[发明专利]一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用下述技术方案。

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，R_b为欧姆电阻，b₁为比例系数，E_1b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。