一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法技术

本发明专利技术提供一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法，将电池的正负极分别等效为单个粒子，建立电池的单粒子电化学模型；根据单粒子电化学模型确定需要辨识的电化学参数；根据电池组的出厂信息，给定充放电电流I

【技术实现步骤摘要】
一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别是涉及一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法。

技术介绍

[0002]1933年Doyle和Numan教授提出了基于物理的准二维(P2D，pseudo two dimention model)电化学模型，该模型通过固相扩散方程、液相扩散方程、Bulter Volumer等偏微分方程描述电池内部耦合关系。相比于等效电路模型，电化学模型基于电池内部电化学机理，模型参数更具有实际物理意义；同时，电化学模型可以和热模型耦合，从而分析电池的析锂、热失控等，因此提高电化学参数的辨识精度具有重要意义。
[0003]P2D电化学模型计算量较大，单粒子模型，将正负极分别等效为单个颗粒，忽略电池内部粒子浓度不均匀，简化计算。现有技术中P2D电化学模型计算量较大，单粒子模型，将正负极分别等效为单个颗粒，忽略电池内部粒子浓度不均匀，简化计算。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本专利技术提供一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法，包括以下步骤：
[0006]S1：将电池的正负极分别等效为单个粒子，建立电池的单粒子电化学模型；
[0007]S2：根据单粒子电化学模型确定需要辨识的电化学参数；
[0008]S3：根据电池组的出厂信息，给定充放电电流I
总
对电池组进行充放电，获得电池组中每个单体电池的实验电压曲线，即确定不同充放电时间下电池端电压的大小，得到不同时刻并联电池的端电压V
cell
；
[0009]S4：确定并联锂离子电池的优化目标误差函数f；
[0010]S5：根据电池的电压曲线以及误差函数f，采用模拟退火算法，在仿真软件中对并联电池组中单体电池的电化学参数进行辨识。
[0011]进一步，步骤S1中建立电池的电化学模型具体包括以下步骤：
[0012]当电池两端通入一定大小的电流时，电解液中的锂离子、活性颗粒、电子相互作用维持外电流的稳定，则电极活性表面的电流密度i
j
为：
[0013][0014]其中，i
j
表示电极活性表面的电流密度，单位：A/m2；I表示通入电池两端的电流，单位：A；S
j
表示电极材料等效活性颗粒表面积，单位m2；j表示正极p或负极n；
[0015]则活性颗粒和电解液界面处锂离子的孔壁通量为j
j
为：
[0016][0017]其中，j
j
表示孔壁通量，单位：mol/(m2·
s)；n表示锂离子核电荷数，即n＝1；F表示法拉第常数96487C/mol；
[0018]同时，孔壁通量j
j
还可以通过巴特勒
‑
伏尔摩(Butler
‑
Volmer)电化学反应方程表示：
[0019][0020]其中，k
j
表示液相电导率，η
j
表示表面过电势，c
e
表示电池内部所有点的液相锂离子浓度，c
s,j,max
表示活性颗粒理论最大嵌锂入锂离子浓度，c
s,j,surf
表示活性颗粒表面锂离子浓度，T为当前电池温度，R表示气体常数8.31441(J/(mol*K))；
[0021]式(3)中表面过电势η
j
为：
[0022]η
j
＝φ
s,j
‑
φ
l,j
‑
U
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0023]其中，φ
s,j
表示固相电势，φ
l,j
表示液相电势，U
j
表示平衡电势；
[0024]已知电池的端电压V
cell
可表示为：
[0025]V
cell
＝φ
s,p
‑
φ
s,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0026]其中，φ
s,p
表示正极的固相电势，φ
s,n
表示负极的固相电势；
[0027]则推导出正负极表面过电势的差值η
p
‑
η
n
：
[0028][0029]其中，m
j
为中间变量，j表示正极p或负极n，则m
j
为：
[0030][0031]其中，k
j
表示反应速率常数，j为正极p或负极n，即k
n
表示负极反应速率常数，k
p
表示正极反应速率常数；
[0032]公式(6)的推导过程见参考文献“Guo M,Sik Ha G,White R E.Single
‑
Particle Model for a Lithium
‑
Ion Cell:Thermal Behavior(vol 158,pg A122,2011)[J].Journal of The Electrochemical Society,2011,158(2)”。
[0033]将公式(4)和公式(6)带入公式(5)中，推导出电池的端电压V
cell
：
[0034]V
cell
＝U
p
(x
p,surf
)
‑
U
n
(x
n,surf
)+η
p
‑
η
n
+U
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0035]其中，U
p
(x
p,surf
)表示正极平衡电势，U
n
(x
n,surf
)表示负极平衡电势，U
l
表示液相电势；x
p,surf
和x
n,surf
均是与活性颗粒表面锂离子浓度有关的无量纲量；
[0036]公式(8)中液相电势U
l
的计算公式为：
[0037][0038]其中，t
+
锂离子液相转移系数，c
eL
表示正极电极材料和集流体界面处液相锂离子
浓度，c
e0
表示负极材料集流体边界处液相锂离子浓度，A
cell
表示电池表面积，L
p
表示正极电极材料厚度，L
n
表示负极电极材料厚度，L
S
表示隔膜厚度，k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种并联锂离子电池电化学参数辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：将电池的正负极分别等效为单个粒子，建立电池的单粒子电化学模型；S2：根据单粒子电化学模型确定需要辨识的电化学参数；S3：根据电池组的出厂信息，给定充放电电流I
总
对电池组进行充放电，获得电池组中每个单体电池的实验电压曲线，得到不同时刻并联电池的端电压V
cell
；S4：确定并联锂离子电池的优化目标误差函数f；S5：根据电池的电压曲线以及误差函数f，采用模拟退火算法，在仿真软件中对并联电池组中单体电池的电化学参数进行辨识。2.如权利要求1所述的并联锂离子电池电化学参数辨识方法，其特征在于：步骤S1中建立电池的电化学模型具体包括以下步骤：当电池两端通入一定大小的电流时，电解液中的锂离子、活性颗粒、电子相互作用维持外电流的稳定，则电极活性表面的电流密度i
j
为：其中，i
j
表示电极活性表面的电流密度，单位：A/m2；I表示通入电池两端的电流，单位：A；S
j
表示电极材料等效活性颗粒表面积，单位m2；j表示正极p或负极n；则活性颗粒和电解液界面处锂离子的孔壁通量为j
j
为：其中，j
j
表示孔壁通量，单位：mol/(m2·
s)；n表示锂离子核电荷数，即n＝1；F表示法拉第常数96487C/mol；同时，孔壁通量j
j
还可以通过巴特勒
‑
伏尔摩电化学反应方程表示：其中，k
j
表示液相电导率，η
j
表示表面过电势，c
e
表示电池内部所有点的液相锂离子浓度，c
s,j,max
表示活性颗粒理论最大嵌锂入锂离子浓度，c
s,j,surf
表示活性颗粒表面锂离子浓度，T为当前电池温度，R表示气体常数8.31441(J/(mol*K))；式(3)中表面过电势η
j
为：η
j
＝φ
s,j
‑
φ
l,j
‑
U
j
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，φ
s,j
表示固相电势，φ
l,j
表示液相电势，U
j
表示平衡电势；已知电池的端电压V
cell
可表示为：V
cell
＝φ
s,p
‑
φ
s,n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中，φ
s,p
表示正极的固相电势，φ
s,n
表示负极的固相电势；则推导出正负极表面过电势的差值η
p
‑
η
n
：
其中，m
j
为中间变量，j表示正极p或负极n，则m
j
为：其中，k
j
表示反应速率常数，j为正极p或负极n，即k
n
表示负极反应速率常数，k
p
表示正极反应速率常数；将公式(4)和公式(6)带入公式(5)中，推导出电池的端电压V
cell
：V
cell
＝U
p
(x
p,surf
)
‑
U
n
(x
n,surf
)+η
p
‑
η
n
+U
l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)其中，U
p
(x
p,surf
)表示正极平衡电势，U
n
(x
n,surf
)表示负极平衡电势，U
l
表示液相电势；x
p,surf
和x
n,surf
均是与活性颗粒表面锂离子浓度有关的无量纲量；公式(8)中液相电势U
l
的计算公式为：其中，t
+
锂离子液相转移系数，c
eL
表示正极电极材料和集流体界面处液相锂离子浓度，c
e0
表示负极材料集流体边界处液相锂离子浓度，A
cell
表示电池表面积，L
p
表示正极电极材料厚度，L
n
表示负极电极材料厚度，L
S
表示隔膜厚度，k
p
表示正极液相电导率，k
n
表示负极液相电导率，k
s
表示隔膜液相电导率，ε
p
表示正极液相体积分数，ε
n
表示负极液相体积分数，ε
s
表示隔膜液相体积分数；正极平衡电势U
p
(x
p,surf
)是关于正极活性颗粒表面嵌锂浓度的函数，负极平衡电势U
n
(x
n,surf
)是关于负极活性颗粒表面嵌锂浓度的函数；通过查阅材料特性获取正极和负极的材料属性，则x
j,surf
用电极材料表面嵌锂状态SOL表示为：其中，j为正极p或负极n，c
s,j,max
表示活性颗粒理论最大嵌锂入锂离子浓度，c
s,j,surf
表示活性颗粒表面锂离子浓度；电池的荷电状态SOC表示为：其中，SOL
n
(t)表示当前时刻负极的嵌锂状态，SOL
n
(0％)表示电池完全放电时负极活性颗粒的嵌锂状态，SOL
n
(100％)表示电池完全充电时负极活性颗粒的嵌锂状态，SOL
p
(t)表示当前时刻正极的嵌锂状态，SOL
p
(0％)表示电池完全放电时正极活性颗粒的嵌锂状态，SOL
p
(100％)表示电池完全充电时正极活性颗粒的嵌锂状态；恒流、等温条件...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杨梅，时玮，韩甜，
申请(专利权)人：北京交通大学长三角研究院，
类型：发明
国别省市：