【《锂离子电池模型分析概述》2500字】

锂离子电池模型分析概述目录TOC\o"1-3"\h\u27808锂离子电池模型分析概述 176971.1电池模型分类 140111.1.1电化学模型 1308541.1.3等效模型（ECM） 2221891.2.1电池模型的建立 6156221.2.2电池模型分析 71.1电池模型分类对于整个电池管理系统而言，电池模型的建立有着非同一般的意义，基于对电池的研究，由于电池的种类不同，所以要选取不同的模型来进行实验。电池模型可以分为电特性模型、热特性模型，寿命特性模型三类，本文主要对电子的电特性模型进行研究，电池的电特性模型大致来说可以分为两类，一类是机理模型，一类是经验模型。机理模型主要是根据电池的内部工作的过程和原理来描述电池在充放电过程中内部的变化以及特征；经验模型主要是描述电池外部特性，以及电压电流特性的模型。常见的电池模型主要分为三类，分别是电化学模型，解析模型和等效电路模型[19]。1.1.1电化学模型电化学模型是一种机理性质的模型，此模型详细的介绍了在充放电过程中或者静置的过程中一系列的物理和化学反应的的过程，绝大部分是物理过程，电化学模型的电极系统的电极过程主要有三个，一是反应物由固相的内部向相界面反应区的传达；二是相界面反应区，反应物进行反应进而生成反反应物；三是反应物离开相界面反应区。此模型的构建原理是利用微分方程来表达电池内部的化学反应过程，此模型的优点是可以通过偏微分方程来详细的描述电池内部的物理化学过程，具有很高的精度，但它也有很多缺点，例如，存在一些假设条件，某些推导过程过于理想化，并且该模型较为复杂，求解困难，在线难以直接的应用，模型参数繁多，主要包括电池结构、化学材料、工作温度等[20]，并且这些参数值的精确度获取很困难，所以它主要被用于设计模型，在实际中并不常见，所以本文不采用此类模型来进行实验研究。1.1.2解析模型解析模型是指模型中的模型参数，初始条件和其他的输入信息以及模拟时间和结果之间的一切关系均以公式，方程式和不等式来表示。所以它的构建原理是在其模型中所涉及的运算过程用等效数学方程替代的过程。此电池模型的优点是在预测方面可以起到大作用。不足的地方在于用于仿真不够灵活，电池的电路特性被大大忽略，并且不利于管理多个电池组和设计硬件电路[21,

22]。所以本文不采用解析模型来进行实验研究。1.1.3等效模型（ECM）等效电路模型简称为ECM,是一种经验模型，主要描述电池外部特性以及电池的电流电压特性，它的构建原来是相互结合了电池的基本特征和电子元件。例如，一个电压源、一个大电容、一个可变电阻可以分别等效成电池的开路电压、电池的容量、电池的内阻等等。该模型非常适用于仿真研究中。所以本文采用了等效模型来进行实验仿真研究。研究低温下二阶RC等效电路的参数辨识。下面为几种常见的等效模型的介绍：内阻模型美国的爱达华国家实验室提出了内阻模型。如图3所示，此模型最简单，也最理想化，电池的很多内部参数被该内阻模型所忽略，所以仅仅适用于了解电池的工作原理。图SEQ图\*ARABIC3内阻模型示意图在电池内阻模型的示意图中，U表示电池的端电压；Uocv表示等效于开路电压，R表示该电池的内阻。所以，该内阻模型的等效表达式为：（2）RC模型RC模型设计于SATF公司，如图4所示，该模型相对于内阻模型来说较为复杂，但是使用的范围仍然不广泛。图SEQ图\*ARABIC4RC模型示意图RC模型如图4所示，电池的端电压用U表示；Cb表示该电池的储蓄能力，是一个大电容，Ub为该电容对应的端电压;电容Cc即极化电容，Uc为该电容对应的端电压;电阻RE表示电池的终止电压，RT表示电池的端电压，RP表示电池的极化电阻。RC模型的等效表达式：（3）Thevenin模型模型图如图7所示，此模型是使用最多的一种模型，在此模型的基础上改进而来得到了很多模型。图SEQ图\*ARABIC5Thevenin模型示意图Thevenin模型如图5所示，UOCV表示电池的开路电压；U表示电池的端电压；R0表示电池的欧姆内阻；RP表示电池的极化电阻；CP表示电池的极化电容，电池的暂态反应由RP和CP这两个原件组成的回路来表示，Up为暂态反应对应的端电压。Thevenin模型的等效表达式为：（4）PNGV模型PNGV模型是一种新模型，它是通过修改Thevenin模型而得到的，如图8所示，该模型加入了一个电容C0，此电容主要用于表现开路电压随负载电流积分的变化过程，它所对应的端电压为U0。图SEQ图\*ARABIC6PNGV模型示意图在PNGV模型示意图中，UOCV表示电路的开路电压；U表示电池的端电压；R0表示电池的欧姆内阻；CP表示电池的极化电容。RP表示电池的极化电阻，UP为它对应的电压。PNGV模型对应的表达式为：PNGV模型是一种低阶模型，相较于Thevenin模型，PNGV模型多了一个电容，所以此模型相较于先前模型来说精度高一些，所以该模型在电动汽车领域中应用非常广泛。（5）GNL模型在PNGV模型的基础上，添加一个RC回路和一个电阻RS就构成了GNL模型，此电阻用来表示电池自放电，如图9所示。相较于PNGV模型来说，该模型的RC的阶次高，并且提高了电池模型的准确度，但是相比于先前模型，此模型大大提高了参数辨识的难度。图SEQ图\*ARABIC7GNLM模型示意图GNL模型如图7所示，UOCV表示电路的开路电压；电池的端电压用U表示；电池的欧姆内阻用RO表示；Rep和Cep构成了一个RC电路，此回路对应端电压为Uep；Rcp和Ccp构成了一个RC回路，此回路对应端电压为Ucp。GNL模型的表达式为;1.2电池模型的建立1.2.1电池模型的建立二阶RC等效电路模型在一阶RC等效电路模型的基础上又串联了一个RC并联回路，在描述了锂电池的非线性特性的同时，更加准确地描述了锂电池充放电过程中的极化效应，并且模型复杂程度较低，易于工程实现。锂离子电池的二阶RC等效电路模型如图10所示。R1UR1UC2C1R1IR0Uocv图SEQ图\*ARABIC8二阶RC等效电路模型1.2.2电池模型分析二阶RC等效电路模型可由如下数学表达式描述：式中：Uo——电池端电压；Uoc——开路电压；U1——第1个RC并联回路的电压；U2——第2个RC并联回路的电压；I——流经电池的总电流；R0——欧姆内阻；R1，R2——极化电阻；C1，C2——极化电容；τ1，τ2——两RC并联回路的时间常数。在该模型中，R0用来表征充放电开始和结束时刻电池端电压突变的现象；R1，C1并联回路用来表征电池充放电过程中的电化学极化效应，此效应产生时间较短，因此τ1的值较小；R2，C2并联回路用来表征电池充放电过程中的浓差极化效应，该效应产生时间较长，因此τ2的