一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，该方法包括确定模型结构，并根据此结构辨识模型参数；在确定了模型参数后，根据电池极化阻抗与频率的关系，构建了极化电阻、极化电容与频率的函数关系；得到各个温度下的函数未知系数，进而构建其与温度的函数关系，最终得到了锂离子电池的低温频域电-热模型，该模型能够应用于车载电池管理系统，如基于该模型求解最佳的低温自加热方法。该模型具有简单实用、精度高等优点。本发明专利技术所述技术方案具有简单、易操作、实用的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电池低温模型的构建方法，特别是涉及一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法。
技术介绍
能源紧缺和环境污染的双重压力助推了电动汽车的快速发展，锂离子电池以单体电压高、能量密度高、寿命长、无记忆效应和无污染等优点，成为电动汽车动力驱动的首选电池。然而，低温下锂离子电池由于电解质、导电材料的导电率明显下降，化学反应动力学、扩散动力学明显迟滞缓慢，相比于室温内阻成十倍地增大，因此，寒冷环境中，锂离子电池能量转换效率严重下降，电动汽车的续驶里程和脉冲输出功率大幅下降。低温下锂离子电池充电非常困难，更严重的是，由于副反应导致负极形成锂金属沉积(析锂)而不是锂离子嵌入负极。析锂会加速锂离子电池衰退，锂金属还有可能刺破隔膜引起锂电池内部短路造成安全危害，如热失控。低温下锂离子电池性能下降严重损害了电动汽车的动力性能、续驶里程和使用寿命，影响了用户使用电动汽车时的便利性、经济性和安全性，极大地限制了电动汽车在寒冷环境的推广使用。改善锂离子电池的低温运行性能，需要对电池性能进行深入了解，在此基础上，基于锂离子电池的实际应用需求，构建锂离子电池的等效电路模型，以方便电池管理系统管理、控制电池及其环境。锂离子电池在低温运行时，对外表现的非线性明显，一般使用复杂的模型来模拟电池性能；锂离子电池的频域运行性能很少被提及，但频域应用工况是个很重要的领域，如进行自加热方法研究、谐波研究、频域阻抗研究等；低温下阻抗较大，即使电流很小电池也会产生大量的热，构建锂离子电池的电-热模型十分必要。因此，建立简化的锂离子电池的低温频域电-热模型具有重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术提供一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，能够改善现有技术中模型复杂、频域性能未知和温度对电学参数的影响等问题。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案。一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，该方法包括以下步骤：S1、根据EIS(电化学阻抗谱)数据构建等效电路模型，确定等效电路模型的结构，在高频和低频两个频率范围内分别辨识锂离子电池的模型参数，包括欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容；S2、根据步骤S1确定的极化电阻和极化电容，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建极化电阻、极化电容与频率的函数关系，并拟合得到函数未知系数；所述函数未知系数为待拟合的极化电阻参数或极化电容参数；S3、根据步骤S1和步骤S2确定的欧姆电阻和函数未知系数，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建欧姆电阻和函数未知系数与温度的函数关系；S4、根据步骤S1、S2和步骤S3确定的函数关系和模型参数，构建出简化的锂离子电池的低温频域电-热模型。该模型在不同的频率、不同的温度和不同的电流幅值下进行实验验证，精度较高。优选的，步骤S1中，确定等效电路模型结构并辨识模型参数的步骤包括：S11、从锂离子电池实际应用需求出发，基于锂离子电池的EIS数据，确定等效电路模型的结构为含有欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容的一阶等效电路模型；S12、根据等效电路模型的结构，从高频的虚部阻抗数据辨识电感参数，从高频的实部阻抗数据辨识欧姆电阻参数；S13、根据等效电路模型的结构，从低频的虚部阻抗数据辨识极化电容参数，从低频的实部阻抗数据辨识极化电阻参数；优选的，步骤S12中所述辨识欧姆电阻参数的步骤包括：S121、辨识得到各个温度下的欧姆电阻；S122、根据锂离子电池内部电化学反应机理，通过分析阻抗与电化学反应速率的关系，构建欧姆电阻与温度的函数关系；S123、构建欧姆电阻与温度的Ar方程，即其中，Rb为欧姆电阻，b1为比例系数，E1b为活化能，R为气体常数，T为电池温度。优选的，步骤S2中，构建极化电阻、极化电容与频率的函数关系的步骤包括：S21、根据辨识的极化电阻和极化电容，分析极化电阻和极化电容与频率的函数关系；S22、构建极化阻抗(包括极化电阻和极化电容)与频率的FD方程，即S23、考虑实际应用的简化需求，将FD方程简化为Zp为极化电阻或极化电容，f为频率，α、β、ε为待拟合的极化电阻参数或极化电容参数。优选的，步骤S23中，分析待拟合的极化电阻或极化电容参数，其步骤包括：S231、根据欧姆电阻与温度的函数关系，构建极化电阻FD方程中待拟合的极化电阻参数与温度的函数关系，极化电阻参数与温度的函数关系为R1x为极化电阻参数，b1x为比例系数，E1x为活化能，R为气体常数，T为电池温度；x为FD方程中待拟合的极化电阻参数(α、β、ε)。S232、根据锂离子电池内部电化学反应机理，通过分析极化阻抗与电化学反应速率的关系，确定极化电容FD方程中待拟合的极化电容参数与温度的函数关系；S233、构建FD方程中待拟合的极化电容参数与温度的Ar方程，极化电容参数与温度的Ar方程为C2x为极化电容参数，b2x为比例系数，E2x为活化能，R为气体常数，T为电池温度；x为FD方程中待拟合的极化电容参数(α、β、ε)。所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法构建了极化电阻、极化电容与频率的定量函数关系，即FD方程；所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法构建了欧姆电阻和FD方程中待拟合的极化电阻或极化电容参数与温度的定量函数关系，即欧姆电阻、FD方程中待拟合的极化电阻或极化电容参数与温度的Ar方程；所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法在不同工况下进行实验验证，构建的锂离子电池的低温频域电-热模型能够体现锂离子电池的频率、温度和电流特性；该模型具有简单实用、精度高等特点；本专利技术的有益效果：本专利技术所述技术方案具有考虑频率与温度影响、模型简单、可靠实用和模型精度高等效果；考虑锂离子电池的频域特性，构建极化阻抗与频率的函数关系；考虑锂离子电池的温度特性，构建极化电阻、极化电容与温度的函数关系；该模型简单，等效电路模型为一阶等效电路模型，计算方便，精度较高，有利于电池管理系统的在线应用。附图说明本专利技术有如下附图：图1锂离子电池在不同温度下的阻抗谱图图2锂离子电池频域一阶等效电路模型图3锂离子电池在-15℃时极化阻抗随频率变化的曲线图图4锂离子电池欧姆电阻随温度变化的曲线图图5锂离子电池极化电阻、极化电容参数随温度变化的曲线图图6锂离子电池在-15℃时500Hz的正弦信号模型验证的曲线图图7锂离子电池仿真曲线与实测电压误差分布图图8本专利技术模型构建方法的示意图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明。一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，该方法包括以下步骤：S1、根据EIS(电化学阻抗谱)数据构建等效电路模型，确定等效电路模型的结构，在高频和低频两个频率范围内分别辨识锂离子电池的模型参数，包括欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容；S2、根据步骤S1确定的极化电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池的低温频域电‑热模型的构建方法，该方法包括以下步骤：S1、根据电化学阻抗谱数据构建等效电路模型，确定等效电路模型的结构，在高频和低频两个频率范围内分别辨识锂离子电池的模型参数，模型参数包括欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容；S2、根据步骤S1确定的极化电阻和极化电容，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建极化电阻、极化电容与频率的函数关系，并拟合得到函数未知系数；所述函数未知系数为待拟合的极化电阻参数或极化电容参数；S3、根据步骤S1和步骤S2确定的欧姆电阻和函数未知系数，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建欧姆电阻和函数未知系数与温度的函数关系；S4、根据步骤S1、S2和步骤S3确定的函数关系和模型参数，构建出简化的锂离子电池的低温频域电‑热模型。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，该方法包括以下步骤：
S1、根据电化学阻抗谱数据构建等效电路模型，确定等效电路模型的结构，在高频和低频两个频率范围内分别辨识锂离子电池的模型参数，模型参数包括欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容；
S2、根据步骤S1确定的极化电阻和极化电容，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建极化电阻、极化电容与频率的函数关系，并拟合得到函数未知系数；所述函数未知系数为待拟合的极化电阻参数或极化电容参数；
S3、根据步骤S1和步骤S2确定的欧姆电阻和函数未知系数，基于锂离子电池内部的电化学反应机理，构建欧姆电阻和函数未知系数与温度的函数关系；
S4、根据步骤S1、S2和步骤S3确定的函数关系和模型参数，构建出简化的锂离子电池的低温频域电-热模型。
2.如权利要求1所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，其特征在于：步骤S1中，确定等效电路模型结构并辨识模型参数的步骤包括：
S11、从锂离子电池实际应用需求出发，基于锂离子电池的电化学阻抗谱数据，确定等效电路模型的结构为含有欧姆电阻、电感、极化电阻和极化电容的一阶等效电路模型；
S12、根据等效电路模型的结构，从高频的虚部阻抗数据辨识电感参数，从高频的实部阻抗数据辨识欧姆电阻参数；
S13、根据等效电路模型的结构，从低频的虚部阻抗数据辨识极化电容参数，从低频的实部阻抗数据辨识极化电阻参数。
3.如权利要求2所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法，其特征在于：步骤S12中所述辨识欧姆电阻参数的步骤包括：
S121、辨识得到各个温度下的欧姆电阻；
S122、根...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮海军，张维戈，吴健，孟学东，韩耸，
申请(专利权)人：北京北交新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11