基于改进单粒子模型的锂离子电池参数获取与老化分析

发布时间：2017-08-03 03:04

  本文关键词：基于改进单粒子模型的锂离子电池参数获取与老化分析

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【摘要】：锂离子电池由于自身性能的优点得到了越来越广泛的应用。现有电池管理系统在提高电池“安全性、可靠性、经济性”方面仍然存在很多问题。锂离子电池电化学模型是基于电池内部物理化学过程建立的,能够适应较大范围的使用工况变化,仿真精度较高,且模型参数具有明确的物理意义,其演化规律能够反映电池的健康状态。本文对单粒子模型进行改进,简化模型参数,研究了模型参数的获取方法,开展老化实验并对模型参数和电池内部过程的老化规律进行了系统分析。首先,在单粒子模型基础上,引入液相扩散过电势的简化计算方法和固相扩散三参数近似解,丰富了欧姆极化过程。在此基础上增加了对电池热行为的描述,使建立的模型仿真精度提高,并且能够实现电池温度的仿真预测。之后,针对模型参数过多、不易获取的问题,进行参数简化融合,简化后的参数保留了清晰的物理意义,最终得到了拥有12个参数的改进单粒子模型。其次,提出了一种基于激励响应分析的参数获取方法。该方法是在深入研究电池内部物理化学过程以及模型特点的基础上,设计不同充放电形式,将各部分过电势进行分解,再以省时、准确为原则合并成一组动态工况,取电压特性中关键的电压段或电压跃变点,通过分解各部分过电势反推模型电压相关参数;取温度曲线中若干搁置段自降温曲线,计算得到温度相关参数。通过实验验证可知,该方法获取的参数能准确的对电池的端电压和温度外特性进行仿真。最后,基于改进单粒子模型并结合参数获取方法进行锂离子电池老化研究。设置环境温度和工作倍率两个影响老化的因素,用模糊聚类的方法筛选一致性较好的电池进行老化实验。获取不同老化阶段的模型参数和电池放电容量等数据,利用最小二乘法建立老化模型,并进行老化机理分析。通过方差分析结合F检验的方法,获得了环境温度、充放电倍率和两者的交互因素对各参数的影响程度。最后对不同老化模式下的端电压进行分解,得到了老化过程中过电势变化情况以及对端电压的影响,结合老化机理对其变化原因进行分析。论文研究为锂离子电池电化学模型在电池管理系统中的应用奠定了基础,为进一步的研究工作指明了方向。
【关键词】：锂离子电池 单粒子模型 参数获取 老化模型 老化机理分析
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM912
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题的背景及研究意义9-10
• 1.2 锂离子电池性能仿真模型研究现状10-12
• 1.2.1 锂离子电池模型分类10-11
• 1.2.2 锂离子电池电化学模型简化11-12
• 1.3 锂离子电池参数获取研究现状12-13
• 1.4 锂离子电池老化模型及机理研究现状13-14
• 1.5 本课题主要研究内容14-16
• 第2章 锂离子电池改进单粒子模型及参数化简16-30
• 2.1 单粒子模型16-19
• 2.2 单粒子模型的改进19-25
• 2.2.1 固相扩散三参数近似解19-20
• 2.2.2 液相扩散的简化计算20-22
• 2.2.3 欧姆极化作用22
• 2.2.4 端电压仿真验证22-24
• 2.2.5 电池热行为描述24-25
• 2.3 改进单粒子模型参数简化25-29
• 2.3.1 基本工作过程相关参数的简化25-26
• 2.3.2 固相扩散相关参数的简化26-27
• 2.3.3 液相扩散相关参数的简化27
• 2.3.4 反应极化相关参数的简化27-28
• 2.3.5 欧姆极化相关参数的简化28-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 锂离子电池参数获取方法与验证30-47
• 3.1 改进单粒子模型的参数获取方法31-36
• 3.1.1 基本过程参数的获取31-32
• 3.1.2 固相扩散时间常数与液相扩散系数的获取32-34
• 3.1.3 反应极化系数的获取34-35
• 3.1.4 液相扩散时间常数的获取35-36
• 3.1.5比热容与对流换热系数的获取36
• 3.2 改进单粒子模型参数获取工况设计36-39
• 3.3 改进单粒子模型参数获取方法验证39-46
• 3.3.1 虚拟合成数据验证39-42
• 3.3.2 实际电池端电压验证42-45
• 3.3.3 实际电池温度验证45-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第4章 锂离子电池老化因素分析47-71
• 4.1 锂离子电池老化实验设计48-51
• 4.1.1 老化实验方案48
• 4.1.2 实验电池筛选48-51
• 4.2 锂离子电池老化实验初步结果51-54
• 4.2.1 锂离子电池充放电曲线老化规律51-53
• 4.2.2 锂离子电池放电容量和内阻的老化规律53-54
• 4.3 锂离子电池老化模型和老化分析54-70
• 4.3.1 锂离子电池参数老化模型及机理分析54-64
• 4.3.2 不同老化因素对老化程度的影响64-66
• 4.3.3 各部分过电势老化分析66-70
• 4.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 攻读学位期间发表的学术论文77-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 王松蕊;卢立丽;刘兴江;;锂离子电池放电过程的模拟研究[J];电源技术;2011年06期

2 刘大同;周建宝;郭力萌;彭宇;;锂离子电池健康评估和寿命预测综述[J];仪器仪表学报;2015年01期

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本文编号：612336