6、电池管理系统的建模与表征

电池管理系统的建模与表征

1. 电池建模基础

电池建模是电池管理系统（BMS）开发的关键步骤，其目的是通过数学模型模拟电池的功能。电池的主要功能包括充电、放电和老化等，一个好的电池模型应能全面反映这些功能。

1.1 锂离子电池内部结构

锂离子电池主要由阳极、阴极、隔膜和电解质组成。阳极通常由石墨构成，锂离子可嵌入石墨层间；阴极有多种化学材料可选，如锂钴氧化物等；隔膜用于防止正负极直接接触，同时允许锂离子通过；电解质负责锂离子在正负极之间的传输。

1.2 电池充放电机制

电池充放电的驱动力源于正负极材料的电化学电位差和氧化态变化。放电时，阳极材料释放电子和锂离子，电子通过外电路到达阴极，锂离子通过电解质迁移到阴极；充电过程则相反。此外，电池的充放电机制还受温度、使用模式和电池老化等外部因素影响。

2. 电池等效电路模型

为了基于非侵入式测量来观察电池的重要状态和参数，常采用电气等效电路模型（ECM），主要包括直流等效电路模型（DC - ECM）和交流等效电路模型（AC - ECM）。

2.1 直流等效电路模型（DC - ECM）

DC - ECM 由电动势（EMF）、滞后效应（h(k)）、欧姆电阻（R0、R1、R2）和电容（C1、C2）组成。电池端电压 v(k) 可表示为：
[v(k) = EMF + h(k) + i(k)R0 + i1(k)R1 + i2(k)R2]
其中，电流 i1(k) 和 i2(k) 可根据以下公式推导：
[i1(k + 1) = \alpha_1i1(k) + (1 - \alpha_1)i