[发明专利]基于电化学理论和等效电路模型的电池模型及其构建方法

说明书

本发明实施例提供一种基于电化学理论和等效电路模型的电池模型及其构建方法，该方法包括：采用一阶RC等效电路模型作为电池模型的拓扑；利用改进、简化后的Nernst方程、Arrhenius方程及Bulter‑Volmer方程来分别描述温度对拓扑中受控电压源的影响、温度对第二电阻的影响、以及温度和倍率对极化电阻的影响。本发明实施例得到适用于宽温度范围、宽倍率范围的电池模型；解决了传统等效电路模型对于参数的温度敏感性和倍率敏感性描述缺乏理论依据，导致温度和倍率变化时模型误差较大的问题，为电池在温度、倍率多变的环境中的应用提供了依据，既能适应温度和倍率变化又能兼顾模型精度和模型计算开支。

技术领域

本发明涉及电池建模技术领域，具体涉及一种基于电化学理论和等效电路模型的电池模型及其构建方法。

背景技术

为了应对环境污染和能源枯竭问题，我国正在大力推广新能源汽车和新能源轨道交通车辆。近年来，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命的优势成为车辆动力系统的首选。其中，以钛酸锂材料为负极的钛酸锂电池相比于其他的电池又有着更为出色的安全性、耐大倍率和低温特性以及超长的循环寿命。

因此对于一些特殊的应用领域，比如对安全性和倍率特性要求较高的轨道交通领域，钛酸锂电池成为了最佳选择。

电池模型作为电池内部状态和输出电压之间的桥梁，对于电池系统开发和电池状态评估不可或缺。目前常用的电池模型有两大类：电化学模型和等效电路模型。电化学模型从电化学机理上解释了电池内部的化学反应，可以取得很高的模型精度，但是模型参数太多、部分参数无法直接获取并且模型求解需要很大的计算开支；等效电路模型优势在于模型结构简单、计算开支小但是由于缺少电化学理论依据，因此无法准确描述温度和倍率对模型参数的影响，因此当温度和倍率变化时误差较大。

考虑到钛酸锂电池运行条件常常比较苛刻，主要体现在工作环境温度多变、工作电流大，其次考虑到实际应用中有限的计算资源，因此对于钛酸锂等电池有必要提出一种既能适应温度和倍率变化又能兼顾模型精度和模型计算开支的改进模型。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明实施例提供一种基于电化学理论和等效电路模型的电池模型及其构建方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于电化学理论和等效电路模型的电池模型，包括：采用一阶RC等效电路模型作为电池模型的拓扑；其中，所述一阶RC等效电路模型包括串联连接的受控电压源、第二电阻和由第一电阻和第一电容构成的电阻电容并联网络；所述受控电压源表示由电池SOC决定的开路电压OCV，所述第二电阻表示电池内部的欧姆内阻，所述第一电阻表示电池的极化内阻，所述第一电容表示电池的极化电容；利用改进、简化后的Nernst方程来描述温度对所述受控电压源的影响，利用改进、简化后的Arrhenius方程来描述温度对所述第二电阻的影响，以及利用改进、简化后的Bulter-Volmer方程来描述温度和倍率对所述极化电阻的影响。

进一步地，所述改进、简化后的Nernst方程的表达式为：

U_OCV＝k₁T+k₂ (2)

其中，U_OCV表示受控电压源，T表示绝对温度，k₁和k₂表示Nernst 方程改进、简化后的系数；

所述改进、简化后的Arrhenius方程的表达式为：

其中，R₀表示所述第二电阻，p₁、p₂和p₃表示Arrhenius方程改进、简化后的系数，T表示绝对温度；

所述改进、简化后的Bulter-Volmer方程的表达式为：