考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法技术

考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，涉及动力电池系统技术领域。本发明专利技术是为了解决现有利用电化学模型得到的峰值功率不准确的问题。建立锂离子电池的简化电化学模型；对锂离子电池的简化电化学模型进行参数辨识，得到辨识参数；获得锂离子电池内部变量；得到锂离子电池单体的端电压、不同时刻的电池内部温度和最大放电倍率；在初始放电倍率和最大放电倍率之间，分别找到3个临界放电倍率，从找到的3个临界放电倍率中选出最小值，并结合不同时刻锂离子电池单体的端电压平均值，得到锂离子电池峰值功率。它用于获得电池峰值功率，从而保护电池寿命。

【技术实现步骤摘要】
考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法
本专利技术涉及一种考虑热效应影响的基于简化电化学模型的锂离子电池峰值功率预测方法。属于动力电池系统

技术介绍
电动汽车的峰值功率直接影响了加速爬坡性能以及回馈制动能量回收能力。峰值功率过低，电池所提供的能量将无法满足需要，并且电池峰值功率对提高电池使用的可靠性、安全性和使用寿命具有重要意义。鉴于峰值功率的不可直接测量特性，对其进行准确预测就显得尤为必要。目前，对动力电池峰值功率的预测过程中大多采用将电池荷电状态(Stateofcharge,SOC)、末端放电电压作为约束，利用等效电路模型进行峰值电流预测的手段，进而实现峰值功率预测。但实际上，由于等效电路模型在大倍率放电条件下的电池端电压仿真结果存在一定的误差，从而导致预测电流值不够精准。相较于等效电路模型，电化学模型能够更精准地反映电池在充放电过程中内外部状态的变化情况，将其用于峰值功率估计更具优势。由于电池在大倍率条件下产热明显，在进行电池内外部状态仿真时，需要考虑电池温度的变化对其输出特性的影响，因此，在估计峰值功率时，既要考虑电池的电学特性，同时也要考虑热行为变化对电学特性的影响。因此，现有没有考虑电池温度的变化对其输出特性的影响，得到的峰值功率不准确，温度会影响电池寿命的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有利用电化学模型得到的峰值功率不准确的问题。现提供考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法。考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，所述方法包括以下步骤：步骤1、根据检测到的锂离子电池充放电过程中的电流、端电压和电池内部温度，建立锂离子电池的简化电化学模型；步骤2、对锂离子电池的简化电化学模型进行参数辨识，得到辨识参数；步骤3、根据辨识参数，获得锂离子电池内部变量；步骤4、根据设定放电时间长度和锂离子电池内部变量，得到锂离子电池单体的端电压、不同时刻的电池内部温度和最大放电倍率；步骤5、在初始放电倍率和最大放电倍率之间，分别找到满足在设定放电时间长度中最后时刻下的电池端电压小于2情况下的临界放电倍率、设定放电时间中最后一个时刻与初始时刻的电池内部温度的变化量大于2℃情况下的临界放电倍率和温度变化速率大于1℃/min的临界放电倍率，从找到的3个临界放电倍率中选出最小值，并结合不同时刻锂离子电池单体的端电压平均值，得到锂离子电池峰值功率。优选地，其特征在于，步骤1中，锂离子电池的简化电化学模型为：式中，Uapp为锂离子电池的端电压，Up和Un分别为正负极开路电势，ysurf和xsurf分别为正负极固相表面锂离子浓度，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为锂离子电池的内部温度，c0为电解液中的初始锂离子浓度，mp和mn为中间变量，Δc1和Δc2是正、负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量，Rohm为锂离子电池等效的欧姆内阻，I为外电流，规定放电为正，充电为负，t+为阳离子迁移数。优选地，步骤2中，辨识参数具体包括：电池荷电状态：式中，soc(t)为t时刻的电池荷电状态，I为外电流，Qall为单体电池的放电容量；电池开路电压：Eocv＝Up[y0+Dy(1-soc)]-Un[x0-Dx(1-soc)]公式3，式中，Eocv为电池开路电压，Up为正极开路电势曲线，Un为负极开路电势曲线；Dy为正极嵌锂量变化范围，Dx为负极嵌锂量变化范围，y0为正极初始嵌锂量，x0为负极初始嵌锂量；正负极容量：式中，Qp为锂离子电池正极容量，Qn为锂离子电池负极容量；反应极化过电势ηact：式中，Pact为反应极化系数；电池端电压、反应极化过电势和欧姆极化过电势合并之后的总变量U(t)：式中，ηohm为欧姆极化过电势，yavg(t)为正极固相平均锂离子浓度，τp为正极固相扩散时间常数，xavg(t)为负极固相平均锂离子浓度，τn为正极固相扩散时间常数，T为实测温度，Pcon_a和Pcon_b均为为液相扩散比例系数；极化过电势η：η＝ηcon+ηact+ηohm＝Eocv-Uapp公式7，极化过电势和温度满足函数关系：式中，m为锂离子电池质量，A为锂离子电池的换热面积，Ta为锂离子电池的外壳温度，h为换热系数，公式8变形为：对公式9进行离散化，得到：优选地，步骤3中，锂离子电池内部变量包括从放电起始点到峰值功率估计起点对应的放出的电池容量Qtra、时间tsoc对应的正负极固相表面锂离子浓度与平均锂离子浓度的差Δytra和Δxtra、时间tsoc对应的正负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量Δctra_a和Δctra_b；从电池恒流放电工况中获取测试时间和电流，利用安时积分法计算从放电起始点到峰值功率估计起点对应的放出的电池容量Qtra：式中，τ为被积分的自变量，具有时间这一量纲，单位为s，tsoc为峰值功率估计起点对应的时间；不同时刻内部变量Δy′和Δx′的迭代形式为：式中，tk+1为第k+1个时刻，tk为第k个时刻，k为自然数；令Δy′和Δx′的初值为0，t＝tsoc，则在tsoc时，正极固相表面锂离子浓度与平均锂离子浓度的差Δytra和在tsoc时，负极固相表面锂离子浓度与平均锂离子浓度的差Δxtra分别表示为：在tsoc时，正极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量Δctra_a和在tsoc时，负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量Δctra_b，分别为：令Δc1和Δc2的初值为0，t＝tsoc，则正负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量Δctra_a和Δctra_b，分别为：Δctra_a＝Δc1(tsoc)公式18，Δctra_b＝Δc2(tsoc)公式19。优选地，步骤4中，锂离子电池单体的端电压的获得过程为：设定某一时刻t＝tk，k＝1,2,3,…,60或k＝1,2,3,…,120，设定初始放电倍率C0，C0＝1，则初始电流I＝1.7C0，正负极固相平均锂离子浓度yavg和xavg分别表示为：yavg(t)＝y0+[I(t)t+Qtra]/Qp公式20，yavg(t)＝y0+[I(t)t+Qtra]/Qp公式21，正负极固相表面锂离子浓度分别表示为：ysurf(t)＝yavg(t)+Δy(t)公式22，xsurf(t)＝xavg(t)-Δx(t)公式23，式中，ysurf和xsurf分别表示正极固相表面锂离子浓度和负极固相表面锂离子浓度，△y’和△x’是中间变量，△y’和△x’的迭代计算形式为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1、根据检测到的锂离子电池充放电过程中的电流、端电压和电池内部温度，建立锂离子电池的简化电化学模型；/n步骤2、对锂离子电池的简化电化学模型进行参数辨识，得到辨识参数；/n步骤3、根据辨识参数，获得锂离子电池内部变量；/n步骤4、根据设定放电时间长度和锂离子电池内部变量，得到锂离子电池单体的端电压、不同时刻的电池内部温度和最大放电倍率；/n步骤5、在初始放电倍率和最大放电倍率之间，分别找到满足在设定放电时间长度中最后时刻下的电池端电压小于2情况下的临界放电倍率、设定放电时间中最后一个时刻与初始时刻的电池内部温度的变化量大于2℃情况下的临界放电倍率和温度变化速率大于1℃/min的临界放电倍率，从找到的3个临界放电倍率中选出最小值，并结合不同时刻锂离子电池单体的端电压平均值，得到锂离子电池峰值功率。/n

【技术特征摘要】
1.考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、根据检测到的锂离子电池充放电过程中的电流、端电压和电池内部温度，建立锂离子电池的简化电化学模型；
步骤2、对锂离子电池的简化电化学模型进行参数辨识，得到辨识参数；
步骤3、根据辨识参数，获得锂离子电池内部变量；
步骤4、根据设定放电时间长度和锂离子电池内部变量，得到锂离子电池单体的端电压、不同时刻的电池内部温度和最大放电倍率；
步骤5、在初始放电倍率和最大放电倍率之间，分别找到满足在设定放电时间长度中最后时刻下的电池端电压小于2情况下的临界放电倍率、设定放电时间中最后一个时刻与初始时刻的电池内部温度的变化量大于2℃情况下的临界放电倍率和温度变化速率大于1℃/min的临界放电倍率，从找到的3个临界放电倍率中选出最小值，并结合不同时刻锂离子电池单体的端电压平均值，得到锂离子电池峰值功率。


2.根据权利要求1所述考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，其特征在于，步骤1中，锂离子电池的简化电化学模型为：



式中，Uapp为锂离子电池的端电压，Up和Un分别为正负极开路电势，ysurf和xsurf分别为正负极固相表面锂离子浓度，R为理想气体常数，F为法拉第常数，T为锂离子电池的内部温度，c0为电解液中的初始锂离子浓度，mp和mn为中间变量，Δc1和Δc2是正、负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量，Rohm为锂离子电池等效的欧姆内阻，I为外电流，规定放电为正，充电为负，t+为阳离子迁移数。


3.根据权利要求2所述考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，其特征在于，步骤2中，辨识参数具体包括：
电池荷电状态：



式中，soc(t)为t时刻的电池荷电状态，I为外电流，Qall为单体电池的放电容量；
电池开路电压：
Eocv＝Up[y0+Dy(1-soc)]-Un[x0-Dx(1-soc)]公式3，
式中，Eocv为电池开路电压，Up为正极开路电势曲线，Un为负极开路电势曲线；Dy为正极嵌锂量变化范围，Dx为负极嵌锂量变化范围，y0为正极初始嵌锂量，x0为负极初始嵌锂量；
正负极容量：



式中，Qp为锂离子电池正极容量，Qn为锂离子电池负极容量；
反应极化过电势ηact：



式中，Pact为反应极化系数；
电池端电压、反应极化过电势和欧姆极化过电势合并之后的总变量U(t)：



式中，ηohm为欧姆极化过电势，yavg(t)为正极固相平均锂离子浓度，τp为正极固相扩散时间常数，xavg(t)为负极固相平均锂离子浓度，τn为正极固相扩散时间常数，T为实测温度，Pcon_a和Pcon_b均为为液相扩散比例系数；
极化过电势η：
η＝ηcon+ηact+ηohm＝Eocv-Uapp公式7，
极化过电势和温度满足函数关系：



式中，m为锂离子电池质量，A为锂离子电池的换热面积，Ta为锂离子电池的外壳温度，h为换热系数，
公式8变形为：



对公式9进行离散化，得到：





4.根据权利要求3所述考虑热效应影响的锂离子电池峰值功率预测方法，其特征在于，步骤3中，锂离子电池内部变量包括从放电起始点到峰值功率估计起点对应的放出的电池容量Qtra、时间tsoc对应的正负极固相表面锂离子浓度与平均锂离子浓度的差Δytra和Δxtra、时间tsoc对应的正负极集流体处的锂离子浓度相对于电解液中的初始锂离子浓度c0的改变量Δctra_a和Δctra_b；
从电池恒流放电工况中获取测试时间和电流，利用安时积分法计算从放电起始点到峰值功率估计起点对应的放出的电池容量Qtra：



式中，τ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立欣，李俊夫，杨龙，刘能锋，于瀚卿，于全庆，王宇海，楚潇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：广东;44