一种锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。
[0009] -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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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：
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 优选的，步骤S12中所述辨识欧姆电阻参数的步骤包括：
[0019] S121、辨识得到各个温度下的欧姆电阻；
[0020] 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；
[0021 ] S123、构建欧姆电阻与温度的Ar方程，即xefe ;其中，Rb为欧姆电阻，h为比 例系数，Eib为活化能，R为气体常数，T为电池温度。
[0022]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：
[0023] 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；
[0024] 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
[0025] S23、考虑实际应用的简化需求，将Π )方程简化关
[0026 ] Z p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。
[0027] 优选的，步骤S23中，分析待拟合的极化电阻或极化电容参数，其步骤包括：
[0028] S231、根据欧姆电阻与温度的函数关系，构建极化电阻ro方程中待拟合的极化电 阻参数与温度的函数关系，极化电阻参数与温度的函数关系为&τ<：0=/7ιιΧ￡Ι^
[0029] Rix为极化电阻参数，bix为比例系数，Ε?χ为活化能，R为气体常数，Τ为电池温度;X为 FD方程中待拟合的极化电阻参数(α、β、ε)。
[0030] S232、根据锂离子电池内部电化学反应机理，通过分析极化阻抗与电化学反应速 率的关系，确定极化电容FD方程中待拟合的极化电容参数与温度的函数关系；
[0031] S233、构建ro方程中待拟合的极化电容参数与温度的Ar方程，极化电容参数与温 度的Ar方程为= ，
[0032] C2x为极化电容参数，b2x为比例系数，E2x为活化能，R为气体常数，T为电池温度;x为 FD方程中待拟合的极化电容参数(α、β、ε)。
[0033] 所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法构建了极化电阻、极化电容与 频率的定量函数关系，即FD方程；
[0034]所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法构建了欧姆电阻和ro方程中待 拟合的极化电阻或极化电容参数与温度的定量函数关系，即欧姆电阻、Π )方程中待拟合的 极化电阻或极化电容参数与温度的Ar方程；
[0035] 所述锂离子电池的低温频域电-热模型的构建方法在不同工况下进行实验验证， 构建的锂离子电池的低温频域电-热模型能够体现锂离子电池的频率、温度和电流特性； [0036]该模型具有简单实用、精度高等特点；
[0037]本发明的有益效果：
[0038]本发明所述技术方案具有考虑频率与温度影响、模型简单、可靠实用和模型精度 高等效果;考虑锂离子电池的频域特性，构建极化阻抗与频率的函数关系;考虑锂离子电池 的温度特性，构建极化电阻、极化电容与温度的函数关系；该模型简单，等效电路模型为一 阶等效电路模型，计算方便，精度较高，有利于电池管理系统的在线应用。
【附图说明】
[0039]本发明有如下附图：
[0040] 图1锂离子电池在不同温度下的阻抗谱图
[0041] 图2锂离子电池频域一阶等效电路模型
[0042] 图3锂离子电池在_15°C时极化阻抗随频率变化的曲线图
[0043] 图4锂离子电池欧姆电阻随温度变化的曲线图
[0044] 图5锂离子电池极化电阻、极化电容参数随温度变化的曲线图 [0045]图6锂离子电池在_15°C时500Hz的正弦信号模型验证的曲线图
[0046] 图7锂离子电池仿真曲线与实测电压误差分布图
[0047] 图8本发明模型构建方法的示意图
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
[0049] 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：
[0050] 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；
[0051] 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；
[0052] 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；
[0053] 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。
[0054]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：
[0055] 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；
[0056] 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；
[0057] 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；
[0058] 优选的，步骤S12中所述辨识欧姆电阻参数的步骤包括：
[0059] S121、辨识得到各个温度下的欧姆电阻；
[0060] 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；
[0061 ] S123、构建欧姆电阻与温度的Ar方程，即= xel;其中，Rb为欧姆电阻，bi为比 例系数，Eib为活化能，R为气体常数，T为电池温度。
[0062]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；
[0063] 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；
[0064] 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
[0065] S23、考虑实际应用的简化需求，将ro方程简化夕
[0066] Z p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。
[0067] 优选的，步骤S23中，分析待拟合的极化电阻或极化电容参数，其步骤包括：
[0068] S231、根据欧姆电阻与温度的函数关系，构建极化电阻ro方程中待拟合的极化电 阻参数与温度的函数关系，即
[0069] Rix为极化电阻参数，bix为比例系数，Ε?χ为活化能，R为气体常数，T为电池温度;X为 FD方程中待拟合