通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种场合,不过用在电池上可能是最引人注目的。锂离子电池可用于电动汽车,储能系统等。然而,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能能达到预期。当电池由第三方制造时,这可能会成为一个问题:可能不会与电池工程师共享有关锂电子电池的关键信息(例如内部结构)。让我们看看黑匣子仿真方法是如何提供帮助。

锂离子电池的优势和设计挑战

锂是元素周期表的第三个元素,具有许多特别的特性。它与碳酸盐类药物结合使用时可以作为情绪稳定剂,这是治疗躁郁症的有效方法。对其进行加热时,它会产生红色,这有助于为烟花上色。锂是元素周期表中最轻的金属,当减轻重量对设计很重要时,例如太空旅行和飞机设计,这是一个非常有用的性质。锂也是电池材料的绝好选择:除了重量较轻之外,它还具有很高的电化学势和较大的能量密度。

锂离子电池于20世纪70年代首次提出,并于20世纪90年代发展起来,是最受欢迎的可充电电池之一,其可用于:

  • 手机和平板电脑等移动设备
  • 太阳能存储系统
  • 电动汽车

使用锂离子电池的智能手机的照片。
锂离子电池可用于移动电话。

在将锂离子电池应用于手机和其他设备中前,必须对它们进行电测试和热测试。然而,这可能很困难,因为电池通常是从外部制造公司采购的,这些公司可能无法提供有关电池内部结构的详细信息,例如电极的厚度,粒径和电极材料的特定化学成分等。电池工程师需要了解这些信息,以分析和设计电池组及其热管理系统。工程师可能感兴趣的数据包括断路电压随充电状态(SOC)的变化;传输特性(例如,扩散率和电导率);以及不同种类的过电压引起的潜在损失,包括激活,浓度和欧姆过电压。

为了设计一个可用于设备的电池系统,工程师可以使用集总模型,通过COMSOL Multiphysics®软件及其附加的优化模块进行参数估计,从而在给定的操作范围内提供可靠的预测。使用这种黑匣子方法,当电池系统集成到设备中时,即使有几个集总参数,它们也可以有效地获得预测电气性能所需的信息以及进行详细的热分析。

创建集总锂离子电池模型

时变集总电池模型参数包括两部分:

  1. 建立并求解电池的集总模型
  2. 进行参数估计研究

电极中的传输和反应过程可以用一个集总扩散-反应方程式来描述。这就是所谓的“单粒子”模型,与更详细的模型相比,它大大减少了计算资源。诸如激活和欧姆损耗之类的其他损耗也被添加在上面。使用集总电池接口,您可以根据测得的充放电周期计算电池电压的变化。集总模型描述了仅使用几个集总参数时,质量传输,电荷转移和欧姆过程会如何影响电池的潜在损耗。

电池型号的电压损失的“设置”窗口的屏幕快照。
描述用于热分析的电池的集总损耗,仅需要几个参数。

对于此示例,您可以输入实验数据以定义电池容量,断路电压,SOC函数和电池负载。在参数估计研究中还使用了一些参数,包括1C时的欧姆过电压,无量纲的电荷交换电流和扩散时间常数。

接下来是参数估计研究,该研究需要“优化模块” ———— 一个附加产品,包含各种可用于工程设计的功能。您可以使用全局最小二乘法优化接口来指定一个目标函数(该函数可估计测量值与模型结果之间的差异,因此应通过在研究中找到最佳参数值来使其最小化),以及Levenberg-Marquardt优化求解器和“ 优化”节点以指定需要优化的参数。

正如前面提到的,与使用其他模型相比,使用这种建模方法,您可以在更短的时间内估算出电池的未知参数值,而所需的计算资源却更少,同时仍可以获得可用于预测性能的模型和电池组温度设计。让我们来看一下结果。

验证参数估计的结果

从结果中,您可以看到电池的电压和电流,以及电池产生的电能。如下图所示,随着时间的推移(五分钟),该模型与实验数据非常吻合。此外,在没有施加电流的情况下可确定电池的最大电压,即断路电压(OCP)。

该图将电池中电池电压的实验结果与COMSOLMultiphysics®模型进行了比较。
模型和实验电池的电压以及OCP建模。

该模型还可以帮助您分析过电压的影响,从而分析电池的效率。通常,由于许多非线性和随时间变化等因素,因此很难将最小化过度的潜在问题完全解决。使用集总模型,您可以使用参数估计研究的拟合参数来确定过电压(包括激活,欧姆和浓度)如何随着时间的推移以及变化的电池电流来进行设计。

绘制锂离子电池不同损耗的曲线图。
欧姆损耗、电荷转移、扩散过程在5分钟内的周期变化以及由于电池电流的变化而造成的损耗。

使用这种黑匣子仿真方法,您可以获得有关电池组的必要信息,这些信息可用于电池组的设计及其热管理系统的设计。

下一步

单击下面的按钮,尝试从应用程序库中获取随时间变化的集总电池模型的参数估计。如果您具有有效的软件许可证,则可以下载相关的MPH文件。

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