[发明专利]一种锂离子电池电极活性材料表面锂浓度的实时估计方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池电极活性材料表面锂浓度的实时估计方法，该方法包括：获得电池端口的电流序列、温度序列和电极活性材料基础参数，计算电极活性材料表面锂浓度、平均锂浓度、扩散过程暂态变量初值；获得电极活性材料扩散性能参数；当前时段开始时，计算电极活性材料表面反应离子通量、扩散系数、活性材料中锂扩散过程暂态变量时间常数；分别获得扩散过程暂态变量、活性材料平均锂浓度、活性材料表面锂浓度与时间的函数关系；当前时段结束时，计算活性材料扩散过程暂态变量、活性材料平均锂浓度；进入下一时段，重复前述步骤，直至仿真结束。本方法可降低锂离子电池电化学模型的复杂度，促进其实用化。

技术领域

本发明属于锂离子电池建模仿真领域，具体涉及一种锂离子电池电极活性材料表面锂浓度的实时估计方法。

背景技术

近年来，随着锂离子电池在电动汽车、电网储能等领域广泛应用，提高电池使用经济性和安全性的需求日益增加。为此，需要建立精细化的锂离子电池模型，使其具备准确描述电池内部状态变化和外部输出特性的能力，并基于电池模型提出科学高效的管理策略。目前，锂离子电池模型主要分为三类：一是基于电化学机理的模型，二是等效电路模型，三是数据驱动的黑箱模型。在实际应用中，以等效电路模型最为广泛。然而，等效电路模型的本质是用一系列电路元件对电池的外特性进行拟合，实质上采用的还是数据驱动的思路，这些电路元件并不具备物理意义和描述电池内部状态的能力，因此模型的精度和可解释性难以从根本上提高。随着上层应用对电池建模精细程度的要求越来越高，只有基于电化学机理的电池模型才具备达到这些要求的潜力。目前，制约锂离子电池电化学模型大规模应用的主要瓶颈在于其高复杂度。因此，需要提出能够有效削减锂离子电池电化学模型复杂度的相关技术，破除其在实际工程中广泛应用的障碍。

锂离子电池的充放电过程实际上是锂离子从一侧电极活性材料粒子中向表面扩散并脱出，在电解质中迁移并穿过隔膜，然后在另一侧电极活性材料粒子中嵌入并向内扩散的过程。其中，锂离子在活性材料粒子中的扩散决定了活性材料表面的锂浓度，进而直接影响电池内部的反应速率，是决定电池特性的主要环节。在经典的锂离子电池电化学模型中，锂离子在活性材料中的扩散遵循菲克第二定律，需要求解二阶偏微分方程，计算复杂度很高。目前，有部分研究对锂在活性材料中的扩散提出了化简方法。来自德州大学奥斯汀分校的学者利用多项式近似的方法模拟活性粒子内部径向上的锂离子浓度分布(Subramanian V R,Diwakar V D,Tapriyal D.Efficient macro-micro scale coupledmodeling of batteries[J].Journal of The Electrochemical Society,2005,152(10):A2002-A2008.)。来自密歇根大学的学者使用帕德近似方法找到与锂离子扩散过程具有相近频率特性的多项式传递函数，通过改变近似传递函数的阶数降低模型复杂度(Forman JC,Bashash S,Stein J L,et al.Reduction of an Electrochemistry-Based Li-IonBattery Model via Quasi-Linearization and Padé Approximation[J].Journal ofThe Electrochemical Society,2011,158(2):A93-A101.)。

总结来看，已有致力于化简锂离子在电极活性材料中扩散过程的研究主要分为两种思路：一是在时域上通过经验公式对锂浓度分布进行拟合，二是在频域上找到相似的传递函数代替，再映射回时域。前者的问题在于，经验公式往往与电极活性材料的用料有关，随着锂离子电池生产工艺的不断进步，电极活性材料向着多物料掺杂的方向发展，固定参数的经验公式不具备适用广泛活性材料的灵活性。后者的问题在于，频域上的近似传递函数需要考虑活性材料粒子径向每处的浓度情况，实际上影响电池特性的主要是活性材料粒子的平均锂浓度和表面锂浓度，频域近似法需要兼顾径向各处浓度，是对各处精度均衡考虑后的结果，难以专门保证平均锂浓度和表面锂浓度的高精度。因此，对锂离子电池电极活性材料表面锂浓度的估计方法，既需要灵活性强，便于迁移到不同电极材料，又需要在计算简便的情况下保证平均锂浓度和表面锂浓度的精度。与本发明相关的背景技术包括：