(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111446911.3 (22)申请日 2021.11.30 (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园 (72)发明人 陈启鑫　顾宇轩　郭鸿业　郑可迪　 康重庆　夏清　陈远博　 (74)专利代理 机构 北京清亦华知识产权代理事 务所(普通 合伙) 11201 代理人 单冠飞 (51)Int.Cl. G16C 10/00(2019.01) G16C 20/10(2019.01) G16C 20/20(2019.01) G06F 30/20(2020.01) G01R 31/367(2019.01)G06F 111/08(2020.01) (54)发明名称 一种基于电化学机理的锂离子电池内外特 性仿真方法 (57)摘要 本发明是一种基于电化学机理的锂离子电 池内外特性仿真方法 ， 该方法包括 ： 设定 Savitzky ‑Golay滤波器和扩展卡尔曼滤波器参 数； 获取电池参数和内部状态初值； 获取当前时 段电流； 计算当前时段电池内部反应离子通量相 关变量并对其进行平滑； 计算当前时段结束时电 解质和正负电极中锂离子浓度相关变量、 电池温 度和端口电压， 并分别对其进行平滑； 测量电池 温度、 环境温度和电压； 计算扩展卡尔曼滤波器 相关矩阵及电池内部相关状态 修正量； 进入下一 时段。 本发明基于电化学机理， 建立了锂离子电 池的离散状态方程模型， 通过Sav itzky‑Golay滤 波器和扩展卡尔曼滤波器， 实现了全工况下电池 状态的稳定更新和闭环校正。 权利要求书6页 说明书17页 附图1页 CN 114187970 A 2022.03.15 CN 114187970 A 1.一种基于电化学机理的锂离 子电池内外特性仿真方法； 其特征在于， 包括以下步骤： (1)设定Savitzky ‑Golay滤波器参数和扩展卡尔曼滤波器参数； 获取电池参数； 设定电 池内部分析点 位坐标； 设定电池内部状态初值； (2)获取当前时段电流 值； 计算电池内部动态性能参数； (3)计算当前时段电池内部反应离子通量相关变量并使用自适应参数的Savitzky ‑ Golay滤波器对其进行平 滑； (4)计算当前时段 结束时电池内部电解质中锂离 子浓度相关变量； (5)计算当前 时段结束时电池正负电极中锂离子浓度相关变量并使用Savitzky ‑Golay 滤波器对其进行平 滑； (6)计算当前 时段结束时电池温度和端口电压并使用Savitzky ‑Golay滤波器对电压序 列进行平 滑； (7)测量电池温度、 环境温度和电压； 计算扩展卡尔曼滤波器相关矩阵及电池内部相关 状态修正量； 进入下一时段。 2.如权利要求1所述的基于电化学机理 的锂离子电池内外特性仿真方法， 其特征在于， 所述步骤(1)具体包括以下步骤： (1.1)设定所述Savitzky ‑Golay滤波器参数， 至少包括： 平滑数据窗口宽度阈值MSG， 自 适应， 取4～19； 设定所述扩展卡尔曼 滤波器参数， 至少包括： 需要反馈的状态数量 NEKF； (1.2)获取所述电池参数， 至少包括： 获取电池电极和电解质所用材料； 获取电池表面 积As， 负极厚度Ln， 隔膜厚度Lsep， 正极厚度Lp， 总厚度Lb＝Ln+Lsep+Lp； (1.3)设定所述电池内部分析点位坐标， 根据电池内部化学反应的特点， 在负极区域和 正极区域分别选取三个点作为分析点， 分别是负极区域靠近负极极板处， 坐标为x1＝0， 负 极区域中点处， 坐标为x2＝Ln/2， 负极区域靠近隔膜区域处， 坐标为x3＝Ln， 正极区域靠近隔 膜区域处， 坐标为x4＝Ln+Lsep， 正极区域中点处， 坐 标为x5＝Ln+Lsep+Lp/2， 正极区域靠近 正极 极板处， 坐标为x6＝Ln+Lsep+Lp， 此外， 在隔膜区域也取三个点作为待分析点， 分别是隔膜区 域与负极区域分界面 处， 坐标为x7＝Ln， 隔膜区域中点处， 坐标为x8＝Ln+Lsep/2， 隔膜区域与 正极区域分界面处， 坐标为x9＝Ln+Lsep； (1.4)设定所述电池内部状态初值， 包括： 负极区域和正极区域电解质中锂离子总量 Qe， n和Qe， p， 该两项变量的初值通常设定为： 和 分析 点位处电解质锂离子浓度ce， i， i＝1， 2， ...， 9， 初值设定为 分析点位处电极活性 材料中平均锂离子浓度cs， i， i＝1， 2， ...， 6， 该变量的初值需要求解二元非线性方程组得 到： 求解上式得到cs， p和cs， n， 即作为初值： 分析点位处电极活性材料表面锂离子浓度css， i， i＝1， 2， ...， 6， 该变量的初值取： 活性材料扩散过程暂态变量wi， i＝1，权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114187970 A 22， ...， 6， 初值设定为 电池温度初值Tb， 初值取环境温度： (1.5)将电池内部状态量存储为向量格式： 将电 池端口电流存储为向量形式Is＝[ ]， 为空向量； 将电池端口电压存储为向量形式 初值为开路电压， 将电池所处环境温度存储为向量形式 3.如权利要求1所述的基于电化学机理 的锂离子电池内外特性仿真方法， 其特征在于， 所述步骤(2)具体包括以下步骤： (2.1)获取当前时段序号： k＝length(Is)+1， length( ·)函数为返回向量的长度； 获取 当前时段电流 值Ik， 当前时段持续时间 将Ik增加到电流向量末尾： Is＝[Is， Ik]； (2.2)根据本时段开始时电池内部状态计算电池内部动态性能参数， 包括： 分析点位处 电解质扩散系数 分析点位处电解质电导率 分析点位处电解质极化系数 分析点位处电 极活性材料扩散系数 正极和负极反应速率常数 其 中， i＝1， 2， 3时， 使用 εe， n， i＝4， 5， 6时， 使用 εe， p， i＝7， 8， 9时， 使用 εe， sep。 4.如权利要求1所述的基于电化学机理 的锂离子电池内外特性仿真方法， 其特征在于， 所述步骤(3)具体包括以下步骤： (3.1)根据 εs， n/p、 Rf， n/p、 Ik， 使用锂离子电池 内部反应离子通量和电势的估计方法， 计算当前时段电池内部分析点位处反应离子通量 电解质电势降 若k＝1， 将反应离子通量和电势降存储为向量格 式： 若k＞1， 将 增加到反应离子通量 向量、 电势降向量末尾： (3.2)计算分析点位处均衡电势的导数最大值， 其中， i＝1， 2， 3时， 使用 f′OCP， n， i ＝4， 5， 6时， 使用 f′OCP， p： 若 且k＞3时， 则需使用Savitzky ‑Golay滤波器对步骤(3.1)中计算所得状 态量进行平 滑， 否则直接执 行步骤(4)； (3.3)当δL≥dUOCP＞δH时， Savitzky ‑Golay滤波器参数设置为NSG＝2， MSG＝min{k， 19}， 当dUOCP＞δL时， Savitzky ‑Golay滤波器参数设置为 NSG＝1， MSG＝min{k， 19}； (3.4)使用Savitzky ‑Golay滤波器对jn， i、 从后往前的MSG个值进行平 滑： jn， i(end‑MSG+1： end)＝SG(jn， i(end‑MSG+1： end))， i＝1， 2， ...， 6； 权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114187970 A 3