锂离子电池阻抗模型的研究

论文摘要

锂离子电池是目前应用较为广泛的二次电池之一。本研究中采用电化学方法建立并分析锂离子电池阻抗模型,目的是为电池欧姆内阻和极化内阻的检测提供理论依据和方法。电池阻抗模型包含可以表示电池性能的大量信息,建立正确的电池阻抗模型具有重要意义。在本文中选用正极材料为钴酸锂的锂离子电池作为实际的研究对象,通过对电池的内部结构和工作原理的分析,结合电极动力学原理,采用基于电子运动理论的电极等效电路,同时考虑除电极以外的其他组成部分的等效元件,建立了电池阻抗模型。研究过程中采用电化学阻抗谱作为实验方法,使用电化学测量仪器测量电池的电化学阻抗谱,通过对图谱曲线的特征分析,结合等效元件的频率响应特性,对建立的阻抗模型进行修正,使模型的图谱特征与测量的图谱特征相同。采用专业的电化学阻抗谱分析软件,对所测得的阻抗数据进行数据分析、拟合。通过上述研究工作得出了电池的阻抗模型是由代表电极电双层和极化内阻的等效元件、表示电池欧姆内阻的等效元件以及一个电感和电阻组成的并联元件相串联构成。以模型作为研究的基础,对电池在不同荷电状态下的阻抗模型参数进行分析,得出了欧姆内阻随电池的荷电状态的增大而减小、电极极化内阻随电池的荷电状态的增大而增大的结论;对不同循环周期的电池阻抗模型参数进行分析,得出了内阻随着电池的使用次数的增加而增大,随电池容量的减小而增大的结论。利用电路变换的方法将频域下的阻抗模型等效成直流激励状态下的阻抗模型,将直流状态下不易测量的等效元件转化成了电容元件,实现了通过测量电池系统的零输入响应过程来测量电池欧姆内阻和极化内阻。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究现状
• 1.1.1 锂离子电池的应用现状
• 1.1.2 电池检测技术的现状
• 1.1.3 电化学阻抗模型研究现状
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 课题来源及本文主要研究工作
• 第2章 电化学阻抗谱理论
• 2.1 电池系统阻纳的传递函数
• 2.1.1 传递函数
• 2.1.2 阻纳基本条件的讨论
• 2.2 等效元件
• 2.2.1 等效电阻
• 2.2.2 等效电容
• 2.2.3 等效电感
• 2.3 复合元件的电化学阻抗谱
• 2.3.1 电阻和电容串联组成的复合元件
• 2.3.2 电阻和电容并联组成的复合元件
• 2.3.3 电阻和电感串联组成的复合元件
• 2.3.4 电阻和电感并联组成的复合元件
• 2.4 建立等效电路要注意的问题
• 2.5 本章小结
• 第3章 电池阻抗模型
• 3.1 锂离子电池的工作原理
• 3.2 电池电极过程
• 3.2.1 电池电极过程基本历程
• 3.2.2 锂离子电池的电极过程
• 3.3 锂离子电池的等效电路
• 3.3.1 电双层理论模型
• 3.3.2 基于电子运动理论的电池等效电路
• 3.4 电化学阻抗谱的测量
• 3.4.1 实验仪器及环境
• 3.4.2 阻抗谱测量原理
• 3.4.3 实验及实验结果
• 3.5 电池阻抗模型的修正
• 3.5.1 实验结果分析
• 3.5.2 模型修正
• 3.6 本章小结
• 第4章 参数拟合及模型验证
• 4.1 依据已知等效电路模型的数据处理方法
• 4.2 实验数据拟合
• 4.3 电化学阻抗谱法验证
• 4.3.1 同电池重复测量验证
• 4.3.2 不同电池同环境测量验证
• 4.4 本章小结
• 第5章 电池阻抗模型参数变化规律
• 5.1 阻抗模型参数与电池荷电状态的关系
• 5.1.1 测量实验
• 5.1.2 实验结果讨论
• 5.2 阻抗模型参数与电池容量的关系
• 5.2.1 测量实验
• 5.2.2 实验结果讨论
• 5.3 本章小结
• 第6章 基于阻抗模型参数的检测方法的设计
• 6.1 阻抗图半圆旋转的等效电路
• 6.1.1 采用极坐标进行分析
• 6.1.2 采用直角坐标进行分析
• 6.1.3 由阻抗谱求参数
• 6.2 一阶电路的零输入响应
• 6.3 检测方法的设计与实现
• 6.3.1 理论分析
• 6.3.2 方法实现
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢