锂電池模型有哪些種類？

TIME: 2020-12-28 锂電池百科

對锂電池模型的建模有两种途径，一种是對电池进行大量的实验，积累实验数据，對采集到的数据进行模拟，总结得出锂离子电池的变化规律；另一种是對锂离子电池的微观行为进行研究，通过對微观行为的描述，借助计算机手段，建立具有理论基础的模型。常用的锂電池模型主要有内阻模型，等效电路模型，遗传算法模型，神经网络模型以及电化学模型。

1、锂電池模型的内阻模型

內阻模型是最簡單的電池模型，通常用來預測電池的容量[]。一般說來，電池容量隨著電壓和內阻變化。由于電壓在不同放電電流下會有不同的變化，研究者們就試圖建立內阻與容量之間的關系。然而內阻並非一個本征的數值，內阻模型需要大量的實驗數據。例如電池的最大容量在不同溫度下的變化規律，電池輸出端電壓在不同電流倍率下的變化規律，電池內阻在不同溫度下的變化規律。根據實驗得到的數據，根據電池使用環境的不同，依靠電池內阻來判定電池的容量，因此該模型更接近于一個數據庫。

2、锂電池模型的等效电路模型

由于電池在電流的作用下會體現電阻以及電容的部分特征，v.Johsonl6.]等人提出可以用等效電路來建立電池模型，模擬電池的動態與靜態性能。基本的锂離子電池等效電路，其中V以和V分別代表電池的開路電壓和輸出電壓，R爲電池內阻，RG並聯電路模擬電池的外特性。

3、锂電池模型的遗传算法模型

基于遺傳算法的锂離子電池模型，一般情況下可以分析實驗數據，求解方程等方法建立模型，模擬電池的特性。但是由于電池內部的化學反應非常複雜，很難找到合適的函數來描述電池模型。遺傳算法計算方便，輸出函數形式十分靈活，可以用來建立锂離子電池的模型。

4、锂電池模型的神经网络模型

研究使用神經網絡算法建立電池模型的可行性，建立了锂離子電池的模型，並且成功地預測電動汽車中電池的剩余電量。

將神經網絡算法與模糊算法聯合使用，取長補短，彌補兩個算法各自的不足，用來估計锂離子電池的剩余容量，提高了單一算法的估計精度。

5、锂電池模型的电化学模型

电化学模型是根据电池基本化学原理建立的模型，锂离子电池原理性模型是从1982年west的研究基础上逐步建立起来的。West 在研究纤维状活性物质颗粒所组成的多孔电极时，建立了一个准二维的多孔电极模型，假定电池中的溶液相为二元溶液体系，将扩散系数默认为常数，固相扩散过程为控制步骤，电化学过程忽略不计。由于锂電池也是多孔电极体系，在研究Li:LiClO4:TIS2电池模型时，采用了相似的处理方式，考虑到电池的构造，模型中引入了隔膜这一结构。Mao等人的研究结果表明，隔膜越薄，电池能够释放出更多地电量。但是由于该模型不是真正的电池模型，仅仅對单个电极的原理进行研究，没有将电池看成一个整体进行建模，因此模型并不能完全模拟电池的化学特性。在上述模型中，都假设锂离子嵌入过程无限快，因此在电极/电解液界面是存在电化学平衡体系的。也就是说，电池的OCP（Open Circuit Potential颗粒表面浓度和附近电解液浓度相关。

Doyle在研究Li:PEO3LiCF3SO3：TiS2电池时，根据多孔电极模型建立真正意义上的电池模型。采用巴特勒-沃尔默方程来描述每个电极上发生的电化学反应，用Fick定律来描述电极内部锂颗粒的扩散现象，并默认扩散系数为常数，在发生化学反应时，电池体积的变化被忽略不计，在电池的隔膜处，锂离子经过隔膜形成一层SEI膜，将这层膜简化成为一个膜电阻，该电池模型不考虑副反应的发生。在[1]的基础上，Fuller[1]等建立了在稀溶液理论下描述锂离子电池化学特性的方程，建立了通用的锂离子电池模型。Fuller等人的研究解释了电池的开路电位ocP和SOC之间的联系，这项工作具有十分重要的意义。该研究表明OCP与SOc曲线的关系是非线性的，电流密度与该曲线的关系十分紧密，OCP与soc曲线的变化率越大，电流密度的分布越均匀。随后Nalin和Giacomo等在前人的基础之上采用有限元的方法對锂离子电池的化学模型进行求解，并将所求解的模型与实际的电池放电特性进行比较。

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