电池模型主要分三块:电、热和寿命,今天将所有基础公式都汇总到一起,看看各个function是如何耦合的,另外将之前的相关文章链接也放在一起,可以参考下。
首先从外特性角度看将电池看做一个等效电路,RC电路可选。
电压计算公式如下:
我们的首要目的是计算端电压 ,但不幸的是式中 , , , , , 6个参数都跟温度,SOC和寿命状态相关。当然觉得RC对太复杂可以把他忽略,但是 也可以做成跟温度,SOC,寿命甚至于倍率相关的函数来用于电压或者发热功率计算。
SOC计算采用安时积分,公式如下:
为充放电效率,即库伦定律。而容量 也跟SOH,充放电倍率和温度等相关,需要修正。
关于RC等效电路模型可以参看公 众号文章:电池热管理仿真(七):RC电路的应用-上篇
首先计算发热功率,核心计算公式即是贝尔纳蒂公式(Bernardi Model)
公式的前半部分就是不可逆热,即电芯内阻造成的端电压与OCV的电势差与电流的乘积,可以参照上述的电压计算公式。
后半部分就是可逆热,关于可逆热(熵系数)参看公众 号文章:Paper研究室(五):电芯熵热系数测试与快充仿真
有了发热功率就需要知道温升与温度分布,那就有了传热学三大公式:热传导、热对流与热辐射。计算公式分别如下:
热传导:
热对流:
热辐射:
最终根据能量守恒定律(热力学第一定律),电池单位时间内的温度变化由生热率与散热率之差决定:
关于传热公式可以参看:韩工碎碎念(一):极简传热学
关于电芯一维离散建模可以参看:电池热管理仿真(六):一维电池热模型
关于电池包离散建模可以参看:电池热管理仿真(十二):浅析电池包一维热模型搭建
寿命模型主要分日历寿命和循环寿命,用半经验公式描述可以有很多种,比较常见的是基于阿公式温度加速衰减的:
基于阿伦乌尼斯的以四件 为单位的日历衰减公式:
基于阿伦乌尼斯的以四件安时吞吐为单位的循环衰减公式:
这两个公式计算之和得到的就是总的容量衰减,同时电池衰老也会带来不同程度的电池内阻增加,导致发热功率的变化。不过有意思的是,学术界研究内阻增加,包括一些商用软件里对这块相对于容量衰减研究要少很多,有兴趣的小伙伴可以猜下是为什么。
关于电芯寿命模型开发可以参看:Paper研究室(四):LFP电芯循环寿命模型
总结起来就如下图所示(其实我就是为了发这个图才写这篇文章的):