一种锂离子电池电化学-热耦合特性的快速计算方法技术

本发明专利技术属于锂离子动力电池仿真技术领域，具体涉及一种锂离子电池电化学

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法


[0001]本专利技术属于锂离子动力电池仿真
，具体涉及一种锂离子电池电化学
‑
热耦合特性的快速计算方法。

技术介绍

[0002]锂离子动力电池作为新能源汽车的动力核心，其性能对于整车动力性、续驶里程和安全性等具有重要影响。为了提高锂离子动力电池的研制水平，如何准确快速地评估锂离子电池在不同工况下的荷电状态(State Of Charge,SOC)变化、健康状态(State Of Health,SOH)变化和电池内部温度变化等特性是关键技术，也是难点问题。以往采用的主要研究方法是对电池进行反复的试验测试，虽具有一定实用性，但耗时长，成本高，局限大。随着计算机技术和仿真技术的发展，利用计算机对锂离子动力电池进行数值仿真成为研究电池的一种重要方法。
[0003]精确可靠的电池模型是进行计算机仿真的前提和基础。目前被广泛认可的锂离子电池模型主要有等效电路模型、黑箱模型和电化学模型。等效电路模型和黑箱模型均属于经验模型，预测精度低，适用范围有限。电化学模型是基于电化学机理的锂离子电池模型，最早由Newman,Doyle和Fuller基于浓溶液理论和多孔电极理论建立，也称为准二维(Pseudo Two
‑
Dimensional,P2D)模型。该模型预测精度高，具有一定普适性，能够给出电池内部的离子浓度、电势和温度等变量的详细空间分布，更准确地估计电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)和内部生热情况。由此可知，基于电化学模型的计算机仿真对于锂离子电池的性能分析更全面和更精细。目前，电化学模型已经在许多商用仿真软件中实现，例如COMSOL Multiphysics等。
[0004]但是，电化学模型是由一组复杂的高度非线性和强耦合性的偏微分方程系统组成，模型复杂度较高，求解难度较大。目前采用的求解方法主要有有限元法(Finite Element Method,FEM)或有限体积法(Finite Volume Method,FVM)，往往会导致较高的计算负荷。
[0005]为了提高电化学模型的计算效率，提出了许多简化模型，例如单粒子模型或多项式近似的降阶模型等。但是这些简化会不同程度地影响模型的预测精度，限制了模型的有效性条件。
[0006]2021年，Geng等人提出了一种新的锂离子电池电化学模型的实现方法。该实现方法的基本原理是引入一个等效电路结构代替描述电流和电势分布的方程，但是不做任何物理简化，而是为所有电路元件赋予真实物理意义，同时保留描述离子浓度分布的偏微分方程。
[0007]该实现方法能够再现与原始电化学模型同等的预测精度，理论上可大幅减少计算时间，但是还存在诸多不足，致使其缺乏适用性和应用价值。主要体现在：
[0008]1)该方法采用了固定计算时间步长，无法有效提高计算效率和保证数值稳定性。由于等效电路结构和离子浓度方程之间采用分步耦合，若选择时间步长过大，预测精度降
低，数值稳定性变差甚至导致计算崩溃；若选择时间步长过小，计算耗时急剧增加。
[0009]2)该方法采用了固定不变的电池材料属性参数(例如扩散系数、反应率、电导率等)，无法应用于实际电池变材料属性状态的仿真分析，且其方法有效性在变材料属性情况下还未被证实。
[0010]3)该方法没有考虑温度变化的影响，不适用于实际电池热相关问题的仿真分析，其有效性在变温度情况下也未被证实。
[0011]4)该方法仅适用于恒电流输入计算，难以应用于其它输入(例如恒电压、恒功率)的电池仿真分析。
[0012]综上所述，这种结合等效电路结构和偏微分方程的实现方法为快速求解电化学模型提供了一个发展方向，但是目前还存在诸多技术缺陷，难以应用于实际。因此，基于此技术思路研发一种具有工程适用性的、针对锂离子电池电化学
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热耦合特性精确预测的快速计算方法，可以有效地降低锂离子电池试验和开发成本，对于提高电池研制的精度和水平具有重要意义和应用价值。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，克服了现有技术的不足，有效地提高了计算效率和数值稳定性，极大地拓展了适用性，能够给出预测精度相当的计算结果，极大地提高了计算速度，从而可以实现对锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速精确仿真预测和性能分析。
[0014]为解决上述问题，本专利技术所采取的技术方案如下：
[0015]一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，该计算方法包括以下步骤：
[0016]步骤一、获取电池状态参数以及电池计算配置参数，并对上述参数进行进一步预处理；
[0017]步骤二、基于采用的离散方法预先计算电解质区域和正/负极固相颗粒区域的离子浓度方程空间离散算子；
[0018]步骤三、计算电池初始时刻的状态量，包括电池的电解质和固相颗粒的初始离子浓度、初始电势和初始材料属性，以及正负极的等效电路结构中各电路元件的初始值；
[0019]步骤四、进入时间循环迭代计算，按照选取的计算时间步长时间推进求解电解质区域离子浓度方程和正/负极固相颗粒区域离子浓度方程，获得电池负极、隔膜和正极的电解质内的离子浓度分布以及电池正/负极固相颗粒内的离子浓度分布；
[0020]步骤五、判断获得的电解质内离子浓度和正/负极固相颗粒内离子浓度是否出现了负值或是否超过了最大离子浓度；若是，则结束时间循环迭代并给出非正常退出提示信息；若否，则进入步骤六；
[0021]步骤六、根据获得的电解质内离子浓度分布，计算获得电池负极、隔膜和正极区域的电解质电势分布；根据获得的固相颗粒内离子浓度分布，计算获得电池正/负极区域的固相颗粒表面电势分布和平均电势分布；根据获得的电解质电势分布、固相颗粒表面电势分布和平均电势分布以及此时电池的其它状态变量，更新计算电池的工作电压；
[0022]步骤七、根据具体输入工况模式更新输入电流；若是恒电压输入，则根据设定的恒定电压更新输入电流；若是恒功率输入，则根据设定的恒定功率更新输入电流；若是恒电流
输入，则无需更新输入电流；
[0023]步骤八、根据获得的电解质电势分布、固相颗粒表面电势分布和平均电势分布以及此时电池的其它状态变量，更新正/负极区域等效电路结构中各支路的电阻值；
[0024]步骤九、根据等效电路结构特点，采用回路分析法建立关于各回路电流的电路方程组，并求解电路方程组，获得各分支电路的电流分布；
[0025]步骤十、判断是否是恒温计算；若是，则无需更新温度；若否，则根据已知的电化学状态量求解热模型，更新电池的温度；
[0026]步骤十一、根据计算获得的电池状态变量，更新电解质区域和固相颗粒区域的材料电化学
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热属性参数，并保存此时间步的计算结果；
[0027]步骤十二、判断是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，其特征在于：该计算方法包括以下步骤：步骤一、获取电池状态参数以及电池计算配置参数，并对上述参数进行进一步预处理；步骤二、基于采用的离散方法预先计算电解质区域和正/负极固相颗粒区域的离子浓度方程空间离散算子；步骤三、计算电池初始时刻的状态量，包括电池的电解质和固相颗粒的初始离子浓度、初始电势和初始材料属性，以及正负极的等效电路结构中各电路元件的初始值；步骤四、进入时间循环迭代计算，按照选取的计算时间步长时间推进求解电解质区域离子浓度方程和正/负极固相颗粒区域离子浓度方程，获得电池负极、隔膜和正极的电解质内的离子浓度分布以及电池正/负极固相颗粒内的离子浓度分布；步骤五、判断获得的电解质内离子浓度和正/负极固相颗粒内离子浓度是否出现了负值或是否超过了最大离子浓度限制；若是，则结束时间循环迭代并给出非正常退出提示信息；若否，则进入步骤六；步骤六、根据获得的电解质内离子浓度分布，计算获得电池负极、隔膜和正极区域的电解质电势分布；根据获得的固相颗粒内离子浓度分布，计算获得电池正/负极区域的固相颗粒表面电势分布和平均电势分布；根据获得的电解质电势分布、固相颗粒表面电势分布和平均电势分布以及此时电池的其它状态变量，更新计算电池的工作电压；步骤七、根据具体输入工况模式更新输入电流；若是恒电压输入，则根据设定的恒定电压更新输入电流；若是恒功率输入，则根据设定的恒定功率更新输入电流；若是恒电流输入，则无需更新输入电流；步骤八、根据获得的电解质电势分布、固相颗粒表面电势分布和平均电势分布以及此时电池的其它状态变量，更新正/负极区域等效电路结构中各支路的电阻值；步骤九、根据等效电路结构特点，采用回路分析法建立关于各回路电流的电路方程组，并求解电路方程组，获得各分支电路的电流分布；步骤十、判断是否是恒温计算；若是，则无需更新温度；若否，则根据已知的电化学状态量求解热模型，更新电池的温度；步骤十一、根据计算获得的电池状态变量，更新电解质区域和固相颗粒区域的材料电化学
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热属性参数，并保存此时间步的计算结果；步骤十二、判断是否达到截止电压或截止电流。若是，则退出时间循环迭代，完成本次计算；若否，则继续后续计算；步骤十三、根据自适应时间步长控制算法更新下一个计算时间步长，并累加到目前计算的物理总时间上；判断目前的物理总时间是否超过所设定的总时间；若超过，则退出时间循环迭代，完成本次计算；若未超过，则进入下一步时间循环迭代，进入步骤四继续循环计算。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，其特征在于：步骤七中所述根据具体输入工况模式更新输入电流，具体计算方法包括：(1)对于恒电压输入情况，等效电阻的定义为：
式中：U
batt
为电池的工作电压；I
batt
为电池的输入电流；为电池的等效电阻；假设等效电阻在局部时间段内是线性变化，则新时间步的等效电阻值可根据前两个时间步的等效电阻值线性外插得到：根据新时间步的等效电阻值，则可以更新下一个时间步的输入电流为：上述局部线化对时间步长提出了一定的要求；为了保证时间精度和数值稳定性，结合自适应时间步长控制算法，引入如下另一个变化度量e
n
，即：式中：为t
n
时刻的电池端电压；为给定恒电压；(2)对于恒功率输入情况，基于给定的恒功率值和当前时间步的电池端电压来更新下一个时间步的输入电流：3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，其特征在于：所述自适应时间步长控制算法的表达式为：式中：下标n表示时间步数；TOL为预给定的容差；K
P
，K
I
和K
D
为控制器的参数，取为K
P
＝0.075，K
I
＝0.175，K
D
＝0.01；e
n
为所关注的物理量在t
n
时刻的变化度量；为了防止预估的计算时间步长过大或过小增长，进一步引入如下步长限制为：Δt
min
≤Δt
n+1
≤Δt
max
式中：Δt
min
和Δt
max
分别为预设定的容许的最小和最大计算时间步长；m和M分别为预设定的容许的最小和最大计算时间步长增比；采用固相颗粒的表面开路电压U
p
计算t
n
时刻的变化度量e
n
，具体形式如下：式中：||*||2为向量的2
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范数。4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池电化学
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热耦合特性的快速计算方法，其特征在于：所述自适应时间步长控制算法的具体步骤如下：(1)根据计算精度、稳定性和效率的要求，预先设定容差TOL...

【专利技术属性】
技术研发人员：张胜涛，
申请(专利权)人：海仿上海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：