插电式混合动力汽车电池管理系统中电化学电池模型及其参数估计

插电式混合动力汽车电池管理系统中电化学电池模型及其参数估计

插电式混合动力汽车（PHEV）多采用锂离子电池作为动力电池。锂离子电池受外加电流、荷电状态和温度的影响较为明显，若其在安全限值以外的区域工作，则可能产生自燃和爆炸。因此，对PHEV动力电池进行管理至关重要。目前，多采用专门的电池管理系统对PHEV动力电池进行管理，保证其可靠、安全、长期地运行。电池管理系统需要能实时估计出电池的内部状态，如荷电状态、内阻和健康状态等。通常采用基于梯度的优化方法对这些参数进行估计，但这种估计方法需要建立庞大的雅克比矩阵，很容易超出电池管理系统的内存限制。对此，本文在电池管理系统中建立了较为精确的电化学电池模型，并给出了一种新的参数估计方法，新方法能够利用较少计算量、较为精确地对电池状态进行估计。

相比电池的其它模型，电池的电化学模型能够很好地将电池的相关参数与电池的物理特性相互关联，并能更好地捕捉外部电流产生瞬态变化时电池特性所发生的变化。锂电池内部反应采用电极过程动力学（Butler-Volmer）方程描述。根据质量守恒定律和电荷守恒定律，建立锂电池的非线性偏微分方程，即锂电池的电化学模型。对电池模型参数的估计需要对电池参数进行测量。获取测量值时，采用额定容量为28.2Ah的锂电池，电池含有交错放置的21个正极和22个负极，正负极活性材料均由LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2LiMn1/3O4（NMC-LMO）和天然炭组成，电解液采用LiPF6、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯。测试温度为45℃，电池充放电循环中，电池荷电状态介于20%～90%之间。试验共进行6次，总循环2500次。试验后电池容量损失16%，电池电压由4.2V下降至4.08V，电解液发生分解出现电解质沉淀。将电池物理特性变化与电池电化学模型的参数变化进行对比发现，锂离子的液相扩散系数最能反映出电池的老化特性。因此，采用电化学电池模型的电池管理系统只需要对锂离子的液相扩散系数进行估计便可对电池状态进行估计。

刊名：International Journal of Automotive Technology（英）

刊期：2015年第3期

作者：W.Sung et al

编译：李臣