一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電池低溫模型的構建方法，特別是涉及一種鋰離子電池的低溫頻 域電-熱模型的構建方法。
【背景技術】
[0002] 能源緊缺和環境污染的雙重壓力助推了電動汽車的快速發展，鋰離子電池以單體 電壓高、能量密度高、壽命長、無記憶效應和無污染等優點，成為電動汽車動力驅動的首選 電池。
[0003] 然而，低溫下鋰離子電池由于電解質、導電材料的導電率明顯下降，化學反應動力 學、擴散動力學明顯遲滯緩慢，相比于室溫內阻成十倍地增大，因此，寒冷環境中，鋰離子電 池能量轉換效率嚴重下降，電動汽車的續駛里程和脈沖輸出功率大幅下降。低溫下鋰離子 電池充電非常困難，更嚴重的是，由于副反應導致負極形成鋰金屬沉積(析鋰)而不是鋰離 子嵌入負極。析鋰會加速鋰離子電池衰退，鋰金屬還有可能刺破隔膜引起鋰電池內部短路 造成安全危害，如熱失控。
[0004] 低溫下鋰離子電池性能下降嚴重損害了電動汽車的動力性能、續駛里程和使用壽 命，影響了用戶使用電動汽車時的便利性、經濟性和安全性，極大地限制了電動汽車在寒冷 環境的推廣使用。
[0005] 改善鋰離子電池的低溫運行性能，需要對電池性能進行深入了解，在此基礎上，基 于鋰離子電池的實際應用需求，構建鋰離子電池的等效電路模型，以方便電池管理系統管 理、控制電池及其環境。
[0006] 鋰離子電池在低溫運行時，對外表現的非線性明顯，一般使用復雜的模型來模擬 電池性能;鋰離子電池的頻域運行性能很少被提及，但頻域應用工況是個很重要的領域，如 進行自加熱方法研究、諧波研究、頻域阻抗研究等;低溫下阻抗較大，即使電流很小電池也 會產生大量的熱，構建鋰離子電池的電-熱模型十分必要。因此，建立簡化的鋰離子電池的 低溫頻域電-熱模型具有重要的現實意義。

【發明內容】

[0007] 本發明提供一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法，能夠改善現有技 術中模型復雜、頻域性能未知和溫度對電學參數的影響等問題。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明采用下述技術方案。
[0009] -種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法，該方法包括以下步驟：
[0010] S1、根據EIS(電化學阻抗譜)數據構建等效電路模型，確定等效電路模型的結構， 在高頻和低頻兩個頻率范圍內分別辨識鋰離子電池的模型參數，包括歐姆電阻、電感、極化 電阻和極化電容；
[0011] S2、根據步驟S1確定的極化電阻和極化電容，基于鋰離子電池內部的電化學反應 機理，構建極化電阻、極化電容與頻率的函數關系，并擬合得到函數未知系數;所述函數未 知系數為待擬合的極化電阻參數或極化電容參數；
[0012] S3、根據步驟S1和步驟S2確定的歐姆電阻和函數未知系數，基于鋰離子電池內部 的電化學反應機理，構建歐姆電阻和函數未知系數與溫度的函數關系；
[0013] S4、根據步驟S1、S2和步驟S3確定的函數關系和模型參數，構建出簡化的鋰離子電 池的低溫頻域電-熱模型。該模型在不同的頻率、不同的溫度和不同的電流幅值下進行實驗 驗證，精度較高。
[0014] 優選的，步驟S1中，確定等效電路模型結構并辨識模型參數的步驟包括：
[0015] S11、從鋰離子電池實際應用需求出發，基于鋰離子電池的EIS數據，確定等效電路 模型的結構為含有歐姆電阻、電感、極化電阻和極化電容的一階等效電路模型；
[0016] S12、根據等效電路模型的結構，從高頻的虛部阻抗數據辨識電感參數，從高頻的 實部阻抗數據辨識歐姆電阻參數；
[0017] S13、根據等效電路模型的結構，從低頻的虛部阻抗數據辨識極化電容參數，從低 頻的實部阻抗數據辨識極化電阻參數；
[0018] 優選的，步驟S12中所述辨識歐姆電阻參數的步驟包括：
[0019] S121、辨識得到各個溫度下的歐姆電阻；
[0020] S122、根據鋰離子電池內部電化學反應機理，通過分析阻抗與電化學反應速率的 關系，構建歐姆電阻與溫度的函數關系；
[0021 ] S123、構建歐姆電阻與溫度的Ar方程，即xefe ;其中，Rb為歐姆電阻，h為比 例系數，Eib為活化能，R為氣體常數，T為電池溫度。
[0022]優選的，步驟S2中，構建極化電阻、極化電容與頻率的函數關系的步驟包括：
[0023] S21、根據辨識的極化電阻和極化電容，分析極化電阻和極化電容與頻率的函數關 系；
[0024] S22、構建極化阻抗（包括極化電阻和極化電容）與頻率的FD方程，即
[0025] S23、考慮實際應用的簡化需求，將Π )方程簡化關
[0026 ] Z p為極化電阻或極化電容，f為頻率，α、β、ε為待擬合的極化電阻參數或極化電容 參數。
[0027] 優選的，步驟S23中，分析待擬合的極化電阻或極化電容參數，其步驟包括：
[0028] S231、根據歐姆電阻與溫度的函數關系，構建極化電阻ro方程中待擬合的極化電 阻參數與溫度的函數關系，極化電阻參數與溫度的函數關系為&τ<：0=/7ιιΧ￡Ι^
[0029] Rix為極化電阻參數，bix為比例系數，Ε?χ為活化能，R為氣體常數，Τ為電池溫度;X為 FD方程中待擬合的極化電阻參數(α、β、ε)。
[0030] S232、根據鋰離子電池內部電化學反應機理，通過分析極化阻抗與電化學反應速 率的關系，確定極化電容FD方程中待擬合的極化電容參數與溫度的函數關系；
[0031] S233、構建ro方程中待擬合的極化電容參數與溫度的Ar方程，極化電容參數與溫 度的Ar方程為= ，
[0032] C2x為極化電容參數，b2x為比例系數，E2x為活化能，R為氣體常數，T為電池溫度;x為 FD方程中待擬合的極化電容參數(α、β、ε)。
[0033] 所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法構建了極化電阻、極化電容與 頻率的定量函數關系，即FD方程；
[0034]所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法構建了歐姆電阻和ro方程中待 擬合的極化電阻或極化電容參數與溫度的定量函數關系，即歐姆電阻、Π )方程中待擬合的 極化電阻或極化電容參數與溫度的Ar方程；
[0035] 所述鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法在不同工況下進行實驗驗證， 構建的鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型能夠體現鋰離子電池的頻率、溫度和電流特性； [0036]該模型具有簡單實用、精度高等特點；
[0037]本發明的有益效果：
[0038]本發明所述技術方案具有考慮頻率與溫度影響、模型簡單、可靠實用和模型精度 高等效果;考慮鋰離子電池的頻域特性，構建極化阻抗與頻率的函數關系;考慮鋰離子電池 的溫度特性，構建極化電阻、極化電容與溫度的函數關系；該模型簡單，等效電路模型為一 階等效電路模型，計算方便，精度較高，有利于電池管理系統的在線應用。
【附圖說明】
[0039]本發明有如下附圖：
[0040] 圖1鋰離子電池在不同溫度下的阻抗譜圖
[0041] 圖2鋰離子電池頻域一階等效電路模型
[0042] 圖3鋰離子電池在_15°C時極化阻抗隨頻率變化的曲線圖
[0043] 圖4鋰離子電池歐姆電阻隨溫度變化的曲線圖
[0044] 圖5鋰離子電池極化電阻、極化電容參數隨溫度變化的曲線圖 [0045]圖6鋰離子電池在_15°C時500Hz的正弦信號模型驗證的曲線圖
[0046] 圖7鋰離子電池仿真曲線與實測電壓誤差分布圖
[0047] 圖8本發明模型構建方法的示意圖
【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
[0049] 一種鋰離子電池的低溫頻域電-熱模型的構建方法，該方法包括以下步驟：
[0050] S1、根據EIS(電化學阻抗譜)數據構建等效電路模型，確定等效電路模型的結構， 在高頻和低頻兩個頻率范圍內分別辨識鋰離子電池的模型參數，包括歐姆電阻、電感、極化 電阻和極化電容；
[0051] S2、根據步驟S1確定的極化電阻和極化電容，基于鋰離子電池內部的電化學反應 機理，構建極化電阻、極化電容與頻率的函數關系，并擬合得到函數未知系數;所述函數未 知系數為待擬合的極化電阻參數或極化電容參數；
[0052] S3、根據步驟S1和步驟S2確定的歐姆電阻和函數未知系數，基于鋰離子電池內部 的電化學反應機理，構建歐姆電阻和函數未知系數與溫度的函數關系；
[0053] S4、根據步驟S1、S2和步驟S3確定的函數關系和模型參數，構建出簡化的鋰離子電 池的低溫頻域電-熱模型。該模型在不同的頻率、不同的溫度和不同的電流幅值下進行實驗 驗證，精度較高。
[0054]優選的，步驟S1中，確定等效電路模型結構并辨識模型參數的步驟包括：
[0055] S11、從鋰離子電池實際應用需求出發，基于鋰離子電池的EIS數據，確定等效電路 模型的結構為含有歐姆電阻、電感、極化電阻和極化電容的一階等效電路模型；
[0056] S12、根據等效電路模型的結構，從高頻的虛部阻抗數據辨識電感參數，從高頻的 實部阻抗數據辨識歐姆電阻參數；
[0057] S13、根據等效電路模型的結構，從低頻的虛部阻抗數據辨識極化電容參數，從低 頻的實部阻抗數據辨識極化電阻參數；
[0058] 優選的，步驟S12中所述辨識歐姆電阻參數的步驟包括：
[0059] S121、辨識得到各個溫度下的歐姆電阻；
[0060] S122、根據鋰離子電池內部電化學反應機理，通過分析阻抗與電化學反應速率的 關系，構建歐姆電阻與溫度的函數關系；
[0061 ] S123、構建歐姆電阻與溫度的Ar方程，即= xel;其中，Rb為歐姆電阻，bi為比 例系數，Eib為活化能，R為氣體常數，T為電池溫度。
[0062]優選的，步驟S2中，構建極化電阻、極化電容與頻率的函數關系的步驟包括；
[0063] S21、根據辨識的極化電阻和極化電容，分析極化電阻和極化電容與頻率的函數關 系；
[0064] S22、構建極化阻抗（包括極化電阻和極化電容）與頻率的FD方程，即
[0065] S23、考慮實際應用的簡化需求，將ro方程簡化夕
[0066] Z p為極化電阻或極化電容，f為頻率，α、β、ε為待擬合的極化電阻參數或極化電容 參數。
[0067] 優選的，步驟S23中，分析待擬合的極化電阻或極化電容參數，其步驟包括：
[0068] S231、根據歐姆電阻與溫度的函數關系，構建極化電阻ro方程中待擬合的極化電 阻參數與溫度的函數關系，即
[0069] Rix為極化電阻參數，bix為比例系數，Ε?χ為活化能，R為氣體常數，T為電池溫度;X為 FD方程中待擬合