化学机理构建了分数阶等效电路模型,以准确描述电池动态行为;推导了电池分数阶模型的频域表达式.并根据分数阶微分理论推导了模型时域数值解。基于电池分数阶模型,从理论上揭示了时域下1s内阻的结构化组成关系。即时域1s内阻不仅包含欧姆内阻,而且包括部分电荷转移阻抗、部分钝化膜阻抗和部分扩散阻抗;推导了时域阻抗和频域阻抗的近似等效关系,即时域1s内阻近似等于0.159Hz的频域阻抗,而不是接近1Hz或0.5Hz的频域阻抗。然后,提出了分数阶模型参数的频域辨识方法,运用粒子群和差分进化融合算法,以阻抗的相位和模值误差最小为目标对模型参数进行辨识。分析了不同荷电状态,不同温度下的参数变化规律。实验验证发现分数阶模型能够更准确地模拟电池频域特性,与整数阶模型相比,分数阶模型能以更少的元件得到更高的精度。针对现有的阻抗测试存在测试时间长、需要特殊设备等问题,提出了易于在工程实现的电化学阻抗谱测试方法。最后,在时域,用不同频率的电流电压数据,对由交流阻抗数据辨识得到的频域模型进行了验证,模型输出电压误差较小,对不同频率、不同幅值的工况具有较好的适用性。根据电池内部电化学反应的时间常数,在长时间尺度下简化分数阶模型结构得到RQ模型,建立了适用于时域的分数阶等效电路模型,使用混合多粒子群优化基于恒流脉冲数据对模型参数进行辨识,得到了单体电池和电池组的模型参数,相较于一阶RC模型,分数阶RQ模型的精度较高;辨识得到的模型参数在DST和FUDS动态工况下进行了验证,分数阶RQ模型均表现出更高的精度,即分数阶模型能够更加准确地描述电池动态特性。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM912
【部分图文】：

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北京交通大学硕士学位论文上交替发生。即使测量时间较长，也不会出现极化累积法”。??电化学系统的电流和电势之间是动力学规律决定的非线的正弦波电势信号时，电势和电流之间可近似看作呈线和电极测试过程中电池处于准稳态，测量结果的数学，要求电极系统只对输入的扰动信号响应，在测试过程制，比如保持恒定的温度。如果测试满足了上述的三个极系统的电化学阻抗谱。如下图２－１为一种常见阻抗谱右为激励频率减小方向，横轴表示阻抗实部，纵轴为阻由中高频圆弧，低频区斜线组成，曲线与实轴的交点认

贩应式：ＬｉＦｅＰ０４?＋?Ｃ６?ｏ?Ｌｉ＇＿ｘＦｅＰ０４?＋?ＬｉｘＣ６??锂离子在电池电极不断嵌入和脱出的过程，主要经历了三个动力学步骤：钝化??膜迁移，电荷转移和扩散过程，如图２－２为电化学反应的基本构成。??双电＾电容ｃａ?内阻ｈ??ａ?？?０?＾??Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?法拉第阻抗?Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ??图２－２基本的电化学反应??Ｆｉｇ．?２－２?Ｂａｓｉｃ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｒｅａｃｔｉｏｎ??可将图２－２中对应的三个反应抽象为三种电学元件：电阻Ｒ〇，双电层电容Ｃｄ，??法拉第阻抗Ｚｆ；?Ｒｎ代表电解液和电极的内阻，Ｃｄ源自电解液中的非活性离子，正??负电荷在电解液／电极界面积累形成双电层电容，无化学反应发生，仅改变电荷分??布，Ｚｆ代表电解液中的活性离子，有氧化还原反应发生，有电荷转移。其中，法拉??第过程可以进一步分成两个过程：电荷转移（ｃｈａｒｇｅ?ｔｒａｎｓｆｅｒ）和物质转移（ｍａｓｓ??ｔｒａｎｓｆｅｒ）即扩散过程。钝化膜的形成一般在液态锂离子电池的首次充放电过程中，??电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化??层。这种钝化层具有固体电解质的特征，是电子绝缘体却是Ｌｉ＋的优良导体，Ｌｉ＋可??以经过该钝化层自由地嵌入和脱出
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本文编号：2869463