锂离子电池低温特性研究

【摘要】：当今社会能源形势不容乐观,生活中的各个领域倡导新能源发展,在新能源开发过程中,新能源电池被广泛应用于人类日常生活中。其中,锂离子电池具有很高的发展潜力,在世界范围内的二次电池领域占有很高的市场份额。但低温下锂离子电池的能量和功率降低对其在较宽温度范围内的应用具有挑战性。军用级电池期待在-40℃的环境下工作,飞机和高空侦察机期待工作在-60℃的环境下,特定的任务应用要求在更极端的情况下储存能量,这样的低温区域加速了电池退化和提高了灾难性故障的可能性。以上说明研究锂离子电池低温特性具有重要的意义。本文分别以电池的外特性和内特性为出发点展开研究。为研究电池外特性,分别对电池的容量衰减因素与内阻特性展开讨论,使用MATLAB仿真软件拟合锂离子电池在低温存储循环充放电状态下的容量衰减与内阻变化曲线。另一方面,锂离子电池系统是典型的非线性系统,适用于非线性系统的ARX模型不需要考虑电池内部复杂的机理反应,通过单一的输入输出数据并结合数学公式可建立数学模型。因此,本文基于ARX模型建立锂离子电池等效模型,首先通过公式推导得出所使用的输入输出数据并对数据进行预处理,通过借助MATLAB工具箱实现这一功能。接着,按照极小化Akaika信息理论指标(AIC)选择模型阶数,并使用最小二乘法估计求解ARX模型系数。建模完成后,选取电池环境温度为-5℃下的实验数据验证模型的有效性,仿真结果表明模型定阶合理,辨识结果可靠。为探索电池内特性,对锂离子电池低温下的EIS特性展开研究。介绍了EIS基本理论、EIS测量过程和理论公式推导,列出常见的几种EIS等效电路模型。通过使用MATLAB软件,拟合四种温度、三种存储状态、总计十二种不同存储条件下的EIS,展开分析锂离子电池EIS随SOC变化特性与EIS随频率变化规律,结合具体的理论分析建立锂离子电池低温下的等效阻抗电路模型并对模型进行修正,使用ZSimp Win模拟软件验证模型的准确性。为进一步分析讨论锂离子电池在不同低温条件下的内部特性参数的增长变化趋势,使用遗传算法进行参数辨识,误差拟合结果表明获取的不同存储状态下的模型参数值都具有较高的精度。这说明可以通过本文建立的电化学阻抗模型,拟合锂离子电池经过超低温循环充放电后的内部特性参数变化曲线,来定性分析电池内部阻力的增长趋势以及电极表面的电荷转移情况。