车用锂电池电化学建模、估计与老化研究
发布时间：2021-10-31 19:33
近年来随着电动汽车的发展,锂离子电池凭借其自身相较于其他储能电池的优势,在该领域的应用越来越广泛。但同时,锂电池的广泛应用也使得人们对电池管理系统的精度要求越来越高。电池模型精度、荷电状态的估计以及电池老化对于电池的影响等问题越来越受到人们的重视。为了实现电池管理系统高效、安全地管理电池单元,就必须要深入研究电池模型的精确度以及老化对电池的影响。本文从锂电池内部电化学反应机理出发,通过对偏微分控制方程的求解与简化,获得了锂离子电池电化学传递函数模型,并将电化学模型与等效电路模型结合,建立了基于电化学机理的等效电路模型。基于该模型,通过递推最小二乘法和扩展卡尔曼滤波算法实现了参数的辨识以及电池荷电状态的估计。另一方面,为了研究电池老化对电池的影响,本文从电池负极副反应出发,通过副反应电流密度搭建了电池的老化模型。通过电池老化循环实验测试电池的容量衰减与循环寿命之间的关系。对老化后的电池进行拆解,利用SEM、TEM和XPS等分析测试实验观察和分析电池内部负极的微观形貌以及沉积物的成分。本文所建立的基于电化学机理的等效电路模型,将电化学模型与等效电路模型联系起来,为电化学模型的应用提供了可能...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池常见等效电路模型结构图
上海交通大学硕士学位论文-9-第二章锂电池电化学模型分析2.1锂电池内部结构及反应机理锂离子电池因具有高能量密度、高电压以及较长的使用寿命，目前在全球的市场份额越来越大。图2-1是锂离子电池单体的内部结构示意图，主要包括五部分，分别是负极集流体（铜）、电池负极、电池隔膜、电池正极和正极集流体（铝）。其中，嵌入锂离子的石墨（LixC）和锂的金属氧化物（LiMO2）[式中M表示金属，如Co等]1分别是电池负极和电池正极的活性材料。另外，正负极活性材料与集流体相连，通常负极集流体为铜，正极集流体为铝。在电池负极与电池正极之间是起到电气隔离的微孔聚合物隔膜。电解液充满整个电池区域，从而使得锂离子能够在电池进行充放电时在负极和正极之间发生扩散和转移等过程。图2-1锂离子电池内部结构示意图Fig.2-1Innerstructureoflithiumbattery锂离子电池在进行充放电时，其内部正负极上的活性物质会发生相应的氧化还原反应，从而使得锂离子发生脱出和嵌入，并经过电解液和隔膜发生转移过程。锂离子在电池充放电时的离子反应方程式如下[30]：1-x22LiCoOxLixeLiCoO放电充电正极(2-1)xLiCCxLixe放电充电负极(2-2)以上电池反应离子方程式中x为该反应过程中转移的电子数，且该反应所产生的理论电压约为4.1V，这也是为什么锂离子电池电压高于铅酸电池和镍氢电池
第三章基于电化学机理的传递函数模型建立与验证20的矛盾。在实际应用过程中，Pade逼近法在低频状态下的逼近结果与PDE解析解之间基本吻合，同时所需要的逼近阶数也不高，对于工程应用的计算完全可以满足，而造成的误差也在允许范围之内。图3-1PDE与不同阶次Pade逼近结果伯德图Fig.3-1BodediagramofPDEandPadeapproximationresultsofvariousorder3.2电极过电势锂离子电池正负电极与电解液接触部位由于电化学反应将产生一定的过电压，该反应过程可以通过Bulter-Volmer方程进行描述：0,exp,exp,LiacFFjxtixtxtRTRT(3-13)式中a和c分别是阳极和阴极的传递系数，其数值为0.5。通过对式(3-13)的反向求解，可以得到电池过电压与电化学反应速率之间的数学关系如下：102,,sinh2LiRTjxtxtFi(3-14)将Bulter-Volmer方程右端的指数函数在零点处进行一阶泰勒展开，并进行Laplace变换可以得到以下关系：
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国电动汽车产业关键技术现状发展研究[J]. 郭向伟,康龙云,张崇超. 电源技术. 2018(06)
[2]“十三五”我国纯电动汽车战略规划分析[J]. 于保军,于文函,孙伦杰,司苏美. 汽车工业研究. 2018(02)
[3]锂离子电池简化电化学模型:浓度分布估计[J]. 袁世斐,吴红杰,殷承良. 浙江大学学报(工学版). 2017(03)
[4]纯电动汽车电池管理系统九大功能[J]. 卜凡涛,刘木林. 汽车电器. 2016(01)
[5]电动汽车用动力电池发展综述[J]. 丁玲. 电源技术. 2015(07)
[6]电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 宋永华,阳岳希,胡泽春. 电网技术. 2011(04)
本文编号：3468725
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂电池常见等效电路模型结构图
上海交通大学硕士学位论文-9-第二章锂电池电化学模型分析2.1锂电池内部结构及反应机理锂离子电池因具有高能量密度、高电压以及较长的使用寿命，目前在全球的市场份额越来越大。图2-1是锂离子电池单体的内部结构示意图，主要包括五部分，分别是负极集流体（铜）、电池负极、电池隔膜、电池正极和正极集流体（铝）。其中，嵌入锂离子的石墨（LixC）和锂的金属氧化物（LiMO2）[式中M表示金属，如Co等]1分别是电池负极和电池正极的活性材料。另外，正负极活性材料与集流体相连，通常负极集流体为铜，正极集流体为铝。在电池负极与电池正极之间是起到电气隔离的微孔聚合物隔膜。电解液充满整个电池区域，从而使得锂离子能够在电池进行充放电时在负极和正极之间发生扩散和转移等过程。图2-1锂离子电池内部结构示意图Fig.2-1Innerstructureoflithiumbattery锂离子电池在进行充放电时，其内部正负极上的活性物质会发生相应的氧化还原反应，从而使得锂离子发生脱出和嵌入，并经过电解液和隔膜发生转移过程。锂离子在电池充放电时的离子反应方程式如下[30]：1-x22LiCoOxLixeLiCoO放电充电正极(2-1)xLiCCxLixe放电充电负极(2-2)以上电池反应离子方程式中x为该反应过程中转移的电子数，且该反应所产生的理论电压约为4.1V，这也是为什么锂离子电池电压高于铅酸电池和镍氢电池
第三章基于电化学机理的传递函数模型建立与验证20的矛盾。在实际应用过程中，Pade逼近法在低频状态下的逼近结果与PDE解析解之间基本吻合，同时所需要的逼近阶数也不高，对于工程应用的计算完全可以满足，而造成的误差也在允许范围之内。图3-1PDE与不同阶次Pade逼近结果伯德图Fig.3-1BodediagramofPDEandPadeapproximationresultsofvariousorder3.2电极过电势锂离子电池正负电极与电解液接触部位由于电化学反应将产生一定的过电压，该反应过程可以通过Bulter-Volmer方程进行描述：0,exp,exp,LiacFFjxtixtxtRTRT(3-13)式中a和c分别是阳极和阴极的传递系数，其数值为0.5。通过对式(3-13)的反向求解，可以得到电池过电压与电化学反应速率之间的数学关系如下：102,,sinh2LiRTjxtxtFi(3-14)将Bulter-Volmer方程右端的指数函数在零点处进行一阶泰勒展开，并进行Laplace变换可以得到以下关系：
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国电动汽车产业关键技术现状发展研究[J]. 郭向伟,康龙云,张崇超. 电源技术. 2018(06)
[2]“十三五”我国纯电动汽车战略规划分析[J]. 于保军,于文函,孙伦杰,司苏美. 汽车工业研究. 2018(02)
[3]锂离子电池简化电化学模型:浓度分布估计[J]. 袁世斐,吴红杰,殷承良. 浙江大学学报(工学版). 2017(03)
[4]纯电动汽车电池管理系统九大功能[J]. 卜凡涛,刘木林. 汽车电器. 2016(01)
[5]电动汽车用动力电池发展综述[J]. 丁玲. 电源技术. 2015(07)
[6]电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 宋永华,阳岳希,胡泽春. 电网技术. 2011(04)
本文编号：3468725
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