电动汽车用动力电池模型的研究综述_欧阳剑

0 引言
随着当前电子科技飞速发展与日趋成熟，电 池技术越来越广泛应用于各行各业中，如民用领 域里生活中照明、汽车、信号和无线电通信等； 或者是在工业领域里的 AGV 小车、移动机器人、 无人机、工业仪器等；或是军事领域里导弹发射 系统、雷达系统等等。由于电池在各个领域有着 广泛的应用，各种电子便随器及家用电器都需要 大量电池的支撑，因此，电池技术的发展将会促 进电子、信息及通信等领域的发展进步。同时， 随着技术的发展及生产力水平的提高，不仅电池 的需求量增大，也对电池提出了更多更高的要 求，如体积小、质量小、容量大、寿命长、安全
* 广东省战略新兴产业核心技术攻关项目 （编号：2012A010702004）
收稿日期：2015－08－06
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电力电网
机电工程技术 2015 年第 44 卷第 12 期
图 1 电池应用领域
1 电池的种类及特点
目前电池的种类繁多，按工作性质和贮存方 式可划分为：一次电池，即不可充电电池，如锌 锰电池、核电池；二次电池，即可充电电池，如 镍氢电池、锂离电池等等。现列举目前常用的电 池种类及其特点如表 1 所示。
多样，可根据需求比较方便地进行修改调整。利 用该模型可以在使用过程中，轻松地捕捉电池的 动态特性参数，可用于改进电池的参数设计。同 时，可以用来估计电池的 SOC，有助于改进电池 的管理系统设计，是目前主要的电池分析模型[6]。
3 电池常用的性能模型
在工作状态下的内部温度变化的情况。目前广泛使
电池的性能模型分类方法可多样，本文将其划
能、化学能和热能进行推导。在构建耦合模型时，
Edi = Pdi Tdi
（4）
如式 （2） 所示的 Arrhenius 公式，用于描述电化学
则式 （3） 可改写为：
模型参数因电池所处温度场不同而发生的变化[5]：
ψ = ψref
exp [
Eψ act R
æ ç è
1 Tref
-
1 T
ö÷] ø
（2）
来自百度文库
ΔSOC =
宇宙航行、人造卫星、火箭。
氧化镍粉和石墨粉、氧
镍镉电池
是
化镉粉和氧化铁粉
500 次以上
价格低，寿命较长，可高倍率放电； 比能量低，有一定的记忆效应。
军事通讯、卫星、中小型电器。
镍氢电池
氢离子和金属镍
高倍率充放电性能好，环保；价格高， 小型民用电池，少量于混合动力
是
500 次左右 自放电较大。
汽车。
锂离电池
Δt Tdi
1 3600
（5）
Tdi 为电池在功率密度为 Pdi 时的放电时间（h）。
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机电工程技术 2015 年第 44 卷第 12 期
功率密度 Pdi 和能量密度 Edi 的关系由式 （6） 和 （7） 给出，它们可以通过实验的方法得到。
( ) Pdi = exp [A ln Tp 2 + B ln Tp + C ]
性高、无污染和成本低等。 但目前电池存在比能量低、安全性差、寿命
短、成本高等问题。因此，针对电池不同的研究 侧重点，学者们提出了不同的电池模型，可针对 电池的不同方面进行分析，有描述影响电池使用 的指标的，有描述电池工作外特性的，也有利用 数学关系描述电池内部反应过程的，从而研究各 种设计方案对性能的影响，如充放电倍率大小、 使用环境及电池本身温度、循环次数对电池剩余 容量、使用寿命的影响。本文从当前电池需求出 发，对常用电池的常用参数进行比较，并综合分 析现有的电池模型和性能模型进行了分析总结， 可为今后电池模型研究提供一定的指导和参考。
用的热模型之一由美国加州大学伯克利分校的 D. Bemardi 在 1985 年提出 ， [1,5] 如式 （1） 所示电池的 生热速率模型，该公式利用能量守恒的基本原理，
分为以下四种实用性较强的模型：特定因素模型、 部分放电模型、神经网络模型、等效电路模型。 3.1 特定因素模型
通过研究电化学反应时的熵变以及焦耳热得出：
试验研究也较方便。但是其精度相对于电化学模
型和数学模型有较大的差距[6]。
2.6 性能模型
性能模型主要用于描述动力电池的外特性。
图 2 电化学模型示意图
与前述的模型相比，其通用性较强，简单且结构
2.3 热模型 在电池充放电的过程中，其内部机理的本质
是电子的运动，电子的定向运动产生电流释放能 量，必然会导致温度发生变化。温度是影响电池性 能的一个重要指标，因此，研究者们热衷于结合传 热学的原理，来构建电池的热模型，用于估算电池
（6）
-B Tp = exp{
A+
éëêêæè
B A
ö2 ø
-
2
4
(C
- ln A
Pdi
)ù2
úú û
}
（7）
其中，A、B 和 C 是由实际电池参数和特性所
确定的常数[7]。
3.3 神经网络模型
神经网络是一种应用类似于大脑神经突触联
接的结构进行信息处理的数学模型，对于处理非
线性系统问题表现出优秀的性能，适合用于电池
表 1 不同的电池及其特点
电池种类
主要成分
是否充电 寿命
特点
应用领域
锌锰电池
二氧化锰，锌
放电电流大，成本低，电容量大，性价
否
1次
比高；含有汞，对环有害。
民用和工业。
铅酸电池
铅及其氧化物
价格低；循环寿命短，比能量低，自放
汽车启动、通信、铁路、牵引、
是
300 次
电大，铅对环境有害。
储能和应急照明。
银锌电池 氧化汞加石或氧化银加石墨 是 100～150 次 比能量大，耐震；价格昂贵，使用寿命短。
碳素材料、锂离子
比能量高，循环寿命长；不具备抗过充
手机等便携式产品，电动车、无
是
3 000 次以上 电能力，低温性能差。
人机和储能设备。
核电池
放射性同位素
体积小、重量轻、寿命长，可在极限环
否
1次
境中工作；有放射性污染。
航天器的电源、心脏起搏器电源。
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欧阳剑 等：电动汽车用动力电池模型的研究综述
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等等。通过建立特定因素影响下的电池模型来作
表电池内部温度。
为其他模型的补充，达到快速获取电池某一特点
该模型应用的效果优劣取决于表达式参数选
的目的 。 [1,7] 但是，这种模型单独使用时会有一定
取的准确性，电池热传导率和生热速率是其最为
的片面性，不能完善的描述电池的整体状态。
重要的两个参数。利用该表达式能很好地描述电
3.2 部分放电模型
池的生热、传热过程，但同时，对于单一方面存
部分放电模型是通过计算电池剩余电量的变化
在一定的局限性。
量[7-8]实现的。具体计算公式如式 （3） - （5） 所示：
2.4 耦合模型 通常电化学反应伴随着热量的产生，对于电
池内部反应而言更是联系紧密，为研究这两个因素
ΔSOC =
Pdi Edi
Δt 3600
（3）
其 中 ， Pdi 为 电 池 放 电 功 率 密 度 （W/kg）；
在电池充放电过程中的关系，可以构建电化学热耦
Edi 为电池在功率密度为 Pdi 时所对应的能量密度
合模型。该模型的理论基础是电化学反应动力学与 （kJ/kg）；
电化学反应热力学，利用能量守恒定律，结合电
Edi 与 Pdi 之间有如下关系：
关键词：动力电池；电池模型；电动汽车
中图分类号：U469.72 TM91
文献标识码：A
文章编号：1009－9492 ( 2015 ) 12－0001－04
The Overview of Research of Power Battery Model Use for Electric Vehicle
OUYANG Jian，LI Di，LIU Jun-cheng
其 中 ， ψreg 代 表 温 度 为 298.15 K 时 ψ 的 取
值，
Eψ act
代表活化能， Tref
代表参考温度。
2.5 电气模型
电气模型使用电压、电流源、阻容网络等元
器件组成电路，用于描述电池的外特性。该模型
简单、直观，对于研究电池的外特性非常适合，
由于采取的都是常规的电气元件，因此进行仿真
（Technology Institute of Mechanical and Automobile，South China University，Guangzhou510641，China）
Abstract: This paper analyzes the types and characteristics of battery，enumerates the current hot battery model，and summed up in the electrochemical model，mathematical model and thermal model，the coupling model，the electrical model and the performance model of six kinds of model. At the same time，analyzes the advantages and disadvantages of all kinds of battery model，and through to subdivide the battery performance model to simplify the electrochemical model，neural network model，the partial discharge model，characteristic factor analysis model and equivalent circuit model. Finally sums up the current battery remaining power model the key technology of the research process，at the same time the battery model for the future research direction. Key words: power battery；battery model；electric vehicle
特定因素模型主要应用于研究某一个或几个
q=
I V
(Eoc - U - T
dEoc dT
)
（1）
其中：I 代表工作电流；V 代表电池体积； Eoc
特定因素在工作过程中对电池状态的影响情况， 常见的影响电池状态的因素有电池的剩余电量、 使用环境温度、容量衰减程度、电池的循环寿命
代表电池开路电压；U 代表电池的工作电压；T 代
机电工程技术 2015 年第 44 卷第 12 期
电力电网
DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 12. 001
电动汽车用动力电池模型的研究综述*
欧阳剑，李 迪，柳俊城
（华南理工大学 机械与汽车学院， 广东广州 510641）
摘要：为研究电池的特点和模型，分析目前电池的种类，应用领域及特点等参数，列举近年来研究人员重点关注的几种动力电
数学模型是利用经验公式和数学理论方法来 优化分析整个电池[4]。目前，通常借助于数学软件 来构建数学模型，可以简化在系统设计过程中的 工作量。该模型常用于描述电池系统可用容量、 充放电效率等特性。但是，与电化学模型类似 的，也存在系统模型过于复杂而需要进行简化处 理，结果往往导致误差增大，由于简化过程中的 人为范围限定和参数取舍，模型仅能用于描述电 池的某特定方面。
池模型，并归纳分类为电化学模型、数学模型、热模型和性能模型等六种动力电池模型。与此同时，综述了各种电池模型的特
点，并着重分析对比了电池性能模型中的简化电化学模型、部分放电模型、特点因素模型和等效电路模型等几种。最后总结了
当前电池剩余电量模型研究过程的关键技术，同时为未来电池模型研究提供必要的指导和参考。
2 电池模型
由于目前市场上的电池种类繁多，性能不
一，需要不同的电池模型对其进行研究分析。目 前主要有六种模型来分析研究电池特性，可以归 纳为：电化学模型、数学模型、热模型、耦合模 型、电气模型和性能模型[1]。 2.1 电化学模型
电化学模型是采用偏微分方程[1-3]来描述电池 内部的电化学反应过程的一种方法，利用该方法 可以描述电池内部的超电势变化、电极特性、电 子在隔膜中的分布等特性。电化学模型，可以重 点用于研究电池内部反应机理及电化学反应过 程，尤其对于电池结构设计优化、电池设计参数 （材料、尺寸、结构等） 调整有着重要的意义。但 是该模型表达式相对较复杂，求解方程时计算量 大且参数难以确定，用于电池外特性的研究时极 为不便。图 2 为电化学模型示意图。 2.2 数学模型