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基于改进单粒子模型的锂离子电池参数获取与老化分析

郑君  
【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。


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