基于等效电路-简化电化学模型的锂离子电池模拟和仿真

摘要

锂离子动力电池由于具有高能量密度、高功率密度、循环周期较长及记忆效应较小等优势，近年来在电动汽车领域得到越来越多的应用。但是，在实际应用中锂离子电池仍面临一系列挑战，比如外界环境温度的剧烈变化、充放电过程中的过充过放操作、大倍率充电造成的加速老化等。因此，为了保障电池系统始终在高效、安全、长寿的区间工作，有必要开发更先进的电池管理系统。作为电池管理系统的核心技术之一，电池模型的精确度与实时性就成为了一项重要的研究内容。
　　本文综合分析了现有等效电路模型和电化学模型的优缺点，然后对上述两种模型在时域和频域进行研究。全文从外特性和内部电化学机理特性对电池系统进行建模分析，研究工作主要包括以下五部分：
　　(I)等效电路模型参数辨识及影响因素分析。
　　首先，进行模型离散化及模型特性分析，主要包括模型误差分析、稳定性分析、测量不确定性时干扰分析以及参数灵敏度分析等。通过以上分析，可增进对模型参数辨识问题的深入理解，并能够评估采样时间以及电流/电压传感器测量精度等因素对模型参数辨识精度的影响情况。然后，通过仿真分析了温度效应、电流/电压采样精度效应和采样时间效应对参数辨识的影响。最后，针对给定的参数辨识和SOC估计精度要求，提出在测量环节中电流/电压传感器精度以及采样时间的选取建议。
　　(II)荷电状态估计及影响因素分析。
　　本章节主要思路是通过递归最小二乘法实时辨识模型参数，然后利用自适应卡尔曼滤波算法进行荷电状态值SOC估计。该联合算法可实时更新模型参数，提高模型在不同场景的适应性。最后，通过仿真验证了：a)模型阶次、b)初始 SOC设定值、c)过程噪声及测量噪声、d)EKF和AEKF算法、e)电流传感器精度、f)电压传感器精度以及g)采样时间效应等因素对SOC估计精度的影响。
　　(III)基于修正边界条件的简化电化学模型传递函数推导。
　　伪二维电化学模型能够描述电池内部的电化学动力学过程，有利于提高对电池系统的深入认识。该模型主要缺点是计算量相对复杂，严重制约其在实时模拟和控制问题中的应用。本文通过修正电化学模型中电解液相浓度扩散方程的边界条件，大大降低了模型的分析求解难度，从而得到电解液相锂离子浓度、电解液相锂离子电位势与电流密度传递函数的解析结果。进一步利用Pade逼近方法得到具有分子-分母型传递函数的简化电化学模型，使其计算复杂度大大降低，具备实时应用的潜力。最后，对简化电化学模型与传统电化学模型进行了模型精度对比，验证了简化电化学模型的有效性。
　　(IV)简化电化学模型阻抗分析和参数灵敏度分析。
　　本章节主要讨论短时动态阻抗模型及电化学全阻抗模型特性。关于短时动态阻抗模型，分析了以下电化学参数的影响，比如等效电导率k_eff、电解液相浓度扩散系数De和交换电流密度常数i0等；关于电化学全阻抗模型，重点分析了负极固相扩散系数Ds_neg和正极固相扩散系数Ds_pos对阻抗谱变化趋势的影响。简化电化学阻抗模型的参数灵敏度分析结果，为简化模型的时域参数辨识及频域阻抗谱估计工作提供了研究基础。
　　(V)简化电化学模型的实时验证及与等效电路模型的参数关系。
　　目前，两种主流电池模型(等效电路模型和电化学模型)的建模技术是相互独立的，且上述两种模型具有各自优缺点。本文所建立的简化电化学模型能够兼顾电化学模型和等效电路模型的双重优势。然后，基于dspace平台的DS1401/1512/1517硬件在环仿真设备，对所提出的简化电化学模型进行实时验证，证明该模型具有精度较高、电化学意义更丰富且具备实时应用的能力。同时，建立了该简化电化学模型与等效电路模型之间参数传递对应关系，为两种模型之间更深入的技术融合提供相关理论基础。另外，所建立的两种模型间参数传递关系也为电化学模型部分参数估计提供一种新的技术实现方法。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2电池管理系统的研究现状

1.3锂离子电池等效电路-电化学建模研究现状

1.4本文研究内容

第二章 等效电路模型参数辨识及影响因素分析

2.1参数辨识技术难点分析

2.2模型推导及离散化

2.3模型特性分析

2.4模型参数辨识仿真

2.5电池测量环节选型建议

2.6本章小结

第三章 荷电状态估计及影响因素分析

3.1引言

3.2状态参数联合估计算法

3.3联合估计算法实施

3.4仿真结果分析与讨论

3.5本章小结

第四章 伪二维电化学模型的阻抗简化

4.1引言

4.2锂离子电池反应机理介绍

4.3伪二维模型(P2D)简介

4.4基于Pade逼近的P2D模型简化及验证

4.5简化P2D模型的阻抗传递函数表达

4.6本章小结

第五章 简化电化学阻抗模型的参数灵敏度分析

5.1引言

5.2短时动态阻抗模型

5.3电化学全阻抗模型

5.4全阻抗模型时域参数灵敏度分析

5.5本章小结

第六章 简化电化学模型的实时仿真平台验证

6.1实时仿真技术简介

6.2基于实验数据的电化学模型参数辨识

6.3不同倍率充放电实验验证

6.4简化电化学模型的硬件在环系统搭建

6.5简化电化学模型与等效电路模型性能对比

6.6本章小结

第七章 总结与展望

7.1全文总结

7.2创新点

7.3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已完成的论文和专利

参与的科研项目与获得的奖励