插電式混合動力汽車電池管理系統(tǒng)中電化學(xué)電池模型及其參數(shù)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(tài)和溫度的影響較為明顯，若其在安全限值以外的區(qū)域工作，則可能產(chǎn)生自燃和爆炸。因此，對PHEV動力電池進行管理至關(guān)重要。目前，多采用專門的電池管理系統(tǒng)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(tǒng)需要能實時估計出電池的內(nèi)部狀態(tài)，如荷電狀態(tài)、內(nèi)阻和健康狀態(tài)等。通常采用基于梯度的優(yōu)化方法對這些參數(shù)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(tǒng)的內(nèi)存限制。對此，本文在電池管理系統(tǒng)中建立了較為精確的電化學(xué)電池模型，并給出了一種新的參數(shù)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(tài)進行估計。

相比電池的其它模型，電池的電化學(xué)模型能夠很好地將電池的相關(guān)參數(shù)與電池的物理特性相互關(guān)聯(lián)，并能更好地捕捉外部電流產(chǎn)生瞬態(tài)變化時電池特性所發(fā)生的變化。鋰電池內(nèi)部反應(yīng)采用電極過程動力學(xué)（Butler-Volmer）方程描述。根據(jù)質(zhì)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(xué)模型。對電池模型參數(shù)的估計需要對電池參數(shù)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(huán)中，電池荷電狀態(tài)介于20%～90%之間。試驗共進行6次，總循環(huán)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(fā)生分解出現(xiàn)電解質(zhì)沉淀。將電池物理特性變化與電池電化學(xué)模型的參數(shù)變化進行對比發(fā)現(xiàn)，鋰離子的液相擴散系數(shù)最能反映出電池的老化特性。因此，采用電化學(xué)電池模型的電池管理系統(tǒng)只需要對鋰離子的液相擴散系數(shù)進行估計便可對電池狀態(tài)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