4、电池建模：从基础原理到模型应用

电池建模：从基础原理到模型应用

1. 电池充放电机制与建模需求

可充电电池在充放电过程中，阴极材料（如 LiCoO₂）的氧化态会接收电子并转变为还原态，同时从阳极迁移过来的锂离子会补偿电荷。充电时，这一过程则相反。然而，电池的充放电机制会受到外部因素的影响，例如温度、使用模式和电池寿命等。

在低温环境下，电子和锂离子的迁移能力受限，导致电池的电阻增大，这种电阻被称为电荷转移电阻。当电池反复充放电时，会形成固体电解质界面（SEI），由此产生的电阻被称为 SEI 电阻。随着时间的推移，锂离子的耗尽会导致电池容量下降。为了捕捉电池响应随时间的变化，准确地对电池进行建模至关重要。

电池模型旨在尽可能真实地模拟电池的行为。通过模型，可以计算出电池一些无法直接测量的状态，如荷电状态（SOC）、健康状态（SOH）、剩余时间（TTS）和剩余使用寿命（RUL）等。基于这些计算出的状态，电池管理系统（BMS）会发出电子控制信号，以维持电池处于良好的工作状态。目前，现有的电池模型在预测电池的瞬时状态（如 SOC、功率状态和 TTS）方面表现可靠，但在预测电池的累积状态（如功率衰减、容量衰减、SOH 和 RUL）方面仍处于早期阶段。

2. 电气等效电路模型

在电池管理中，电池建模的要求是建立一个能够基于非侵入式测量来观察与电池荷电状态和健康状态相关的重要状态和参数的模型。常见的非侵入式测量包括电池两端的电压、通过电池的电流以及电池表面的温度。因此，电气等效电路模型（ECM）被广泛应用于电池监测。下面将介绍两种不同的等效电路模型：直流（DC）等效电路模型和交流（AC）等效电路模型。

2.1 直流等效电路模型（DC - ECM）