基于电化学机理的车用锂电池电气建模与参数辨识

摘要

锂离子电池是电动汽车最常用的动力电池种类，它具有高能量密度和高功率密度，可以充分保证车辆行驶过程中的续航里程和安全性能。对电池性能的研究包括模型的建立和模型参数的获得，如今使用最多的建模方法包括等效电路模型和电化学模型。等效电路模型是基于电池内部反应的电路模型，由电阻、电容的特性类比电池内部扩散、极化等现象带来的变化，参数通过最小二乘法及其改进算法进行辨识。电化学机理模型基于伪二维模型提出的偏微分方程，通过对偏微分方程的推导、求解获得电池端电压特性表达式。等效电路模型结构简单、参数数量少，但时变性差、在复杂道路行驶工况下的特性估测不准确；电化学模型充分考虑电池微观机理结构、精确性能好，但电化学参数众多、辨识困难。分别使用这两种建模方法无法同时满足降低计算复杂度和提高估测精度的要求。
　　本文综合考虑等效电路模型和电化学模型的优缺点，提出了一种通过电化学机理参数辨识等效电路电气参数的新方法，这种辨识方法提高了等效电路模型预测电池特性的精度，也可提高电池荷电状态（SOC）的估算精度。本文在以下几方面的工作中取得了进展。
　　对电池微观粒子变化情况进行分析，获得表征电池特性参数关系的伪二维模型，通过对基本偏微分方程的处理，得到电池端电压由正负电极开路电压、正负极过电势、电解液电势和内阻压降几部分组成，经过拉普拉斯变换、帕德逼近、拉普拉斯反变换、积分变换等数学方法，最终获得端电压传递函数形式的统一化表达式。
　　根据精度和计算时间的要求，对宏观描述电池扩散、极化等现象的等效电路模型的结构进行确定，电气参数通过离线和在线不同的方法进行辨识。等效电路模型的精度由模型参数的辨识精度决定，模型的阶数越高、精度则越高，同时计算过程越复杂。
　　综合等效电路模型和电化学模型的优缺点，将其进行结合，通过建立电化学参数和等效电路电气参数的数量关系，对电气参数进行更精确的辨识，这更有利于对荷电状态（SOC）估算的精度提高。
　　最后，通过建立Simulink仿真模型，与COMSOL机理模型库中的仿真数据、电池实测数据的对比，以及以dSPACE为媒介的硬件在环系统下的实时验证过程证明本文提出模型的实用性和精确性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2锂电池研究现状

1.3锂离子电池建模方法

1.4电池荷电状态SOC估算方法

1.5研究目标和研究内容

1.6本章小结

第二章 基于偏微分方程的锂离子电池性能分析

2.1引言

2.2基本偏微分方程

2.3单粒子模型

2.4端电压统一化表达式的建立

2.5本章小结

第三章 基于Thevenin模型的等效电路建模

3.1引言

3.2等效电路模型的建立

3.3模型的参数辨识

3.4本章小结

第四章 基于电化学机理的等效电路参数辨识

4.1引言

4.2电化学模型与等效电路模型的参数对应关系

4.3电化学参数敏感度分析

4.4本章小结

第五章 仿真与实验验证

5.1引言

5.2仿真验证

5.3模型实验验证

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果