通过大型模型估算锂离子电池的参数

2019年10月24日

锂用于各种设置,但电池也许是最引人注目的。锂离子电池对电动汽车,能源存储系统等有用。但是,工程师必须首先确保通过电化学分析按预期执行。当第三方制造电池时,这可能会构成问题:有关关键因素(例如内部结构)的信息可能不会与电池工程师共享。让我们看看黑框仿真方法如何有所帮助。

锂离子电池的优点和设计挑战

锂是第三个元素周期表并具有许多非凡的属性。与碳酸盐结合使用时,它可以充当情绪稳定剂,并且是有效的双相情感障碍的治疗方法。加热时,它会产生红色彩色烟花。它是元素周期表上最轻的金属,当减轻重量很重要时,它是一种非常有用的质量,例如太空旅行和飞机设计。锂也是电池的好选择:除了光线外,它具有较高的电化学潜力和较大的能量密度。

第一的在1970年代提议,并于1990年代发展,锂离子电池是最受欢迎的可充电电池之一,可以在以下方式找到:

  • 移动设备,例如电话和平板电脑
  • 太阳能存储系统
  • 电动汽车

使用锂离子电池的智能手机的照片。
锂离子电池通常用于手机。

在将锂离子电池放在手机和其他设备中之前,它们必须进行一些特征,无论是用于电气设计和热设计目的。但是,这可能很困难,因为电池通常来自外部制造公司,这些公司可能无法提供电池内部结构的细节,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电压(SOC)的函数;运输特性(例如,扩散率和电导率);以及由于不同种类的潜在损失超电势,包括激活,浓度和欧姆过电势。

为了为设备设计电池系统,工程师可以使用集总型号,这可以通过通过该操作范围内的操作范围来提供可靠的预测comsolMultiphysics®软件和附加优化模块。使用这种黑框方法,当将电池系统合并到设备中并进行详细的热分析时,即使有一些总参数,它们也可以有效地获得预测电气性能所需的信息。

创建集团锂离子电池型号

参数估计时间依赖于时间的电池模型由两个部分组成:

  1. 设置并解决电池的总模型
  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结扩散反应方程来描述。这是一个所谓的“单粒子”模型,与更详细的模型相比,它大大降低了计算资源。其他损失(例如激活和欧姆损失)被添加到顶部。与电池电量界面,您可以轻松计算基于测得的电荷 - 电荷循环的电池电池电压如何变化。总体模型描述了仅使用几个集团参数的质量传输,电荷转移和欧姆过程如何影响电池的潜在损失。

电池模型电压损耗的设置窗口的屏幕截图。
为了描述用于使用热分析的电池的总损耗,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功能和电池负载。参数估计研究中还使用了一些参数,包括在1C处的欧姆过电势,无量纲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 - 一种附加产品,其中包含用于改进各种工程设计的专用功能。在这里,您使用优化接口指定一个全球最小二乘目标函数(该功能估计测量结果和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最小化),以及Levenberg – Marquardt优化求解器和优化节点以指定需要优化哪些参数。

如前所述,使用这种建模方法将使您能够在比更详细的模型和较少的计算资源的时间内估算电池的未知参数值,同时仍获得可用于用于的模型预测电池组设计的性能和温度。让我们看看结果。

检查参数估计的结果

从结果来看,您可以可视化电池电压和电流,从而产生电池产生多少电能。如下图所描述的那样,该模型随着时间的推移(五分钟)的速度与实验数据非常吻合。此外,当没有施加电流(开路电势(OCP))时,您可以确定电池可用的最大电压。

将电池中电池电压的实验结果与ComsolMultiphysics®模型进行比较的图。
该电池示例的建模和实验性电池电压以及相应的OCP。

该模型还可以帮助您分析过度贡献的效果,从而分析电池的效率。通常,由于许多非线性和随时间变化的方面发挥了作用,因此最小化过度贡献可能很困难。使用集体模型,您可以使用参数估计研究中的拟合参数来确定过电位(包括激活,欧姆和浓度)如何影响随着时间的时间和变化的单元电流影响设计。

图绘制了锂离子电池的不同损失。
在5分钟的时间段内,欧姆,电荷转移和扩散过程的损失以及细胞电流变化。

使用这种黑框仿真方法,您可以获取有关电池的必要信息,该电池可用于电池组的电池组设计和设计用于电池组的热管理系统。

下一步

单击下面的按钮,尝试从应用程序库中的时间相关的总电池模型的参数估计。在那里,您可以找到文档并下载相关的MPH文件。

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评论(3)

发表评论
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想闫
想闫
2019年11月27日

您好Bridget Paulus,我想问一个问题,当我将参数文件加载到模型中时,序列错误总是会提示(期望3列,只找到1列,序列错误中有两个列,但是the file is indeed three columns of data Corresponding to time, voltage, and current respectively), I don’t know where the problem is, I look forward to your answers.

布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
布莱恩·克里斯托弗(Brianne Christopher)
2019年12月2日

你好想闫,

感谢您的评论。

有关与您的建模有关的问题,请联系我们的支持团队。

在线支持中心://www.dvdachetez.com/support
电子邮件:support@comsol.com

想闫
想闫
2019年12月2日

您好,您能回答这种加热能力的每个部分的含义吗?I can’t understand the latter part of the expression, thank you (E_IR + E_CT) * I_cell + int_dom (d (E_OCP (S), S) * Sx * Sx * x ^ 2 * 1 [m ^ -1]) * Q / tau * 3

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