鋰離子電池多物理模型參數(shù)辨識及健康特征提取.pdf

1、鋰離子電池廣泛應用于電動車輛、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域，對其內(nèi)部健康狀態(tài)進行準確的評估是保證電池安全工作的前提，這就需要獲得電池內(nèi)部健康狀態(tài)的準確信息。然而，鋰離子電池是典型的動態(tài)、非線性電化學系統(tǒng)，使用過程中其內(nèi)部健康狀態(tài)難以直接測得。電池材料特性研究者常采用“事后分析法”研究內(nèi)部老化機理，該方法需要拆解電池因而無法直接工程應用；而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康狀態(tài)估計和壽命預測研究不涉及電池內(nèi)部機理，難以對電池內(nèi)部健康狀態(tài)進行準確描述。本文在鋰離子電池多

2、物理模型的基礎(chǔ)上、對參數(shù)辨識及內(nèi)部健康特征提取方法進行了深入研究，旨在解決如何準確、無損的獲取電池內(nèi)部健康特征這一關(guān)鍵問題，挖掘內(nèi)部健康特征隨電池老化過程的變化規(guī)律，并依此對造成電池循環(huán)性能下降的因素進行了定量分析，最終獲得了豐富的電池內(nèi)部健康狀態(tài)信息。
　　首先，將傳統(tǒng)的鋰離子電池P2D模型、熱模型和溫度分布模型整合為多物理模型。利用P2D模型和分布產(chǎn)熱公式計算電池產(chǎn)熱行為，采用熱阻模型計算電池徑向溫度分布，并根據(jù)阿列尼烏斯公式

3、對六個電化學模型參數(shù)進行溫度修正，建立起電池內(nèi)部電化學行為與電池熱行為的耦合。該模型可實現(xiàn)對任意工況下電池外部性能（即放電容量、端電壓與過電勢和外殼溫度特性）和內(nèi)部過程的仿真。對電池外殼溫度這一重要的可測量的準確仿真，有利于電池溫度相關(guān)特性的研究。利用多物理模型對影響電池外部性能的內(nèi)部物理、化學過程和主要模型參數(shù)進行了仿真分析，建立起電池外部性能與模型內(nèi)部參數(shù)的聯(lián)系。
　　針對各模型參數(shù)對電池外部性能影響程度不同的問題，對磷酸鐵鋰

4、和鈷酸鋰電池中的主要參數(shù)進行了敏感度分析。在不同工況下利用多物理模型仿真，得到模型參數(shù)值變化導致的電池端電壓和外殼溫度曲線束，以曲線束的離散程度描述參數(shù)敏感度大小，構(gòu)建“參數(shù)敏感值矩陣”以定量描述參數(shù)敏感度與工況的定量關(guān)系。將參數(shù)敏感度最大化作為優(yōu)化目標，采用NSGA-II算法對參數(shù)辨識工況進行優(yōu)化，得到了兩種電池的優(yōu)化辨識工況形式。優(yōu)化辨識工況下各參數(shù)敏感度均高于傳統(tǒng)恒流或脈沖工況，有利于電池參數(shù)的準確辨識。
　　為準確辨識多物

5、理模型參數(shù)，提出一種基于并行化遺傳算法的多目標參數(shù)辨識方法。在普通遺傳算法上加入了災變和搜索范圍擴展算子，提高算法搜素能力；利用分布式計算方法將遺傳算法并行化，提高了算法運行速度。在兩個環(huán)境溫度下采用優(yōu)化辨識工況對電池進行測試，實測端電壓、外殼溫度數(shù)據(jù)，并將其與相應模型仿真值的誤差最小化作為四個辨識目標，利用并行化遺傳算法實現(xiàn)了鋰離子電池多物理模型參數(shù)的多目標辨識。利用磷酸鐵鋰和鈷酸鋰電池的“合成實驗數(shù)據(jù)”，研究不同辨識目標數(shù)和不同辨識

6、工況下參數(shù)辨識的效果，表明本文提出方法參數(shù)辨識精度明顯高于傳統(tǒng)方法。對兩種商用電池進行了參數(shù)辨識和驗證實驗，證明多目標參數(shù)辨識方法的有效性。
　　為獲得能夠反映電池內(nèi)部健康狀態(tài)的特征量，針對鈷酸鋰電池進行了多模式循環(huán)壽命試驗。在壽命試驗中穿插優(yōu)化辨識工況，利用多目標參數(shù)辨識方法獲取不同老化模式、不同老化階段電池的參數(shù)集。利用雙因子方差分析法對各參數(shù)的值進行檢驗，發(fā)現(xiàn)有8個參數(shù)的值隨電池老化而顯著變化，將其定義為電池內(nèi)部健康特征。對

7、關(guān)鍵參數(shù)值的變化趨勢進行擬合研究，給出了內(nèi)部健康特征的退化規(guī)律。結(jié)合電極內(nèi)副反應原理，對鈷酸鋰電池循環(huán)老化機理進行了定性分析。
　　最后，應用內(nèi)部健康特征的退化規(guī)律，對造成鈷酸鋰電池循環(huán)老化性能下降的因素進行定量分析。將循環(huán)壽命試驗得到的鈷酸鋰電池參數(shù)集代入多物理模型，利用電極容量計算式，確定了電池容量下降的三個因素，并對不同老化模式下的變化規(guī)律進行定量計算。利用總過電勢分解計算式，定量研究了五類過電勢在循環(huán)老化過程中所占比例的變