锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法，涉及智能电网大容量储能领域。本发明专利技术是为了解决缺少对电池端电压和外壳温度随时间的变化进行仿真的电化学和热耦合模型的问题。本发明专利技术所述的将锂离子电池放在不同的温度下，对锂离子电池输入电流，根据电池端电压和锂离子电池外壳温度响应曲线，获得锂离子电池电化学和热耦合模型参数。该耦合模型可用于仿真锂离子电池的端电压和外壳温度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学-热耦合机理建模及其参数获取方法，是电气工程、电化学、热 学、应用数学等多学科的交叉，属于智能电网大容量储能领域。
技术介绍
锂离子电池的突出特点是电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效 应、绿色环保，是大型设备或系统的主要储能器件。电池的安全性、可靠性和经济性这三个 方面的性能制约了其进一步推广使用。从应用层面角度讲，电池管理系统对充分发挥电池 性能具有至关重要的意义。 锂离子电池机理模型能够准确描述电池内部复杂的物理、化学过程，具有对任意 负载电流激励下电池响应的仿真估计能力。但模型通常具有复杂的形式，计算耗时，并且需 要借助电化学测量方法或智能算法获取机理模型参数，不具备快速、无损获取参数的能力。 目前，机理模型主要用于电池的设计和改进，鲜见用于电池管理系统中。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有缺少对电池端电压和外壳温度随时间的变化进行仿真的 电化学和热耦合模型的问题。现提供。 ，它包括以下内容： 将锂离子电池放在不同的温度下，对锂离子电池输入电流，得到锂离子电池端电 压Uapp(t):【主权项】1. 裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于，它包括w下内容： 将裡离子电池放在不同的温度下，对裡离子电池输入电流，得到裡离子电池端电压 Uapp(t)：式中，心烹(0为电池在参考温度下，固相扩散、浓差极化、反应极化和欧姆极化影响均 为零的情况下的端电压，为反应极化过电势，为欧姆极化 过电势，为浓差极化过电势， 和裡离子电池外壳温度公式：式中，R。。。。为电池内部热阻，h为换热系数，CtJ%外壳的热容，T。为环境温度，A为有效 散热面积，nitJ%外壳质量，T (tk)为k时刻的裡离子电池外壳温度，Lutf(tk_i)为k-1时 刻的裡离子电池外壳温度，tk为k时刻，tk_i为k-1时刻，T为内部平均温度， 从而获得裡离子电池电化学和热禪合模型。2. 根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于， 计算电池理想电动势￡及的过程： 在0. 02C倍率下，将裡离子电池放电电压作为电池理想电动势，已知正负极开路电势Up和U。，使用最小二乘法估计正负极初始嵌裡率y。和X。，及正负极变化范围Dy和D,，根据公 式：获得正负极容量Qp和Q。，嵌裡率偏移y。^; 式中，Qau为小倍率放电的总容量， 将公式3带入电池理想电动势￡戌中：获得电池理想电动势完， 式中，y^g和X。^表示正负极活性颗粒内部平均裡离子浓度，ywg=Yci+It/Qp，x^g= (i-yrfs-yavg)QpZQ。，I为负载电流，规定放电为正，t为时间。3. 根据根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在 于，计算反应极化过电势11。。,_。。1"^。《。。和欧姆极化过电势11。^"。1"^。"。。的过程： 将电池置于不同环境温度下一段时间后，施加1曲Z正弦电压激励，采用最小二乘拟合 方法对不同温度进行拟合，得到欧姆内阻R。!?随电池内部温度的变化式： R。血=0J3+ 0 2了2+ 0 3了1+ 04，（公式 5) 式中，0i为侍拟合参数，i二1，2, 3,4, 根据公式：获得欧姆极化过电势 在不同倍率下，环境温度分别控制在25°C、35°C、45°C下，对电池恒流充放电各7分钟， 然后将电池搁置10分钟，依次循环充放电各7分钟，并依次对电池进行搁置10分钟的过 程，电流从0变化到某一固定值的一瞬间，电压存在跳变AU，电压跳变AU包括反应极化过 电势和欧姆极化过电势， 电压跳变AU减去欧姆极化过电势能够获得反应极化过电势 ^ act-polarization*;为理想气体常数，F为法拉第常数，C。为电 解液浓度，作expy(i/T:., -l/n)，使用最小二乘方法，拟合参考温度下反应极化系 数巧:f和活化能系数A，P。。,为反应极化系数，Tuf为参考温度。4.根据根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在 于，计算浓差极化过电势11。。。_。。1"^。《。。的过程： 在不同倍率下，环境温度分别控制在25°C、35°C、45°C下，对电池恒流充放电各7分钟， 然后将电池搁置10分钟，依次循环充放电各7分钟，并依次对电池进行搁置10分钟的过 程，裡离子电池的扩散过程需要一段过渡时间，才进入新的稳定状态，在液相扩散和固相扩 散均进入稳态阶段后，正极表面和平均嵌裡浓度的差A 负极表面和平均嵌裡浓度的 差AXstable和集流体边界处的浓度差Acstable均为定值，表达式如下：式中，液相扩散比例系数？。。。=aTb+c，a,b和C为待拟合的未知参数，与为正极固相扩 散的时间常数，<为负极固相扩散的时间常数， 选择恒流充放电的23个截止点，在截止点处，固相扩散和液相扩散过程都已进入稳态 阶段，截止点的端电压满足公式：式中，口就^^/。"_-。。。。表示稳态时的浓差极化过电势， 将公式9变形为：应用最小二乘拟合，得到不同环境温度下的正极固相扩散的时间常数了^和负极固相扩 散的时间常数W及液相扩散比例系数p。。。中的a,b和c，Up为正极开路电势函数，U。为 负极开路电势函数， 计算连续动态恒流充放电工况下的浓差极化过电势：由反向求解该工况下电池集流体边界处液相裡离子浓度的变化量AC(t)；式中，t+表示传荷数， 根据液相裡离子浓度的变化量Ac(t)和液相扩散比例系数P。。。，计算k+1时刻的液相 扩散时间常数T。；获得浓差极化过电势 式中，液相裡离子浓度的变化量Ac(t)的迭代形式为5.根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于， 计算换热系数h的过程： 根据公式： Gexchangea)=灯surfa)-Ta(t) ) /IU，（公式 15) 获得电池与环境的换热率G,uh。^。， 其中，Ramb为电池外壳与环境热交换热阻，其表达式为R"b= 1/hA。，L为环境温度，A。 为电池有效散热面积，h为换热系数，当负载电流为零时，电池产热为零，内外部温度相等， 将电池外部温度公式：当电池表面温度和内部温度相等，t= 0时，T(0) =T。;当t=c?时，T(c?) =T。，整 理公式17,得到： Tsurf(t) =Ta(t) + (T〇-Ta)exp(-M〇t/ (CpIIlroii))，（公式 18) 其中，Tswf(t)为t时刻的电池外壳温度，时间常数Theat=Cpirw/^OiA。)，Cp为电池电 极缠绕体热容，m"ii为电极缠绕体质量，T。为初始电池内部温度， 将电池放在恒温箱中进行测试，在电池外壳贴装温度传感器进行测温，在不同倍率下， 电池外壳温度随时间的变化，在电池停止放电后，令电池在恒温箱内恢复到设定的温度，采 用公式18将不同时间内的外壳温度进行拟合，得到各个时间常数Th。。,，将各个时间常数 T 取均值，进而获得换热系数h。6. 根据权利要求1所述的裡离子电池电化学和热禪合模型的获取方法，其特征在于， 计算电池内部热阻氏。。4的过程： 由于反应极化过电势欧姆极化过电势n 和浓差极化过电势 n本文档来自技高网...
【技术保护点】
锂离子电池电化学和热耦合模型的获取方法，其特征在于，它包括以下内容：将锂离子电池放在不同的温度下，对锂离子电池输入电流，得到锂离子电池端电压Uapp(t)：Uapp(t)=Eocvref(t)-ηcon-polarization(t)-ηact-polarization(t)-ηohm-polarization(t),]]> (公式1)式中，为电池在参考温度下，固相扩散、浓差极化、反应极化和欧姆极化影响均为零的情况下的端电压，ηact‑polarization(t)为反应极化过电势，ηohm‑polarization(t)为欧姆极化过电势，ηcon‑polarization(t)为浓差极化过电势，和锂离子电池外壳温度公式：Tsurf(tk)=(Tsurf(tk-1)mcanCcanRcond+(tk-tk-1)(T(tk)+RcondAhTa))mcanCcanRcond+(tk-tk-1)+Rcond(tk-tk-1)Ah,]]> (公式2)式中，Rcond为电池内部热阻，h为换热系数，Ccan为外壳的热容，Ta为环境温度，A为有效散热面积，mcan为外壳质量，Tsurf(tk)为k时刻的锂离子电池外壳温度，Tsurf(tk‑1)为k‑1时刻的锂离子电池外壳温度，tk为k时刻，tk‑1为k‑1时刻，T为内部平均温度，从而获得锂离子电池电化学和热耦合模型。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王立欣，吕超，李俊夫，罗伟林，张刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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