基于知识和数据驱动的锂离子电池均质化建模方法研究.pdfVIP

摘要

随着新能源汽车市场占有率的逐渐提高，锂离子电池的安全性也受到了广泛关注，

其变形与失效机理的研究离不开准确的仿真模型。本文以软包锂离子电池为例，在传统

建模经验的基础上引入数据驱动建模的思想，提出系统级锂离子电池建模方案。所提出

的方案旨在推动锂离子电池进一步的安全应用，对锂离子电池以及新能源汽车的发展具

有一定参考价值。

针对电芯活性物质的压力依赖性而无法通过试验准确获取模型材料参数的问题，提

出将软包锂离子电池的铝塑膜外壳和内部电芯分开均质化建模，并通过数据驱动的方案

调整电芯参数而使电池单体的仿真结果接近实际试验结果。首先获得电池单体在球头压

缩、平面压缩以及三点弯矩工况下的试验结果，之后对铝塑膜和均质化电芯的仿真模型

分别展开研究。

铝塑膜模型使用仿真与试验相结合的方案，基于韧性断裂准则建立其失效模型。标

定该准则需要三种三轴应力状态下的试验结果，首先通过试验得到基本的材料参数以及

铝塑膜不具有明显的各向异性和应变率相关性的结论，然后建立了三种工况下的八个试

样的仿真模型，分析其三轴应力状态，选出最适合试验的三种试样对韧性断裂准则进行

标定。此外对于试验附加装置如压头和垫片等对结果的影响也进行了设计和研究，以拟

定最适合的试验方案。通过仿真与试验结果的对比，验证了铝塑膜材料参数的有效性。

电芯模型使用数据驱动方案，依据电池单体仿真与试验数据确定材料参数。从电池

单体试验结果估计出均质化电芯可溃缩泡沫材料的参数范围并进行敏感性分析，将对结

果影响小的参数确定，剩余参数将由参数识别算法确定。参数识别算法使用克里金代理

模型和多层感知机模型依据相对均方根误差竞争的策略，自主选择最合适的模型识别材

料参数。算法输入为载荷-位移曲线通过Levenberg-Marquardt优化算法提取的特征参数，

输出为对应仿真模型材料参数。

最后建立完整电池单体模型，使用50组仿真数据对模型训练后，将试验曲线特征参

数作为预测点代入模型得到对应的材料参数，从而得到数据驱动方案下建立的软包锂离

子电池的仿真模型。将所建立的电池单体模型在三种工况下进行仿真计算，对比分析仿

真与试验结果，较好地验证了本文所提出建模方案的有效性。

关键字：软包锂离子电池；均质化建模；可溃缩泡沫模型；电池试验

Abstract

Withthegradualincreaseinmarketshareofnewenergyvehicles,thesafetyof

lithium-ionbatterieshasalsoreceivedwidespreadattention.Thestudyoftheirdeformation

andfailuremechanismscannotbeseparatedfromaccuratesimulationmodels.Thisarticle

takespouchlithium-ionbatteriesasanexampleandintroducestheideaofdata-driven

modelingbasedontraditionalmodelingexperience,proposingasystemlevellithium-ion

batterymodelingscheme.Theproposedschemeaimstopromotethefurthersafeapplication

oflithium-ionbatteriesandhascertainreferencevalueforthedevelopmentoflithium-ion

batteriesandnewenergyvehicles.

Toaddresstheissueoftheinabilitytoaccuratelyobtainmodelmater