鋰電池模型的種類介紹

來源:鋰電池 | 作者:友創(chuàng)偉業(yè) | 發(fā)布時(shí)間: 2021-02-20 | 3338 次瀏覽 | 分享到:

對(duì)鋰電池模型的建模有兩種途徑，一種是對(duì)電池進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，總結(jié)得出鋰離子電池的變化規(guī)律；另一種是對(duì)鋰離子電池的微觀行為進(jìn)行研究，通過對(duì)微觀行為的描述，借助計(jì)算機(jī)手段，建立具有理論基礎(chǔ)的模型。常用的鋰電池模型主要有內(nèi)阻模型，等效電路模型，遺傳算法模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及電化學(xué)模型。

1、鋰電池模型的內(nèi)阻模型

內(nèi)阻模型是最簡(jiǎn)單的電池模型，通常用來預(yù)測(cè)電池的容量。一般說來，電池容量隨著電壓和內(nèi)阻變化。由于電壓在不同放電電流下會(huì)有不同的變化，研究者們就試圖建立內(nèi)阻與容量之間的關(guān)系。然而內(nèi)阻并非一個(gè)本征的數(shù)值，內(nèi)阻模型需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如電池的最大容量在不同溫度下的變化規(guī)律，電池輸出端電壓在不同電流倍率下的變化規(guī)律，電池內(nèi)阻在不同溫度下的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，根據(jù)電池使用環(huán)境的不同，依靠電池內(nèi)阻來判定電池的容量，因此該模型更接近于一個(gè)數(shù)據(jù)庫。

2、鋰電池模型的等效電路模型

由于電池在電流的作用下會(huì)體現(xiàn)電阻以及電容的部分特征，v.Johsonl6.]等人提出可以用等效電路來建立電池模型，模擬電池的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能。基本的鋰離子電池等效電路，其中V以和V分別代表電池的開路電壓和輸出電壓，R為電池內(nèi)阻，RG并聯(lián)電路模擬電池的外特性。

3、鋰電池模型的遺傳算法模型

基于遺傳算法的鋰離子電池模型，一般情況下可以分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求解方程等方法建立模型，模擬電池的特性。但是由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，很難找到合適的函數(shù)來描述電池模型。遺傳算法計(jì)算方便，輸出函數(shù)形式十分靈活，可以用來建立鋰離子電池的模型。

4、鋰電池模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

研究使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立電池模型的可行性，建立了鋰離子電池的模型，并且成功地預(yù)測(cè)電動(dòng)汽車中電池的剩余電量。

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與模糊算法聯(lián)合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，彌補(bǔ)兩個(gè)算法各自的不足，用來估計(jì)鋰離子電池的剩余容量，提高了單一算法的估計(jì)精度。

5、鋰電池模型的電化學(xué)模型

電化學(xué)模型是根據(jù)電池基本化學(xué)原理建立的模型，鋰離子電池原理性模型是從1982年west的研究基礎(chǔ)上逐步建立起來的。West 在研究纖維狀活性物質(zhì)顆粒所組成的多孔電極時(shí)，建立了一個(gè)準(zhǔn)二維的多孔電極模型，假定電池中的溶液相為二元溶液體系，將擴(kuò)散系數(shù)默認(rèn)為常數(shù)，固相擴(kuò)散過程為控制步驟，電化學(xué)過程忽略不計(jì)。由于鋰電池也是多孔電極體系，在研究Li:LiClO4:TIS2電池模型時(shí)，采用了相似的處理方式，考慮到電池的構(gòu)造，模型中引入了隔膜這一結(jié)構(gòu)。Mao等人的研究結(jié)果表明，隔膜越薄，電池能夠釋放出更多地電量。但是由于該模型不是真正的電池模型，僅僅對(duì)單個(gè)電極的原理進(jìn)行研究，沒有將電池看成一個(gè)整體進(jìn)行建模，因此模型并不能完全模擬電池的化學(xué)特性。在上述模型中，都假設(shè)鋰離子嵌入過程無限快，因此在電極/電解液界面是存在電化學(xué)平衡體系的。也就是說，電池的OCP（Open Circuit Potential顆粒表面濃度和附近電解液濃度相關(guān)。

Doyle在研究Li:PEO3LiCF3SO3：TiS2電池時(shí)，根據(jù)多孔電極模型建立真正意義上的電池模型。采用巴特勒-沃爾默方程來描述每個(gè)電極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，用Fick定律來描述電極內(nèi)部鋰顆粒的擴(kuò)散現(xiàn)象，并默認(rèn)擴(kuò)散系數(shù)為常數(shù)，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，電池體積的變化被忽略不計(jì)，在電池的隔膜處，鋰離子經(jīng)過隔膜形成一層SEI膜，將這層膜簡(jiǎn)化成為一個(gè)膜電阻，該電池模型不考慮副反應(yīng)的發(fā)生。在[1]的基礎(chǔ)上，F(xiàn)uller[1]等建立了在稀溶液理論下描述鋰離子電池化學(xué)特性的方程，建立了通用的鋰離子電池模型。Fuller等人的研究解釋了電池的開路電位ocP和SOC之間的聯(lián)系，這項(xiàng)工作具有十分重要的意義。該研究表明OCP與SOc曲線的關(guān)系是非線性的，電流密度與該曲線的關(guān)系十分緊密，OCP與soc曲線的變化率越大，電流密度的分布越均勻。隨后Nalin和Giacomo等在前人的基礎(chǔ)之上采用有限元的方法對(duì)鋰離子電池的化學(xué)模型進(jìn)行求解，并將所求解的模型與實(shí)際的電池放電特性進(jìn)行比較。

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