通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种环境,但电池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。但是,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能达到预期。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关键因素(例如内部结构)的信息。让我们看看黑盒模拟方法如何提供帮助。

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,并具有许多非凡的特性。与碳酸盐结合时可以作为情绪稳定剂,是治疗躁郁症的有效方法。加热时会产生红色,有助于为烟花上色。它是元素周期表中最轻的金属,当减轻重量很重要时,例如太空旅行和飞机设计,这是非常有用的品质。锂也是电池的好选择:除了轻巧之外,它还具有高电化学势和大能量密度。

首先在20世纪70年代提出和发展20世纪90年代,锂离子电池是最普遍的类型的可充电电池之一,可以发现:

  • 手机和平板电脑等移动设备
  • 太阳能存储系统
  • 电动车

使用锂离子电池的智能手机的照片。
锂离子电池通常用于移动电话。

在将锂离子电池放入手机和其他设备中之前,必须对它们进行电气和热设计目的的表征。但是,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性质。电池工程师需要了解此信息,以分析和设计电池组和热管理系统。可能感兴趣的数据包括开路电压随充电状态(SOC)的变化;传输特性(例如,扩散率和电导率);和由于不同种类的超电势引起的潜在损失,包括激活,浓度和欧姆超电势。

为了设计用于设备的电池系统,工程师可以使用集总模型,该集总模型可以通过COMSOLMultiphysics®软件和附加的优化模块执行参数估计,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估计包括两部分:

  1. 设置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的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最上面。使用集总电池界面,您可以轻松地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的质量传输,电荷转移和欧姆过程如何影响电池的电势损耗。

电池型号的电压损失的“设置”窗口的屏幕快照。
为了描述用于例如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,开路电压与SOC的函数以及电池负载。参数估计研究中还使用了一些参数,包括1C时的欧姆过电势,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” —一种包含专用功能的附加产品,用于改进各种工程设计。在这里,您可以使用优化接口指定全局最小二乘法目标函数(该函数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。

如前所述,与使用更详细的模型所需的时间相比,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温度的电池组设计。让我们看一下结果。

检查参数估计的结果

根据结果​​,您可以可视化电池电压和电流,从而产生电池产生的电能。如下图所示,该模型与一段时间(五分钟)内的实验数据非常吻合。此外,您可以确定在没有施加电流的情况下可用于电池的最大电压,即开路电势(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。
此电池示例以及相应的OCP的建模和实验电池电压。

该模型还可以帮助您分析过电位影响,从而分析电池效率。通常,由于许多非线性和随时间变化的方面都在发挥作用,因此很难将过剩的贡献降至最低。使用集总模型,您可以使用参数估计研究中的拟合参数来确定过电势(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而影响设计。

绘制锂离子电池不同损耗的曲线图。
在5分钟的时间内,由于欧姆,电荷转移和扩散过程以及电池电流的变化而造成的损耗。

使用这种黑盒模拟方法,您可以获得有关可用于电池组设计和电池组热管理系统设计的电池的必要信息。

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。在此可以找到文档,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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