【《锂离子电池内部短路在线诊断仿真案例》2000字】

锂离子电池内部短路在线诊断仿真案例目录TOC\o"1-3"\h\u29376锂离子电池内部短路在线诊断仿真案例 1136601.1.1内部短路工况有限元仿真 198241.1.2内部短路电阻在线辨识方法 2209881.1.3内部短路电阻在线辨识结果与分析 4锂离子电池发生内部短路时，电池内部会有额外的电量消耗，在同样的工况下，发生内部短路的电池与正常电池相比，输出电压会有一定的衰落。因此本节基于锂离子电池内部短路等效电路模型进行诊断。内部短路工况有限元仿真为了模拟锂离子电池发生内部短路时候的情况，通过第二章建立的电池内部短路有限元模型，对电池内部短路在DST工况和FUDS工况下的情形进行了模拟。电池在这两种工况下，内部短路严重程度对输出电压的影响如图4.5所示。从图中可见，在同样的工况下，随着电池内部短路加重，其输出电压与正常电池的输出电压偏差越大。随着时间的积累，额外电量损失增大，输出电压偏差增大更显著。(a)DST工况(b)FUDS工况图4.5电池不同内部短路在不同工况下的输出电压Figure4.5Outputvoltageofbatterieswithdifferentinternalshortcircuitsunderdifferentoperatingconditions内部短路电阻在线辨识方法在4.1节中建立的正常锂离子电池二阶等效电路模型基础上，引入电池内部短路等效电阻Rshort形成锂离子电池内部短路二阶等效电路模型，如图4.6所示。图STYLEREF1\s4.6锂离子电池内部短路二阶等效电路模型Figure4.6Second-orderequivalentcircuitmodelforinternalshortcircuitoflithium-ionbatteries锂离子电池发生内部短路后，因为短路电阻的分流影响，电池正负极端口电流与电池实际电流不一致，电池的端口电流、实际电流和内部短路电流满足下式。（4-26）式中，I和Ibat分别表示为电池端口电流和实际电流，正值表示电池充电，负值表示电池放电；电池内部短路电流Ishort由高电位的正极流向低电位的负极，始终为正值。其中的电池内部短路电流由电池电压和内部短路等效电阻决定，满足下式。（4-27）在同样的工况电流I，而存在不同严重程度的内部短路电流Ishort的影响下，电池实际电流Ibat受到影响，从而影响电池输出电压Vout。因此可以通过输出电压在一个时间段的变化来辨识电池内部短路等效电阻Rshort。锂离子电池内部短路二阶等效电路simulink模型如图4.7所示，在4.1节的锂离子电池二阶等效电路simulink模型的基础上，增加了一个内部短路等效电阻Rshort检测模块。图STYLEREF1\s4.7锂离子电池内部短路二阶等效电路simulink模型Figure4.7Second-orderequivalentcircuitsimulinkmodelforinternalshortcircuitoflithium-ionbatteries通过在线动态迭代调整内部短路状态使等效电路模型输出电压与有限元模拟输出电压的误差尽可能小。误差采用均方根误差，如下式所示。（4-28）式中，n表示选取的时间段内采样电压数据的个数，Vout_comsol为电池有限元模型输出电压，Vout_circuit为电池内部短路二阶等效电路模型的输出电压。锂离子电池内部短路等效电阻辨识方法如图4.8所示，首先输入锂离子电池的输入工况电流和有限元模型在该工况下的输出电压，其次定义内部短路等效电阻的初始值和输出电压的最小均方根误差，然后进入内部短路等效电阻循环迭代检测，最后输出内部短路辨识结果。算法：锂离子电池内部短路等效电阻迭代辨识方法Input：I、Vout_comsol。Output：内部短路等效电阻Rshort。[1]initRshort、min_S_rmse。[2]for1:最大迭代次数[3]对电池内部短路等效电路simulink模型进行仿真输出Vout_circuit。[4]计算Vout_comsol与Vout_circuit的均方根误差S_rmse。[5]ifS_rmse<=min_S_rmse[6]满足停止准则。[7]end[8]if均方根误差S_rmse缩小表示检测结果收敛[9]继续增大内部短路电阻ΔRshort>0。[10]else均方根误差S_rmse增大表示检测结果发散[11]应适当减小内部短路电阻ΔRshort<0。[12]end[13]内部短路电阻改进迭代Rshort=Rshort+ΔRshort。[14]end图STYLEREF1\s4.8内部短路等效电阻辨识方法Figure4.8Internalshortcircuitequivalentresistanceidentificationmethod内部短路电阻在线辨识结果与分析通过上一小节电池内部短路等效电阻的辨识方法，电池内部短路等效电阻循环迭代辨识过程如图4.9所示。图中是在FUDS工况下，以3种内部短路情形为例的辨识过程，随着内部短路等效电阻逐次迭代，辨识的结果慢慢收敛于真实内部短路状态。对于相对严重的内部短路情形，诊断优先级更高，所以从较低的内部短路等效电阻为初始点逐次向高的短路电阻方向迭代。为了减少整个辨识过程的计算量，在迭代初期通过判断均方根误差大小来选举较大的迭代步长；为了准确辨识内部短路等效电阻，迭代后期减小迭代步长。电池内部短路严重程度越轻，辨识的循环迭代次数更长，需要更长的时间去收敛才能辨识出结果。图STYLEREF1\s4.9电池内部短路等效电阻辨识过程Figure4.9Theprocessofidentifyingtheinternalshortcircuitequivalentresistanceofbatteries锂离子电池内部短路在早期阶段的潜伏期很长，发展到中期阶段时，电池输出电压异常表现的更明显，不过中期时间段缩短，而到了晚期阶段电池热失控风险较高随时可能发生突变。因此本文在DST工况和FUDS工况下对锂离子电池早期和中期的10种内部短路等效电阻进行辨识。其中在DST工况中选取了350s的电流、电压片段，采样间隔为0.5秒；在FUDS工况中选取了1000s的电流、电压片段，采样间隔为1秒。电池内部短路等效电阻辨识结果如图4.10所示，其中图4.10(a)为DST工况下的辨识结果，早期阶段的5个内部短路等效电阻辨识结果与真实值偏差稍大，而虚线框内的中期阶段的5个内部短路等效电阻辨识结果与真实值吻合较好；图4.10(b)为FUDS工况下的内部短路等效电阻辨识结果，总体辨识情况较好，只有中期阶段个别点的辨识略有波动，这是因为采取的FUDS工况片段长于DST工况，更长的时间能给内部短路辨识带来优势，只不过会增加一定的运算量。(a)DST工况辨识结果(b)