[发明专利]基于赛博物理系统的全生命周期动力电池管理装置及方法

权利要求书

1.一种基于赛博物理系统的全生命周期动力电池管理装置，其特征在于，包括集成化虚拟系统，信息交互系统，实体电池系统：

所述实体电池系统建立在物理空间内，用于获取车辆、电池的信息数据，以及根据集成化虚拟系统制定的优化策略对电池进行控制；

所述信息交互系统构建赛博空间与物理空间的信息交互通道，将集成化虚拟系统输出的优化决策传输至实体电池系统，以及将实体电池系统获取的信息数据传输至集成化虚拟系统；

所述集成化虚拟系统为在赛博空间内建立的与实体电池系统对应的、可在全生命周期内无限逼近实体电池系统的数字孪生模型，在赛博空间内实现电池系统的状态跟踪、性能评估、性能预测和故障监控，以此形成电池系统的控制策略并完成滚动优化；

所述数字孪生模型如下：

（1）固相离子扩散方程

方程求解量：C_s 正极/负极离子浓度；

其中，r为径向方向，下标s表明为固相区域，y=n或p，n表示负电极，p表示正电极，分别对应负极粒子和正极粒子；C_s,y(r,t)为固相锂离子浓度；D_s,y为固相区域内正负电极的锂离子扩散系数；t为时间；

（2）液相离子扩散方程

方程求解量：C_e液相离子浓度；

其中，x为厚度方向，下标y=p,n或s，分别对应正、负电极和隔膜，C_e,y(x,t)为液相锂离子浓度，ε_e,y为液相电解质的体积分数，依据经验选取；F为法拉第常数，t₊为经验参数；D_eff为锂离子在液相中的有效扩散系数，依据经验公式修正；j_tot为电流密度，为输入；

（3）固相电势方程

方程求解量：固相电势；

其中为固相电势分布，为固相材料中的等效电导率，依据经验获取；j_tot为电流密度；

（4）液相电势方程

方程求解量：液相电势；

其中，为液相电势分布，R对应理想气体常数，T对应电池温度，为电解液的有效电导率，f对应电解液的离子活度系数；

（5）脱锂与嵌锂反应

其中，i_0,int为脱嵌锂过程的电极反应交换电流密度，η_int,y为脱嵌锂过程中的反应过电势，α_a,int为阳极传递系数，α_c,int为阴极传递系数，且：

方程求解量：j锂离子交换电流密度，决定锂离子是否嵌入或脱出；

α为正极/负极传递系数，为0.5；η为反应过电势，为0；

（6）SEI膜增厚反应方程

方程求解量：j_SEI，为SEI膜生长电流密度

其中，k_SEI对应SEI膜生成过程的反应速率参数，取固定经验公式，c_EC对应负极粒子表面的电解质浓度，为电化学模型求解量，α_c,SEI=0.5是SEI生成反应的传递系数，F为法拉第常数，R为理想气体常数，T为温度值，为热模型求解量，单位为K，为固相电势，其为电化学模型求解量，为液相电势，其为电化学模型求解量，U_SEI是SEI膜生成反应的平衡电势，取U_SEI为0Vvs Li/Li⁺，j为电流密度，由输入电流计算得到，R_film为SEI膜等效膜阻，由膜厚度计算得到；

（7）析锂反应方程

方程求解量：j_LP，为析锂电流密度；认为析锂不可逆，所以最小值为0；

其中，k_LP对应析锂过程的反应速率常数，C_e为负极离子浓度，由电化学模型计算得到，C_e,ref为参考负极离子浓度，由材料本身获取，α_a,LP和α_c,LP对应电池电极的析锂反应传递系数，分别为0.3和0.7，析锂反应平衡电势η_LP取0V vs Li/Li⁺；

（8）生热模型

欧姆热计算方程：

方程求解量：q_o，为电池欧姆生热；

其中，σ_eff为导热系数，电池导热系数包括x，y，z三个方向，κ_y和κ_d为化学反应速率，为经验公式选取，为固相电势，由电化学模型计算得到，为液相电势，由电化学模型计算得到，c_e为液相离子浓度，由电化学模型计算得到；

极化热计算方程：

方程求解量：q_p，为电池极化生热；

其中，i为电流密度，S_y为SEI膜电导率，为6*10^-6，R_film为SEI膜阻，由SEI膜厚度计算得到。