[發明專利]基于Butler-Volmer方程的鈦酸鋰電池改進模型

在審

• 申請號: 201610009999.5
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105677979A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 劉思佳;張維戈;吳健;孟學東;韓聳
• 申請（專利權）人: 北京北交新能科技有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 董琪

技術領域

本發明涉及動力電池建模領域，具體說是基于Butler-Volmer方程的鈦酸鋰電池 改進模型。尤指能夠適用于高倍率應用工況的軌道交通用鈦酸鋰電池改進模型。

背景技術

為了應對日益嚴重的環境污染和能源危機，電動車輛的開發及普及迫在眉睫。動 力電池作為電動車輛動力系統的核心部件，其性能對車輛運行的安全性和高效性至關重 要。

近年來，鋰電池憑借自身在比功率、比能量及循環壽命方面的優勢，被廣泛應用于 新能源車輛和電網儲能領域。相對于采用石墨作為負極的功率型磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電 池，采用鈦酸鋰材料作為負極的鈦酸鋰電池具有更出色的倍率充放電特性、溫度特性和更 為穩定的結構，更適合用于頻繁啟停的電力驅動系統，成為未來電動車輛動力系統，尤其是 軌道交通車輛的最佳選擇之一。

作為預測電池能量狀態和功率狀態的基礎，電池模型的準確度直接影響到最終的 預測精度。建立電池模型需要兼顧復雜程度和準確度，在保證模型精度的基礎上使模型簡 單化。

目前常用的電池模型包括：電化學模型和電學模型，其中：

電化學模型充分表征了電池的材料特性以及反應機理，可以為電池優化設計提供 依據，然而電化學模型中包含多個分數偏微分方程及大量未知變量，增加了模型的復雜程 度，而且無法和動力系統其它部分直接連接。雖然電化學模型可以從多個角度進行簡化，但 簡化的同時模型精度降低，并且簡化后的模型仍難以滿足應用的要求。

電學模型通過電學元件的組合來刻畫電池動態特性，擁有更簡單的結構和更少的 未知參數，包括傳統一階RC電路模型等，更適合于電池性能仿真。

倍率作為影響電池特性的重要因素，指電池在規定的時間內放出其額定容量所輸 出的電流值，數值上等于額定容量的倍數。倍率變化會引起非線性容量效應，尤其是恢復效 應。非線性容量效應指在不同倍率下電池容量發生改變的現象；而恢復效應則指在高倍率 放電結束并靜置一定時間后，電池仍可以低倍率放電的現象。

有文獻通過引入倍率因子將不同倍率下的荷電狀態SOC區間進行歸一化處理，但 并未詳細分析倍率對電池參數的影響；也有文獻基于電學模型和擴散模型建立了一種強化 電路模型，然而由于擴散模型包含大量未知參數及復雜性，使得該模型無法用于實時仿真； 有研究提出一種電學模型與電化學動力模型結合的混合模型，并且在一定倍率范圍內驗證 了模型精度，該模型較擴散模型更簡單，但仍具有較高的復雜程度；還有文獻通過擬合曲線 獲得不同倍率條件下參數值的表達式并進行了結果驗證，但驗證過程僅在倍率小于2C的窄 倍率范圍內進行，而且公式形式及參數不具備任何實際意義，具有一定的局限性。

因此有必要提出一種兼顧復雜程度和準確度的電池模型以準確描述鈦酸鋰電池 高倍率應用下的電學行為。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供基于Butler-Volmer方程的 鈦酸鋰電池改進模型，實現了兼顧復雜程度和準確度的電池模型以準確描述鈦酸鋰電池高 倍率應用下的電學行為。

為達到以上目的，本發明采取的技術方案是：

基于Butler-Volmer方程的鈦酸鋰電池改進模型，其特征在于：在傳統一階RC電路 模型結構的基礎上加入倍率因子的影響，由受控電壓源U_ocv、串聯電阻R_Ω及RC網絡和極化修 正單元四部分構成；

所述受控電壓源U_ocv代表電池的開路電壓OCV隨電池SOC的變化；

所述串聯電阻R_Ω體現了電池在充放電過程中產生的能量損失；

所述RC網絡為R_pC_p并聯網絡，反映了電池內部由電化學反應不平衡所引起的過電 位，通常稱為極化電壓，記為U_p；

受控電壓源U_ocv，串聯電阻R_Ω，電容C_p與SOC存在非線性關系，具體關系為：