一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，涉及一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统。

背景技术

在单粒子模型中，近似认为正负极各有一个球形的活性物质粒子，忽略了反应不均匀分布的问题，即忽略了正负极间的各个位置上由于锂离子浓度分布不均匀造成的固相、液相过电势的不均匀分布，由于假设每极只有一个粒子，认为扩散只发生在粒子内部，进而忽略了液相扩散过程，以及固相、液相欧姆极化过程。故在单粒子模型中，只包含基本工作过程、固相扩散、反应极化和欧姆极化几个过程。

CN109716152A公开了一种用于估计电池的电压的方法，包括提供一种给定的电化学电池模型，其中电化学电池模型的一个参数是开路电势，将所述开路电势线性化，借助于具有线性化开路电势的电化学电池模型对电池的电压进行估算，其中，给定的电化学电池模型基于单粒子模型。

由于忽略了正负极间的各个位置上锂离子浓度分布不均匀的问题，存在大倍率仿真精度不高、固相扩散计算过程复杂等问题。

每种电池的仿真模型都有其自身的优缺点，单粒子模型仿真精度低，不能够很好地表达电池内部过程进行的程度。

因而，有必要提供一种对单粒子模型改进的方法并将其应用于获得电池端电压，进而达到简化算法并提升仿真精度的目的。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提出一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统，所述的估算系统包括：

获取模块，用于获取电池充电或放电的工作参数；

锂离子浓度确定模块，用于根据所述的工作参数计算当前时刻t的正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

电池开路电压确定模块，用于根据c

过电势确定模块，用于根据c

电池端电压确定模块，用于根据电池的开路电压、η

其中，i为p或n，p代表正极，n代表负极，t为电池充电或放电的时间。

优选地，所述工作参数包括工作电流。

优选地，所述充电为恒流充电，所述放电为恒流放电。

优选地，所述正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

电池以电流I进行恒流充电或恒流放电，按照下述公式计算正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

其中，i为p或n，p代表正极，n代表负极，t为电池充电时间，充电时I取负值，放电时I取正值；

c

R

j

A为电极板有效面积，F为法拉第常数；

ε

ε

l

优选地，所述正负极活性粒子表面的锂离子浓度c

其中，D

优选地，所述电池的开路电压E的计算公式为：

其中，U

优选地，所述反应极化过电势η

其中，

k

P

τ

c

优选地，所述欧姆极化过电势η

η

其中，R

优选地，所述浓差极化η

其中，R为通用气体常数，T为绝对温度，t

优选地，所述电池的端电压U的计算公式为：U＝E-η

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统，充分考虑液相扩散，引入浓差极化过电势，简化了计算过程，提高了仿真精度，解决了由于锂离子浓度分布不均衡造成的误差，以及现有技术基于单粒子模型的方法存在的仿真精度不高(大倍率条件下尤其明显)以及固相扩散计算复杂等问题。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

在一个具体实施方式中，本发明提供了一种基于改进的单粒子模型估算电池端电压的估算系统，所述的估算系统包括：

获取模块，用于获取电池充电或放电的工作参数；

锂离子浓度确定模块，用于根据所述的工作参数计算当前时刻t的正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

电池开路电压确定模块，用于根据c

过电势确定模块，用于根据c

电池端电压确定模块，用于根据电池的开路电压、η

其中，i为p或n，p代表正极，n代表负极，t为电池充电或放电的时间。

在一个实施方式中，所述工作参数包括工作电流。

在一个实施方式中，所述充电为恒流充电，所述放电为恒流放电。

在一个实施方式中，所述正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

电池以电流I进行恒流充电或恒流放电，按照下述公式计算正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

其中，i为p或n，p代表正极，n代表负极，t为电池充电时间，充电时I取负值，放电时I取正值；

c

R

j

A为电极板有效面积，F为法拉第常数；

ε

ε

l

在一个实施方式中，所述正负极活性粒子表面的锂离子浓度c

其中，D

在一个实施方式中，所述电池的开路电压E的计算公式为：

其中，U

在一个实施方式中，所述反应极化过电势η

其中，

k

P

τ

c

在一个实施方式中，所述欧姆极化过电势η

η

其中，R

在一个实施方式中，所述浓差极化η

其中，R为通用气体常数，T为绝对温度，t

在一个实施方式中，所述电池的端电压U的计算公式为：U＝E-η

在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种采用上述的估算系统估算电池端电压的方法，所述方法包括：

(1)电池工作，所述工作为充电或放电，通过获取模块获取电池充电或放电的工作参数。

(2)通过锂离子浓度确定模块，根据工作参数计算当前时刻t的正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

根据工作参数计算正负极集流体边界处的反应离子流密度j

根据j

根据j

(3)通过电池开路电压确定模块，根据C

根据c

(4)通过过电势确定模块，根据c

根据C

(5)通过电池端电压确定模块计算电池端电压：

则电池端电压U＝E-η

其中，i为p或n，p为正极，n为负极，t为电池充电或放电的时间。

在一个实施方式中，工作参数包括工作电流。

在一个实施方式中，所述充电为恒流充电，所述放电为恒流放电。

在一个实施方式中，所述正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

电池以电流I进行恒流充电或恒流放电，按照下述公式计算正负极活性粒子内部的平均锂离子浓度c

/>

其中，i为p或n，p代表正极，n代表负极，t为电池充电时间，充电时I取负值，放电时I取正值；

c

R

j

A为电极板有效面积；

F为法拉第常数，通常取96485C/mol；

ε

ε

l

在一个实施方式中，所述正负极活性粒子表面的锂离子浓度c

其中，D

本发明实施方式中，步骤(2)所述固相扩散指：固体内的扩散基本上是借助于原子或离子的布朗运动引起的。

锂离子电池内部的扩散极化可以分为固相扩散和液相扩散极化。对于固相扩散过程，可以使用活性物质颗粒表面与中心的锂离子浓度差来表征极化的大小。

在一个实施方式中，所述电池的开路电压E的计算公式为：

其中，U

在一个实施方式中，所述反应极化过电势η

其中，

k

P

τ

c

在一个实施方式中，由于液相扩散比例系数在电池中相差不大，取

其中，l

l

ε

在电池工作过程中，锂离子在活性物质中嵌入脱出，导致在极板方向上浓度不均衡，如此在正极、隔膜、负极之间建立起浓度梯度，使锂离子在正负极之间扩散为液相扩散。

在一个实施方式中，所述欧姆极化过电势η

η

其中，R

在一个实施方式中，所述浓差极化η

其中，R为通用气体常数，T为绝对温度，t

本发明的方法中，假设整个电池内(例如正极处、负极处和隔膜处)各处的液相浓度值均是一个常量，且一个电极内各处的固相电势相等，基于此提供了一种基于改进的单粒子模型计算电池端电压的方法，通过引入液相扩散的简化计算方法，简化了模型的计算过程，提高了仿真精度，解决了由于锂离子浓度分布不均衡造成的误差。

在常规的单粒子模型中，认为电池的欧姆极化过电势主要是SEI膜欧姆极化过电势。但是，在实际的充放电过程中，锂离子的移动会在电解液中形成浓度差，本发明的方法考虑了液相扩散过程，引入浓差极化过电势，在增加了浓差极化过电势后，最终得到的改进单粒子模型仿真精度较高，结构较简便，对电池外特性描述更加全面，解决了现有技术基于单粒子模型的方法存在的仿真精度不高(大倍率条件下尤其明显)以及固相扩散计算复杂等问题。

在一个实施方式中，电极板包括集流体和设置于所述集流体表面的活性层，活性层中包含相应的活性粒子。

在一个实施方式中，正极板包括正极集流体和设置于所述正极集流体表面的正极活性层，所述正极活性层中包括正极活性粒子、粘结剂和可选的导电剂。

在一个实施方式中，负极板包括负极集流体和设置于所述负极集流体表面的负极活性层，所述负极活性层中包括负极活性粒子、粘结剂和可选的导电剂。

本发明实施方式中，正极孔隙率指的是正极活性层的孔隙率，负极孔隙率指的是负极活性层的孔隙率。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。