鋰離子電池多物理模型參數(shù)辨識(shí)及健康特征提取.pdf

1、鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車輛、電網(wǎng)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，對(duì)其內(nèi)部健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)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(zhǔn)確信息。然而，鋰離子電池是典型的動(dòng)態(tài)、非線性電化學(xué)系統(tǒng)，使用過程中其內(nèi)部健康狀態(tài)難以直接測(cè)得。電池材料特性研究者常采用“事后分析法”研究?jī)?nèi)部老化機(jī)理，該方法需要拆解電池因而無(wú)法直接工程應(yīng)用；而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康狀態(tài)估計(jì)和壽命預(yù)測(cè)研究不涉及電池內(nèi)部機(jī)理，難以對(duì)電池內(nèi)部健康狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述。本文在鋰離子電池多

2、物理模型的基礎(chǔ)上、對(duì)參數(shù)辨識(shí)及內(nèi)部健康特征提取方法進(jìn)行了深入研究，旨在解決如何準(zhǔn)確、無(wú)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(duì)造成電池循環(huán)性能下降的因素進(jìn)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(jì)算電池產(chǎn)熱行為，采用熱阻模型計(jì)算電池徑向溫度分布，并根據(jù)阿列尼烏斯公式

3、對(duì)六個(gè)電化學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行溫度修正，建立起電池內(nèi)部電化學(xué)行為與電池?zé)嵝袨榈鸟詈?。該模型可?shí)現(xiàn)對(duì)任意工況下電池外部性能（即放電容量、端電壓與過電勢(shì)和外殼溫度特性）和內(nèi)部過程的仿真。對(duì)電池外殼溫度這一重要的可測(cè)量的準(zhǔn)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(duì)影響電池外部性能的內(nèi)部物理、化學(xué)過程和主要模型參數(shù)進(jìn)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(duì)各模型參數(shù)對(duì)電池外部性能影響程度不同的問題，對(duì)磷酸鐵鋰

4、和鈷酸鋰電池中的主要參數(shù)進(jìn)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(dǎo)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(biāo)，采用NSGA-II算法對(duì)參數(shù)辨識(shí)工況進(jìn)行優(yōu)化，得到了兩種電池的優(yōu)化辨識(shí)工況形式。優(yōu)化辨識(shí)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(zhǔn)確辨識(shí)。
　　為準(zhǔn)確辨識(shí)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(biāo)參數(shù)辨識(shí)方法。在普通遺傳算法上加入了災(zāi)變和搜索范圍擴(kuò)展算子，提高算法搜素能力；利用分布式計(jì)算方法將遺傳算法并行化，提高了算法運(yùn)行速度。在兩個(gè)環(huán)境溫度下采用優(yōu)化辨識(shí)工況對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)端電壓、外殼溫度數(shù)據(jù)，并將其與相應(yīng)模型仿真值的誤差最小化作為四個(gè)辨識(shí)目標(biāo)，利用并行化遺傳算法實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池多物理模型參數(shù)的多目標(biāo)辨識(shí)。利用磷酸鐵鋰和鈷酸鋰電池的“合成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”，研究不同辨識(shí)目標(biāo)數(shù)和不同辨識(shí)

6、工況下參數(shù)辨識(shí)的效果，表明本文提出方法參數(shù)辨識(shí)精度明顯高于傳統(tǒng)方法。對(duì)兩種商用電池進(jìn)行了參數(shù)辨識(shí)和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明多目標(biāo)參數(shù)辨識(shí)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(duì)鈷酸鋰電池進(jìn)行了多模式循環(huán)壽命試驗(yàn)。在壽命試驗(yàn)中穿插優(yōu)化辨識(shí)工況，利用多目標(biāo)參數(shù)辨識(shí)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(duì)各參數(shù)的值進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有8個(gè)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(duì)

7、關(guān)鍵參數(shù)值的變化趨勢(shì)進(jìn)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(yīng)原理，對(duì)鈷酸鋰電池循環(huán)老化機(jī)理進(jìn)行了定性分析。
　　最后，應(yīng)用內(nèi)部健康特征的退化規(guī)律，對(duì)造成鈷酸鋰電池循環(huán)老化性能下降的因素進(jìn)行定量分析。將循環(huán)壽命試驗(yàn)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(jì)算式，確定了電池容量下降的三個(gè)因素，并對(duì)不同老化模式下的變化規(guī)律進(jìn)行定量計(jì)算。利用總過電勢(shì)分解計(jì)算式，定量研究了五類過電勢(shì)在循環(huán)老化過程中所占比例的變