
锂离子电池各方面的优良性能,使之成为混合动力车、电动汽车、卫星、远距离行星探测器等的关键储能部件。电池监测与管理问题是其使用的关键问题,主要包括电池健康状态SOH、荷电状态SOC的估计,电池组的一致性评价与均衡,电池性能的实时计算与控制等问题。实现高效电池管理的关键在于对电池行为的准确把握,即电池模型的研究。
总体来看,电池模型有等效电路模型和基于多孔电极理论的机理模型两大类。等效电路模型简便、易用,但由于电动车应用中电池充放电行为的复杂性,等效电路模型已经不能满足电池动态行为准确描述的要求。锂离子电池电化学模型主要应用于电池设计中,特别是基于多孔电极和浓溶液理论的伪二维模型 (Pseudo 2 Dimensional Model, P2D),从物理化学第一原理角度对锂离子的微观行为进行数学描述,具有很好的准确性。M. Doyle等人提出的P2D模型为锂离子电池机理建模的发展奠定了基础并产生了深远的影响。目前的发展趋势是将电池设计领域中应用的较复杂的电化学机理模型应用于电池管理中。
为寻求满足应用的简化电化学模型,现有研究采取了以下方案。
从模型精度、描述电池内部过程的全面性角度讲,电化学模型具有无可比拟的优越性。为实现电化学模型在电池管理系统中的应用,还需要对其进行简化处理,忽略次要过程,只保留关键过程的描述。准确估计电池性能也离不开对电池热行为的描述,包括产热率、热交换和热传导。在电化学模型的基础上,有必要考虑当前温度对电池内部各个物理化学过程的影响。
本文建模方法及结果
本文进行电化学-热耦合建模的研究思路为:借助已有的比较成熟的电化学模型,在其基础上用集总参数分析方法计算产热、热扩散等,通过计算电池内部和表面温度,来增加温度对电化学过程的影响,使整个简化模型涵盖电池内部主要过程。为了使得简化模型可用于电池管理系统,对模型中的参数进行组合和约简处理,在模型精度、计算效率和参数可辨识性方面达到整体最优。单粒子模型相较于原始P2D模型来说,形式相对简单,但缺少对液相扩散过程的描述,使得其在大倍率放电的情况出现较大的偏差。为了在一定程度上表征液相扩散带来的影响,在假设极片厚度方向上各个位置反应情况均匀的情况下,结合液相锂离子浓度分布近似解,可以得到一种简化电化学模型。简化模型及参数分别如表1、2所示。
充放电验证
两个温度下,不同倍率充放电实测和本模型仿真端电压和外壳温度对比,如图1和2所示。
从误差结果和仿真曲线来看,对于连续充放电的情况,当1.5C放电时,电池表面温度仿真误差较大,在搁置时间段内,表面温度没有完全回到室温,导致了接下来充电时,表面温度存在较大误差。由于能量方程中未考虑热传导项,大倍率放电时,电池内部发热明显,这种简化计算带来的误差就相对大一些。对于仿真电压来说,最大误差出现的位置在搁置阶段,由于模型中并没有对反应不均匀度的计算,所以在电压恢复的过程中,误差就相对大一些,使得电压整体平均误差相对较大。
对于动态负载电流工况,最大局部温度出现的位置,仿真较实测来说,发生了一定的偏移,这是由于电池正负极材料的熵系数导致的。动态过程电压的仿真计算比较精确。
综上,实验结果证明本文建立的锂离子电池模型在不同倍率、动态工况下与真实电池的充放电行为基本吻合,且模型简单,方便用于进行高效电池管理系统,具有较高应用价值。
引文信息:Li J, Wang L, Lyu C, et al. New method for parameter estimation of an electrochemical-thermal coupling model for LiCoO2
battery.Journal of Power Sources, 2016, 307: 220-230.
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