面向SOC估计的锂离子电池电化学—热耦合建模

发布时间：2020-06-08 11:36

【摘要】：随着能源危机的深化,以及污染问题的日趋严重,电动汽车因其高节能、高效率等优点成为了汽车工业的新星,而动力电池是发展新能源汽车的关键。在电动汽车动力电池管理系统中,电池荷电状态和健康状态等状态量的估计、电池寿命的预测等都需要精确的电池模型。另一方面,在电池管理系统硬件环境中应用的电池模型需要保证较好的计算效率。所以,同时保证较高的精确度和计算效率的机理模型就是必不可少的。本文首先搭建了锂离子电池简化一维模型,进而考虑了温度因素,搭建了电化学-热耦合模型,并从应用角度出发,设计了基于耦合模型的SOC估计方法。主要研究内容如下:首先搭建了精确度与计算效率都比较高的简化一维模型。分析了锂离子电池的工作机理,介绍了电池常用的电化学模型——准二维模型,并分析了准二维模型在应用时的两个数值问题:两个维度导致的状态量过多,和双曲正弦非线性导致的计算复杂度高。进而,本文针对准二维模型存在的两个问题,首先对准二维模型进行降维,搭建了一维模型,并进一步使用Padé近似进行简化,最后提出了简化的一维模型。然后,采用J.Newman基于准二维模型编写的Fortran程序,验证了所搭建的模型的精确性,也分析了产生误差的原因,即对液相锂离子浓度变化的忽略以及参数误差。进而,由于在较高倍率充放电时,温度因素不可忽略不计。为了提高模型的精确性与适用范围,在所搭建的简化的一维模型基础上,考虑温度的影响,搭建了电化学-热耦合模型。首先分析了电池的生热原理与电池的热交换原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程与牛顿冷却原理的电池的集中质量热模型,然后引入服从Arrhenius方程关系的电池内部参数变化,搭建了锂离子电池电化学-热耦合模型。最后,使用考虑温度的准二维模型作为基准值,分别从端电压和温度两方面验证了所搭建的电化学-热耦合模型的精度。最后将电化学-热耦合模型应用于SOC估计中。首先分析了电化学-热耦合模型的特性,进而对基于耦合模型的估计问题进行分析,设计了基于电化学-热耦合模型的自适应SOC观测器,进而对各个估计量的渐进收敛性进行了Lyapunov分析,然后给出选择观测器增益的一般方法。最后,利用Fortran程序输出的SOC值作为参考,在恒流工况下对所设计的自适应观测器进行验证,估计器有较高的估计精度,验证了所搭建的电化学-热耦合模型可以有效地应用于SOC的估计中。本文的主要贡献为:第一,解决了准二维模型的两个数值问题,提出了精确、计算效率高的简化的一维模型。第二,在简化一维模型的基础上,考虑了温度因素,搭建了电化学-热耦合模型。第三,将电化学-热耦合模型应用于SOC自适应估计器的设计中。
【图文】：

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子电池由于其高能量密度而占据更大的市场份额，这使得它们对应用(例如 HEV)具有吸引力。它们具有较长的循环寿命(> 500 次循月<10％)。高昂的初始成本限制了它们在价格敏感的应用中的使规模经济有望在未来降低锂离子电池的成本。1 为锂离子电池的示意图。其中 M 代表金属如 Co 的锂金属氧化物(LixC)分别是正极和负极中的活性材料。正极中的金属是一种过渡性材料与电池两端的金属箔集流器相连，并通过微孔聚合物隔膜。液体或凝胶聚合物电解质使锂离子(Li +)在正极和负极之间扩散程插入或脱离活性材料。统工程角度来看，电池是多输入多输出系统。主要输入电流由供主要输出是电池电压。其他输出包括温度，单个电池或电池电的离子浓度分布。系统工程师需要使用标准(例如，状态变量和传元，，电池和封装模型，这些模型可用于预测，估计和控制这些输出

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吉林大学硕士学位论文32图3.2 电池内阻脉冲充放电测量方法示意图20 25 30 35 401415161717.5温度（ C）阻（内mΩ）图 3.3 锂电池内阻随温度变化曲线3.3.2 电化学-热耦合模型的验证本节将所搭建的电化学-热耦合模型与考虑温度的准二维模型进行对比。同样使用Matlab/Simulink 与 Fortran 程序进行仿真，对锂离子电池的充放电行为特性进行分析。在 Matlab/Simulink 中搭建的电化学-热耦合模型如图 3.4 所示。首先在不同工况下对比所搭建模型与参考值的输出端电压。图 3.5、图 3.6 与图 3.7是在不同工况，25A m 、210 A m 与215A m 的放电电流密度下，分别取 30 个采样点，比较搭建模型与参考模型的端电压。与一维模型类似，可以看出，电化学-热耦合模型同样随着放电电流的变大，误差也逐渐增大。但是电化学-热耦合模型的误差要小于一维模型，可以更好地跟随参考值。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U469.72;TM912

【参考文献】