基于析气现象的锂电池系统建模

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1、基于析气现象的锂电池系统建模摘要：基于析气现象和热力学原理对锂电池系统在临界和非临界情况下的动力学特性进行了较为细致的研究，建立了以荷电状态（ＳＯＣ，ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）、温度、开路电压和内阻为状态变量的系统动力学模型并应用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件实现了相应的动态仿真。仿真结果表明，该模型不仅能反映锂电池在非临界情况下的动力学特性，而且在一定程度上还能较为准确地描述临界情况的非线性动力学特性。关键词：锂电池建模；析气现象；热力学模型；荷电状态；系统仿真Li-ionbatterysystemmodelingbasedong

2、assingphenomenonＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｇａｓｓｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎａｎｄｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｓｙｓｔｅｍｕｎｄｅｒｃｒｉｔｉｃａｌａｎｄｎｏｎ－ｃｒｉｔｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＡｄｙｎａｍｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｂａｔｔｅｒｙｓｙｓｔｅｍｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｗｉｔｈＳＯＣ（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ），ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｏｐｅ

3、ｎｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅａｓｔｈｅｓｔａｔｅｖａｒｉａｂｌｅｓａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｂｏｔｈｎｏｎ－ｃｒｉｔｉｃａｌａｎｄｃｒｉｔｉｃａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｇａｓｓｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ；ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌ；

4、ＳＯＣ；ｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ蓄电池系统建模是车载动力蓄电池管理系统研发的一个重要内容。目前，蓄电池模型主要有：(1)基于蓄电池内部反应机理的电化学模型，如Peukert方程，Shepherd[1]模型和Un-newehr[2]模型等。这类模型,其参数受电池结构、材料、尺寸的影响且较难确定，不适合用于控制设计。(2)基于试验所得外特性的等效电路模型，如FreedomCAR模型[3]及在此基础上的各种改进模型[4]。这类模型利用RC电路模拟蓄电池内部的极化过程，在一定程度上体现了蓄电池系统的动态特性。另外，RC等效电路模型易在单片

5、机上实现，应用也最为广泛[4]。(3)神经网络模型，目前常采用典型的三层网络结构[5]来描述蓄电池系统的一些非线性静态特性，但其抗干扰性较弱，并且只能在原始训练数据的范围内使用。(4)交流阻抗模型[6]通过电池的交流阻抗特性进行建模，可以比较精确地反应电池的动态特性。上述蓄电池模型多数只适用于蓄电池SOC在30%~70%的非临界情况。蓄电池系统在非临界情况下基本呈线性特征。而对于蓄电池即将充满(SOC>85%)的临界情况，上述模型很难对蓄电池动力学特性进行有效的描述。因此，针对上述研究现状和锂电池特点，本文提出了一种基于析气现象和热力学原

6、理，并应用查表法描述非线性特征的锂电池系统动态模型，以期将模型的适用范围拓广至SOC>85%的临界情况。１模型建立在锂电池系统中，SOC涉及电池充放电控制策略和电池能量管理，温度影响电池的性能和安全性，开路电压和内阻关联电池的输出电压。本文根据锂电池工作的电化学反应机理、热力学特性和观测到的实验现象，导出了荷电状态SOC、温度T、开路电压U0和内阻Ri这些变量的状态方程表达式和相关的工作电压方程式(输出方程)，构建了以SOC子模块、温度(热力学)子模块、开路电压子模块和内阻子模块以及工作电压子模块组成的锂电池系统模型。如图1所示，模型中工

7、况电流I、热量交换和环境温度Tamb为输入信号，电池工作电压Ui为输出信号。Matlab/Simulink仿真模型通过数据总线的形式获取各子模块的输入量、输出量及系统的状态变量，用于各个子模块的计算。锂电池系统中，影响荷电状态SOC、温度T、开路电压U0和内阻Ri变化的因素关系多呈非线性且变量之间相互耦合，较为复杂。查表法[7](LookupTable)把实验获得的、不易解析表达的数据信息关系，以表格的形式实现，简单易行，在工程中应用广泛。本文提出的锂电池系统模型也应用了查表法。１．１ＳＯＣ子模块SOC值本身是锂电池状态的一个重要参数，又

8、涉及到其它变量的计算，因此，SOC计算模型是整个模型中最重要的子模块。目前，关于SOC计算的典型方法[8]有：安时法、开路电压ÁÂÃQ췸研究与设计法、内阻法、Kalman滤波法[9]、神经网络