储能电池的建模与内部温度估计研究

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目前,锂离子电池凭借着其高能量密度、低自放电、使用寿命长等优点,在电网储能中得到了广泛应用。然而,锂离子电池的安全性问题仍然是制约其进一步发展的重要因素,尤其是热失控这一核心问题亟待解决。电池的内部温度估计是预防热失控的有效手段,也是确保储能电站稳定运行的基础。本文从锂离子电池建模和分析入手,主要探索基于阻抗模型参数的电池内部温度估计方法。开展的研究工作主要如下:(1)探索建立阻抗模型的方法和依据。首先,介绍了锂离子电池的工作原理和特性参数,并通过充放电实验,研究了电网储能用锂离子电池的工作特性。然后,通过分析常用等效元件和典型等效电路的电化学阻抗谱(EIS),明确了阻抗模型建立的要领和原则。(2)建立了储能电池的阻抗模型。以电网储能用大容量单体锂离子电池为实验对象,设计进行了EIS测量实验,得到了电池在不同状态下的EIS,并明确了锂离子电池EIS与内部温度之间的关联性。同时,通过对比多种等效模型的拟合效果,结合电化学阻抗谱理论和常用等效电路元件的EIS特性,建立了R(CR)(CR)模型和Q(CR)模型,并确立了二者的适用温度范围:R(CR)(CR)模型在50℃以下时有效,Q(CR)模型适用于50℃及以上温度。(3)电池内部温度估计研究。利用软件Zsimp Win对所有状态下的阻抗模型参数进行辨识,根据参数辨识结果,找寻与内部温度相关、SOC无关的参数量。对于R(CR)(CR)模型,其个别参数与内部温度呈现较强的线性关系,通过线性拟合的方法,建立了参数与内部温度之间的数学函数关系,以此来预测电池的内部温度。针对Q(CR)的模型参数与内部温度呈现非线性关系,无法建立明确数学函数的问题,提出了基于支持向量回归机(SVR)的内部温度估计算法。并利用交叉验证法对SVR模型参数进行优化选择。最后,通过分析预测温度的相对误差对内部温度估计算法进行验证。最终的结果表明,基于阻抗模型参数的内部温度估计算法,可以得到较高精度的内部温度估计结果。
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