插電式混合動力汽車電池管理系統中電化學電池模型及其參數估計

插電式混合動力汽車電池管理系統中電化學電池模型及其參數估計

插電式混合動力汽車（PHEV）多采用鋰離子電池作為動力電池。鋰離子電池受外加電流、荷電狀態和溫度的影響較為明顯，若其在安全限值以外的區域工作，則可能產生自燃和爆炸。因此，對PHEV動力電池進行管理至關重要。目前，多采用專門的電池管理系統對PHEV動力電池進行管理，保證其可靠、安全、長期地運行。電池管理系統需要能實時估計出電池的內部狀態，如荷電狀態、內阻和健康狀態等。通常采用基于梯度的優化方法對這些參數進行估計，但這種估計方法需要建立龐大的雅克比矩陣，很容易超出電池管理系統的內存限制。對此，本文在電池管理系統中建立了較為精確的電化學電池模型，并給出了一種新的參數估計方法，新方法能夠利用較少計算量、較為精確地對電池狀態進行估計。

相比電池的其它模型，電池的電化學模型能夠很好地將電池的相關參數與電池的物理特性相互關聯，并能更好地捕捉外部電流產生瞬態變化時電池特性所發生的變化。鋰電池內部反應采用電極過程動力學（Butler-Volmer）方程描述。根據質量守恒定律和電荷守恒定律，建立鋰電池的非線性偏微分方程，即鋰電池的電化學模型。對電池模型參數的估計需要對電池參數進行測量。獲取測量值時，采用額定容量為28.2Ah的鋰電池，電池含有交錯放置的21個正極和22個負極，正負極活性材料均由LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2LiMn1/3O4（NMC-LMO）和天然炭組成，電解液采用LiPF6、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯。測試溫度為45℃，電池充放電循環中，電池荷電狀態介于20%～90%之間。試驗共進行6次，總循環2500次。試驗后電池容量損失16%，電池電壓由4.2V下降至4.08V，電解液發生分解出現電解質沉淀。將電池物理特性變化與電池電化學模型的參數變化進行對比發現，鋰離子的液相擴散系數最能反映出電池的老化特性。因此，采用電化學電池模型的電池管理系統只需要對鋰離子的液相擴散系數進行估計便可對電池狀態進行估計。

刊名：International Journal of Automotive Technology（英）

刊期：2015年第3期

作者：W.Sung et al

編譯：李臣