动力电池电化学阻抗谱:原理、获取及应用

目录 序一 序二 前言 第1章 绪论 1 1.1 电化学阻抗谱的基本概念及背景 1 1.2 电化学阻抗谱的测量 2 1.2.1 电化学阻抗谱测量原理 2 1.2.2 实验室条件下的电化学阻抗谱测量 4 1.2.3 非实验室条件下的电化学阻抗谱测量 6 1.2.4 面向车载应用的电化学阻抗谱测量 8 1.3 电化学阻抗谱的分析 10 1.3.1 基于模型的电化学阻抗谱分析原理 11 1.3.2 电化学阻抗谱分析模型的参数辨识 14 1.4 电化学阻抗谱的应用 15 1.4.1 电化学阻抗谱应用于电化学动力学反应机理分析 15 1.4.2 电化学阻抗谱应用于动力电池的老化模式分析 16 1.4.3 电化学阻抗谱应用于动力电池的健康状态估计与寿命预测 16 1.4.4 电化学阻抗谱应用于动力电池的内部温度估计 16 1.5 本书的研究内容 19 第2章 基于电化学机理电极过程模型的动力电池电化学阻抗谱分析 20 2.1 引言 20 2.2 锂离子电池电化学机理模型 20 2.2.1 锂离子电池的伪二维电化学机理模型 20 2.2.2 伪二维模型仿真结果分析 26 2.2.3 电池单颗粒模型仿真分析 30 2.3 准稳态激励下电池电化学阻抗特性分析 33 2.3.1 准稳态激励下的阻抗求解 33 2.3.2 准稳态工况下的阻抗仿真分析 38 2.4 非稳态激励下电池电化学阻抗特性分析 42 2.4.1 非稳态激励下的阻抗求解 42 2.4.2 非稳态激励下的阻抗仿真分析 45 2.5 本章小结 49 第3章 动力电池电化学阻抗谱的在线获取方法 51 3.1 引言 51 3.2 基于谐波信号时频分析的电池电化学阻抗谱快速测量方法 51 3.2.1 小波变换的计算原理 51 3.2.2 基于小波变换的电池阻抗计算方法 57 3.2.3 基于小波变换在线计算电池电化学阻抗的方法验证 60 3.3 基于交流激励的电池电化学阻抗谱在线测量系统 65 3.3.1 双向激励装置设计 68 3.3.2 信号采样模块设计 74 3.3.3 基于双通道正交矢量型数字锁相放大器的阻抗计算方法 78 3.3.4 电化学阻抗谱在线测量的实验验证 82 3.4 本章小结 87 第4章 动力电池电化学阻抗谱在线获取结果的影响因素分析 88 4.1 引言 88 4.2 基于谐波信号时频分析的电化学阻抗谱计算结果影响因素分析 88 4.2.1 不同阶跃幅值激励电流的影响 88 4.2.2 不同脉冲激励前静置时间的影响 90 4.2.3 不同充放电模式的影响 91 4.2.4 影响因素总结 93 4.3 基于交流激励的电化学阻抗谱测量结果影响因素分析 93 4.3.1 不同交流激励电流幅值的影响 93 4.3.2 不同静置时间的影响 97 4.3.3 不同直流偏置的影响 100 4.4 离线与在线电池电化学阻抗谱测量方法的对比 103 4.5 本章小结 104 第5章 动力电池电化学阻抗谱的等效电路建模 105 5.1 引言 105 5.2 整数阶等效电路建模 105 5.2.1 典型的整数阶等效电路模型 105 5.2.2 等效电路模型阶次确定 108 5.3 分数阶等效电路建模 112 5.3.1 分数阶微积分理论 113 5.3.2 分数阶模型的建立 114 5.4 等效电路模型验证及对比 116 5.4.1 频域内的模型验证及对比 116 5.4.2 时域内的模型验证及对比 118 5.5 分数阶等效电路模型参数的离线辨识方法 121 5.5.1 非线性*小二乘算法 121 5.5.2 分数阶等效电路模型离线辨识结果 123 5.6 分数阶等效电路模型参数的在线辨识方法 127 5.6.1 *小二乘算法原理及其递推形式 128 5.6.2 分数阶等效电路模型简化 130 5.6.3 在线参数辨识过程 133 5.6.4 在线参数辨识结果分析与验证 134 5.6.5 参数在线辨识的影响因素分析 138 5.7 本章小结 139 第6章 电化学阻抗谱在动力电池老化模式诊断中的应用 140 6.1 引言 140 6.2 基于电化学阻抗谱的电池老化模式诊断原理 140 6.2.1 基于差分电压法对老化机理量化 141 6.2.2 电池容量测试结果和三电极测试 141 6.2.3 基于扫描电子显微镜和中子衍射技术的老化模式分析 145 6.2.4 电池阻抗参数的提取和量化 148 6.2.5 阻抗与老化模式的相关性分析 149 6.3 基于等效电路模型的电池老化模式分析 151 6.3.1 老化模式分析方法确定 151 6.3.2 不同老化工况下的电池电化学阻抗谱特性及其演变过程 152 6.3.3 基于二阶等效电路模型的阻抗拟合 154 6.3.4 改进一阶电路模型的阻抗拟合 155 6.3.5 老化模式识别方法 156 6.4 不同等效电路结构对电池老化模式分析的影响 157 6.4.1 统计学分析方法 157 6.4.2 等效电路模型阶次对单阻抗弧老化模式分析的影响 157 6.4.3 不同等效电路模型结构对电池老化模式计算结果的影响 160 6.5 基于电化学阻抗谱的电池老化模式量化分析 163 6.5.1 三种老化模式在不同老化过程中的影响分析 163 6.5.2 温度和充电倍率对老化模式的影响 164 6.6 本章小结 167 第7章 电化学阻抗谱在动力电池健康状态估计中的应用 168 7.1 引言 168 7.2 不同温度、荷电状态和健康状态下电化学阻抗谱变化规律 168 7.2.1 电化学阻抗特性实验 168 7.2.2 电池阻抗定量分析 172 7.3 传荷电阻受温度和荷电状态影响的分析与建模 174 7.3.1 传荷电阻受温度和荷电状态的影响建模 174 7.3.2 传荷电阻与温度、荷电状态关系模型的参数确定方法 176 7.3.3 传荷电阻计算方法实验验证 178 7.4 传荷电阻与温度、荷电状态关系模型验证 184 7.4.1 电池老化对传荷电阻与温度、荷电状态耦合关系模型的影响 184 7.4.2 电池老化过程中传荷电阻计算模型修正 187 7.4.3 老化修正的传荷电阻-温度-SOC耦合模型验证 189 7.5 基于传荷电阻的电池健康状态估计 191 7.5.1 电池阻抗与容量的关系 191 7.5.2 电池健康状态估计 192 7.6 本章小结 193 第8章 电化学阻抗谱在动力电池寿命预测中的应用 194 8.1 引言 194 8.2 电池老化过程中传荷电阻的预测方法 194 8.2.1 基于传荷电阻的电池老化经验模型确定 194 8.2.2 基于经验模型及粒子滤波的电池老化预测方法 197 8.3 标准状态下的电池剩余循环寿命预测 199 8.3.1 电池剩余循环寿命预测流程 199 8.3.2 电池剩余循环寿命预测结果分析 200 8.3.3 电池剩余循环寿命预测结果的不确定性表达 204 8.4 考虑温度与荷电状态影响的电池剩余循环寿命预测 205 8.4.1 温度与荷电状态影响下的电池剩余循环寿命预测方法 205 8.4.2 基于传荷电阻预测的电池剩余循环寿命预测结果 206 8.5 本章小结 209 第9章 电化学阻抗在动力电池内部温度估计中的应用 210 9.1 引言 210 9.2 静态EIS相角与电池内部温度的关系 210 9.2.1 相角与电池内部温度的映射关系 210 9.2.2 构造温差下静态EIS相角与电池内部温度的关系 216 9.2.3 静态阻抗相角和电池平均温度关系基准表 219 9.3 动态EIS相角与电池内部温度的关系 220 9.3.1 脉冲工况下动态EIS相角与静态EIS相角的关系 220 9.3.2 恒流工况下动态EIS相角与电池内部温度的关系 222 9.3.3 脉冲工况下动态EIS相角与电池内部温度的关系 226 9.4 锂离子电池内部温度估计模型的建立及验证 228 9.4.1 修正相角查表法估计电池内部温度 228 9.4.2 多元线性回归法修正电池内部温度估计 230 9.5 本章小结 234 第10章 总结与展望 235 10.1 总结 235 10.2 本书的局限性及未来展望 237 参考文献 238