CN117434451B - 恒压工况下的电池仿真计算方法、装置、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种恒压工况下的电池仿真计算方法、装置、设备及介质。该方法包括：在电池处于恒压工况的情况下，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路；基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组，网孔电流方程组中的每个网孔方程满足基尔霍夫电压定律；对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；将输入电流输入至电池仿真模型中对电池进行电化学仿真，得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。通过上述方案，在恒压工况下，无需计算电池的等效电阻，即可确定电池仿真模型的输入电流，在电池参数发生较大变化时，无需缩短时间步的步长，从而降低了电池仿真模型的迭代次数，进而提高了电池的仿真效率。
Description
技术领域
本申请涉及电化学技术领域，特别是涉及一种恒压工况下的电池仿真计算方法、装置、设备及介质。
背景技术
锂离子电池是电动车的核心动力源，其具有复杂的体系，为了探索锂离子电池的性能，通常对锂离子电池进行电化学仿真。
在相关技术中，在电池处于恒压工况时，通常采用计算电池等效电阻的方式来确定输入至下一时间步中的电池仿真模型中的输入电流。为提高电池仿真模型的仿真结果的准确度，通常采用缩短时间步的步长方式，但该方式会导致电池仿真模型的迭代次数增多，降低了电池的仿真效率。
发明内容
本申请提供一种恒压工况下的电池仿真计算方法、装置、设备及介质，其能够降低恒压工况下，电池仿真模型的迭代次数，提高电池的仿真效率。
第一方面，本申请提供一种恒压工况下的电池仿真计算方法，包括：在电池处于恒压工况的情况下，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路，其中，传输线等效电路包括多个网孔电路以及恒定电压源；基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组，其中，网孔电流方程组中的每个网孔方程满足基尔霍夫电压定律；对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；将输入电流输入至电池仿真模型中对电池进行电化学仿真，得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。
由上述内容可知，在本申请实施例中，在恒压工况下，将电池等效为传输线等效电路，通过对传输线等效电路对应的网孔电流方程组进行求解来确定电池仿真模型的输入电流，该过程无需计算电池的等效电阻，因此，在电池参数发生较大变化时，也无需缩短时间步的步长，从而降低了电池仿真模型的迭代次数，进而提高了电池的仿真效率。
在一些实施例中，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路，包括：在传输线模型下，将电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，其中，每个网孔电路由电池的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；对第一网孔电路与恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路；对第一网孔电路和第二网孔电路进行组合，得到电池的传输线等效电路。
通过将电池的仿真电路等效为电池与恒定电压源连接，从而得到电池的传输线等效电路，从而无需计算电池的等效电阻，在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
在一些实施例中，将电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，包括：将电池的正极区域等效为并联的多个第一类网孔电路，得到正极网孔电路，其中，每个第一类网孔电路由电池的正极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；将电池的负极区域等效为并联的多个第二类网孔电路，得到负极网孔电路，其中，每个第二类网孔电路由电池的负极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；对正极网孔电路和负极网孔电路进行串联，得到第一网孔电路。
通过将电池的正极区域和负极区域等效为多个并联的网孔电路，进而可基于多个并联的网孔电路构建网孔电流方程组，对网孔电流方程组进行求解，即可得到输入电流，而无需缩短时间步，从而提高了电池的仿真效率。
在一些实施例中，对第一网孔电路与恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路，包括：将位于电池的正极区域和负极区域间的隔膜等效为隔膜液相电阻；依次对正极网孔电路、隔膜液相电阻、负极网孔电路以及恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路。
通过对电池的网孔电路、隔膜液相电阻以及恒定电压源进行串联从而得到第二网孔电路，进而可得到电池的传输线等效电路，基于该传输线等效电路计算输入电路，无需计算电池的等效电阻，在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
在一些实施例中，基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组，包括：基于基尔霍夫电压定律确定每个网孔电路所对应的网孔方程，得到多个第一网孔方程；基于基尔霍夫电压定律构建第二网孔电路对应的网孔方程，得到第二网孔方程；对多个第一网孔方程和第二网孔方程进行组合，得到恒定电压源所对应的网孔电流方程组。
通过构建网孔电流方程组，无需确定电池的等效电阻，对网孔电流方程组进行求解即可得到电池仿真模型的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题，从而提高了电池仿真的效率。
在一些实施例中，对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流，包括：提取每个第一网孔方程的方程系数和第二网孔方程的方程系数，构建第一系数矩阵；基于每个网孔电路对应的平衡电位以及恒定电压源对应的电压值构建第二系数矩阵；提取网孔电流方程组的方程变量，构建变量矩阵；通过第一系数矩阵、第二系数矩阵和变量矩阵，将网孔电流方程组转换为网孔电流矩阵；对网孔电流矩阵进行求解，得到电池仿真模型的输入电流。
通过对网孔电流方程组对应的网孔电流矩阵进行求解，即可得到电池仿真模型的输入电流，该过程无需计算电池的等效电阻，从而在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
在一些实施例中，恒压工况下的电池仿真计算方法还包括：在确定电池在传输线模型下的传输线等效电路之前，在检测到电池的输出电压在第一预设时长内处于第一预设电压范围内和/或电池的输入电压在第二预设时长内处于第二预设电压范围内的情况下，确定电池处于恒压工况。
通过检测电池是否处于恒压工况，从而在电池处于恒压工况时，采用本申请所提供的方法来确定输入至电池仿真模型的输入电流，提高了电池仿真的效率。
第二方面，本申请还提供了一种恒压工况下的电池仿真计算装置，该装置包括：电路等效模块，用于在电池处于恒压工况的情况下，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路，其中，传输线等效电路包括多个网孔电路以及恒定电压源；方程构建模块，用于基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组，其中，网孔电流方程组中的每个网孔方程满足基尔霍夫电压定律；电流求解模块，用于对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；电池仿真模块，用于将输入电流输入至电池仿真模型中对电池进行电化学仿真，得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。
第三方面，本申请还提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；处理器执行计算机程序指令时实现如第一方面所述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
第四方面，本申请还提供了一种可读存储介质，该可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现如第一方面所述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
附图说明
下面将参考附图来描述本申请示例性实施例的特征、优点和技术效果。
图1为相关技术中传输线等效电路的示意图；
图2为相关技术中电池负极区域的等效电路的示意图；
图3为本申请一个实施例的恒压工况下的电池仿真计算方法的应用环境图；
图4为本申请一个实施例的恒压工况下的电池仿真计算方法的流程图；
图5为本申请一个实施例的电池的传输线等效电路的结构示意图；
图6为本申请一个实施例的恒压工况下的电池仿真计算方法的流程图；
图7为本申请另一个实施例的恒压工况下的电池仿真计算装置的结构示意图；
图8为本申请另一个实施例的电子设备的结构示意图。
在附图中，附图未必按照实际的比例绘制。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请实施例中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请实施例所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上（包括两个），同理，“多组”指的是两组以上（包括两组），“多片”指的是两片以上（包括两片）。
在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。
在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
自从锂离子电池被发明以来，人们就致力于开发锂离子电池的仿真模型。P2D（Pseudo-2-Dimensional，伪二维）模型基于多孔电极理论和浓溶液理论建立，使用一个电池极片厚度方向的维度和一个被假设为球形的固相颗粒的半径方向的额外维度（伪维度）来描述电池的行为。经典的P2D模型主要包括5个部分：
①利用菲克扩散定律描述球形颗粒中的固相锂离子浓度；
②利用扩散和电迁移描述电解液和隔离膜中的锂离子浓度；
③利用欧姆定律描述电极中的固相电位；
④利用欧姆定律和基尔霍夫定律描述电解液和隔离膜中的液相电位；
⑤利用巴特勒-福尔默方程描述固液界面处的电化学反应。
目前P2D模型已成为锂离子电池仿真的重要模型之一，但P2D模型的控制方程的形式复杂，无法得出完全的解析解，只能使用数值方法进行求解，例如，使用有限差分法和有限体积法等来计算解析解，但该方式计算消耗大，单次计算时间长，使P2D模型在许多场景中的应用受到限制，例如，电池寿命预测和公差预测等需大规模计算的场景，又例如，车载BMS（Battery Management System，电池管理系统）等算力有限的场景。
为解决上述问题，在相关技术中，可使用传输线等效电路模型来描述电子的传输过程，以替换原有的固液相电位计算方法，该等效电路在较大程度上的保证了电化学仿真的物理意义，并且对原有的固液相电位计算方法进行了简化，在一定程度上提升了电化学仿真的计算速度。
上述的传输线等效电路模型采用迭代法求解，迭代过程中的求解顺序为固相浓度、液相浓度、固相电势和液相电势（通过传输线等效电路模型来求解）、电化学反应。其中，固相扩散过程（即固相浓度的计算过程）、液相扩散过程（即液相浓度的计算过程）和电化学反应过程的描述方式均和传统P2D模型相同。但在描述固相电势和液相电势时，使用基于传输线模型的传输线等效电路来求解。
作为一个示例，图1示出了相关技术中传输线等效电路的示意图，在图1中，电池的传输线等效电路由多个网孔电路组成，多个网孔电路并联后与恒定电流源A串联。在图1中，左侧虚线框为电池的负极区域的等效电路，右侧虚线框为电池的正极区域的等效电路，为电池的传输线等效电路中的总电流，/>为第一个网孔电路中的电极平衡电位，/>为电池在第一个网孔电路中的电荷转移电阻，/>为电池在第一个网孔电路中的液相电阻。
以下以电池的负极区域的等效电路为例，该部分的等效电路可以如图2所示，在图2中，电池的负极区域等效为个网格，每个网格对应一个网孔电路，与图1类似，在图2中，/>为总电流，/>（/>）为第/>个网孔电路的固相电阻，/>（/>）为第/>个网孔电路的液相电阻，/>（/>）为第/>个网孔电路的电荷转移电阻；/>（/>）为第/>个网孔电路上的电极平衡电位。在求解等效电路时，电路中的各个电阻值和电压值均为已知，仅需求解每个支路上流经/>的电流/>即可，该值代入P2D模型，输入至巴特勒-福尔默方程后，即可求得计算固相浓度所需的表面通量，从而再进入下一次迭代进行循环。
然而，在电池处于恒压工况时，需进行恒压计算，而该P2D模型只能接受电流密度作为输入，在恒压计算时无法直接得到输入P2D模型的输入电流。在相关技术中，通常通过等效电阻法来计算输入电流，其中，电池的等效电阻的定义可以如公式（1）所示：
（1）
在公式（1）中，为电池的工作电压，/>为电池的输入电流，也即输入到P2D模型的输入电流；/>为电池的等效电阻。
在采用公式（1）来计算电池的等效电阻时，需假设等效电阻在局部时间段内是线性变化，因此，新时间步的等效电阻值可根据前两个时间步的等效电阻值线性外插得到：
（2）
在公式（2）中，为电池在第/>个时间步下的等效电阻，/>为电池在第/>个时间步下的等效电阻，/>为电池在第/>个时间步下的等效电阻。
需要说明的是，时间步为电池仿真计算所处的时序，其中，第个时间步表示第/>轮电池仿真所处的轮次信息。
根据新时间步的等效电阻值，则可以确定下一个时间步输入至P2D模型的输入电流，如公式（3）所示：
（3）
在公式（3）中，为给定的恒定电压，例如，输入至电池的恒定电压，或从电池中输出的恒定电压；/>为电池在第/>个时间步下的输入电流。
然而，当电池参数变化较大时，例如，在电池的SOC（State of Charge，电池荷电状态）接近0或1时，即电池满放或满充时，电池的OCV（Open Circuit Voltage，开路电压）曲线变化陡峭，电池参数非线性较强，等效电阻的假设与实际偏差较大，因此，为使用等效电阻法来得到稳定恒压的结果，则必须缩短时间步的步长，而时间步的步长的缩短将大幅增加计算时间，迭代步数增加，从而导致仿真时间大幅延长，降低了电池仿真的效率，而且，得到的OCV曲线也不光滑。
基于上述问题，在本申请实施例中，基于传输线模型将电池等效为传输线等效电路，并在电池处于恒压工况时，认为电池的传输线等效电路外接了一个恒定电压源，通过求解该外接恒定电压源的网孔电流方程，即可得到输入至电池仿真模型的输入电流，从而无需做任何额外假设，以传输线模型的网孔电路为出发点直接求解输入电流，无需缩短时间步的步长，从而可以缩短恒压工况下电池仿真的计算时间，并且计算输出的OCV曲线也比较光滑。
本申请所提供的恒压工况下的电池仿真计算方法，可应用于如图3所示的应用环境中。在图3中，用户301通过人机交互的方式在终端设备302上进行操作。用户301在终端设备302的显示界面输入电化学仿真所需的相关数据，终端设备302获取用户输入的相关数据，并基于这些数据进行电化学仿真。其中，终端设备302可以为但不限于各种个人计算机、笔记本电脑、智能手机、平板电脑等。在本申请实施例中，电池可以为锂离子电池，电池电极可以为锂离子电池的电极。
在一个实施例中，图4示出了恒压工况下的电池仿真计算方法的流程图，该方法可应用于图3中的终端设备302中，如图4所示，该方法可以包括如下步骤：
步骤S401，在电池处于恒压工况的情况下，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路。
在步骤S401中，在电池的输入电压为恒定电压或者电池的输出电压为恒定电压时，可确定电池处于恒压工况，例如，在锂离子电池充电直至满充的工况中，通常以固定倍率为锂离子电池开始充电，在锂离子电池的电压达到一个较高的电压后，则对锂离子电池进行恒压充电，此时锂离子电池处于恒压工况。又例如，在锂离子电池以恒定电压为其他负载供电时，此时锂离子电池也处于恒压工况。
作为一个示例，在实际应用中，可根据电池的输入电压和/或输出电压来确定电池的工况。另外，用户可通过终端设备来设置电池的工况，在对电池进行仿真计算的过程中，电池仿真模型即可在恒压工况下对电池进行仿真计算。
另外，在步骤S401中，传输线等效电路为在传输线模型下电池进行电路模拟所得到的等效电路，在本申请实施例中，传输线模型为用于揭示传输线负载端、源端的电压、电流的变化规律的模型，其中，传输线为由平行双导体构成的引导电磁波结构。
需要说明的是，在本申请实施例中，该传输线等效电路可以包括多个网孔电路以及恒定电压源。由于电池处于恒压工况，因此，可将电池对应的电路等效为外接恒定电压源的传输线等效电路。例如，在图5所示的电池的传输线等效电路中，电池的网孔电路外接了一个恒定电压源。由于在本申请实施例中，在电池的传输线等效电路中，与电池连接的电源为恒定电压源，而非恒定电流源，因此，无需计算电池的等效电阻，在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，从而避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
步骤S402，基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组。
在步骤S402中，终端设备可针对每个网孔电路构建一个网孔电流方程，从而得到多个网孔电流方程。同时，电池的传输线等效电路也是一个网孔，例如，在图5中，电流所流经的元件组成的网孔即为传输线等效电路所对应的网孔，同样，可构建该网孔的网孔电流方程。基于上述所构建的所有网孔电流方程，即可得到传输线等效电路所对应的网孔电流方程组。
步骤S403，对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流。
在步骤S403中，电池仿真模型可以为但不限于P2D模型、SPM（Single ParticleModel，单颗粒模型）模型。在本申请实施例中，以电池仿真模型为P2D模型为例进行解释说明。
需要说明的是，通过对网孔电流方程组进行求解，即可得到流经每个网孔电路的网孔电流以及流经恒定电压源的电流，其中，流经恒定电压源的电流（如图5中的）是为维持电压需在下一个时间步输入至电池仿真模型中的输入电流。
步骤S404，将输入电流输入至电池仿真模型中对电池进行电化学仿真，得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。
在步骤S404中，在得到输入电路后，即可将输入电流输入至电池仿真模中，以对电池进行电化学仿真。此时，电池仿真模型可从固相浓度、液相浓度、固相电势和液相电势（通过传输线等效电路模型来求解）、电化学反应五个方面进行电化学仿真，并按照一定的执行顺序进行上述五个方面的计算，即可得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。
基于上述步骤S401至步骤S404所限定的方案，可以获知，在本申请实施例中，在恒压工况下，将电池等效为传输线等效电路，通过对传输线等效电路对应的网孔电流方程组进行求解来确定电池仿真模型的输入电流，该过程无需计算电池的等效电阻，因此，在电池参数发生较大变化时，也无需缩短时间步的步长，从而降低了电池仿真模型的迭代次数，进而提高了电池的仿真效率。
在本申请的一些实施例中，可选地，本申请实施例所提供的恒压工况下的电池仿真计算方法还包括：在确定电池在传输线模型下的传输线等效电路之前，在检测到电池的输出电压在第一预设时长内处于第一预设电压范围内和/或电池的输入电压在第二预设时长内处于第二预设电压范围内的情况下，确定电池处于恒压工况。
在上述实施例中，上述第一预设时长和第二预设时长可以相同，也可以不同，第一预设时长和第二预设时长可由用户根据实际应用需求进行设置。上述第一预设电压范围和第二预设电压范围也可由用户根据实际需求进行设置。
在一个示例中，在对电池进行电化学仿真的过程中，终端设备检测到电池的输出电压处于第一预设电压范围内，即电池的输出电压的变化比较小，则可认为电池处于恒压工况。
在另一个示例中，例如，在锂离子电池满充的仿真场景中，在对锂离子电池进行充电的过程中，当检测到锂离子电池的电压达到一个较高的电压后，以恒定电压来为锂离子电池充电，此时，锂离子电池的输入电压变化较小，处于上述的第二预设电压范围内，即锂离子电池处于恒压工况。
还存在一个示例，在需要在恒压工况下对电池进行电化学仿真的情况下，用户也可通过终端设备输入电池处于恒压工况下的相关参数，在进行电化学仿真时，电池仿真模型根据上述的相关参数即可确定电池处于恒压工况。
需要说明的是，通过检测电池是否处于恒压工况，从而在电池处于恒压工况时，采用本申请所提供的方法来确定输入至电池仿真模型的输入电流，提高了电池仿真的效率。
在本申请的一些实施例中，可选地，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路，包括：在传输线模型下，将电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路；对第一网孔电路与恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路；对第一网孔电路和第二网孔电路进行组合，得到电池的传输线等效电路。
在上述实施例中，每个网孔电路由电池的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成。例如，在图5中，并联的多个网孔电路组成第一网孔电路L1，第一网孔电路与恒定电压源组成第二网孔电路L2。
需要说明的是，在本申请实施例中，在电池处于恒压工况的情况下，在传输线模型下，将电池的仿真电路等效为电池与恒定电压源连接，从而得到电池的传输线等效电路。由于在本申请实施例中，在电池的传输线等效电路中，与电池连接的电源为恒定电压源，而非恒定电流源，因此，无需计算电池的等效电阻，在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，从而避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
在本申请的一些实施例中，可选地，将电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，包括：将电池的正极区域等效为并联的多个第一类网孔电路，得到正极网孔电路；将电池的负极区域等效为并联的多个第二类网孔电路，得到负极网孔电路；对正极网孔电路和负极网孔电路进行串联，得到第一网孔电路。
在上述实施例中，每个第一类网孔电路由电池的正极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成，同样的，每个第二类网孔电路由电池的负极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成。
例如，在图5中，（/>）为传输线模型中负极区域的第/>个网孔电路中的固相电阻，/>（/>）为传输线模型中正极区域的第/>个网孔电路中的固相电阻；/>（/>）为传输线模型中负极区域的第/>个网孔电路中的液相电阻，/>（/>）为传输线模型中正极区域的第/>个网孔电路中的液相电阻；/>（/>）为传输线模型中负极区域的第/>个网孔电路中的反应电阻（即电荷转移电阻），/>（/>）为传输线模型中正极区域的第/>个网孔电路中的反应电阻（即电荷转移电阻）；/>（/>）为传输线模型中负极区域的第/>个网孔电路中的颗粒的平衡电位，/>（/>）为传输线模型中正极区域的第/>个网孔电路中的颗粒的平衡电位；/>为恒压工况下恒定电压源的目标电压。
需要说明的是，图5中的上述参数均为当前时间步下可计算出来的已知量。在图5中，左侧并联的多个网孔电路为负极网孔电路，在负极网孔电路包含的每个网孔电路由固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联而成，其中，电荷转移电阻不仅包括当前网孔电路中的电荷转移电阻，还包括相邻网孔电路中的电荷转移电阻，例如，在图5中，负极网孔电阻中的第一个网孔电路中的电荷转移电阻包括第一个网孔电路中的电荷转移电阻，还包括第二个网孔电路中的电荷转移电阻/>。在图5中，右侧并联的多个网孔电路为正极网孔电路，与负极网孔电路类似，正极网孔电路包含的每个网孔电路也由固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联而成。
通过将电池的正极区域和负极区域等效为多个并联的网孔电路，进而可基于多个并联的网孔电路构建网孔电流方程组，对网孔电流方程组进行求解，即可得到输入电流，而无需缩短时间步，从而提高了电池的仿真效率。
在本申请的一些实施例中，可选地，对第一网孔电路与恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路，包括：将位于电池的正极区域和负极区域间的隔膜等效为隔膜液相电阻；依次对正极网孔电路、隔膜液相电阻、负极网孔电路以及恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路。
作为一个示例，在电池的正极和负极之间存在一层隔膜材料，该隔膜材料可隔离电池的正负极，并使电池内的电子不能自由穿过，而使电解液中的离子在正负极之间自由通过。上述的隔膜材料即为电池隔膜。在本申请实施例中，将电池隔膜等效为隔膜液相电阻，如图5中的。在确定了电池的隔膜液相电阻之后，对正极网孔电路、隔膜液相电阻、负极网孔电路以及恒定电压源进行串联，即可得到第二网孔电路。
需要说明的是，通过对电池的网孔电路、隔膜液相电阻以及恒定电压源进行串联从而得到第二网孔电路，进而可得到电池的传输线等效电路，基于该传输线等效电路计算输入电路，无需计算电池的等效电阻，在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
在本申请的一些实施例中，可选地，基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组，包括：基于基尔霍夫电压定律确定每个网孔电路所对应的网孔方程，得到多个第一网孔方程；基于基尔霍夫电压定律构建第二网孔电路对应的网孔方程，得到第二网孔方程；对多个第一网孔方程和第二网孔方程进行组合，得到恒定电压源所对应的网孔电流方程组。
在上述实施例中，根据网孔电路解法，可认为每个网孔电路中的电流为,电池与恒定电压源/>相接的外电路网孔电流为/>,因此，在本申请实施例中，仅需求解出/>和，即可得到为了维持需要的电压而向电池仿真模型输入的输入电流，即为/>。
在本申请实施例中，可采用基尔霍夫电压定律来构建每个网孔电路的网孔方程。其中，基尔霍夫电压定律又称基尔霍夫第二定律，其用于表明在电路中，沿着任意闭合回路的电压之和等于零。
结合图5，采用基尔霍夫电压定律即可得到每个网孔电路对应的网孔方程，即多个第一网孔方程，如公式（4）所示：
（4）
对于外接电压源电路（即第二网孔电路），采用基尔霍夫电压定律，其对应的网孔方程（即第二网孔方程）可由公式（5）表示：
（5）
对上述公式（4）和公式（5）进行组合，即可得到网孔电流方程组。
需要说明的是，在构建网孔方程以及构建网孔电流方程组的过程中，并未确定电池的等效电阻，而通过构建网孔电流方程组，对网孔电流方程组进行求解即可得到电池仿真模型的输入电流，因此，采用本申请实施例所提供的方案无需确定电池的等效电阻，即可得到输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题，从而提高了电池仿真的效率。
在本申请的一些实施例中，可选地，对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流，包括：提取每个第一网孔方程的方程系数和第二网孔方程的方程系数，构建第一系数矩阵；基于每个网孔电路对应的平衡电位以及恒定电压源对应的电压值构建第二系数矩阵；提取网孔电流方程组的方程变量，构建变量矩阵；通过第一系数矩阵、第二系数矩阵和变量矩阵，将网孔电流方程组转换为网孔电流矩阵；对网孔电流矩阵进行求解，得到电池仿真模型的输入电流。
作为一个示例，对公式（4）和公式（5）组合得到的方程组进行矩阵转换可得到如下式所示的网孔电流矩阵：
在上述矩阵中，等号左侧的第一个矩阵为第一系数矩阵，中间的矩阵为变量矩阵，等号右侧的矩阵为第二系数矩阵。
需要说明的是，上述矩阵中的表示对应网孔电路中的电荷转移电阻之和，/>表示对应网孔电路中的固相电阻之和，/>表示对应网孔电路中的液相电阻之和。
由上述网孔电流矩阵可知，网孔电流方程组的第一系数矩阵为对称矩阵，并且是对角占优矩阵，因此，在工程数值计算中，可采用高斯消元法、共轭梯度法等对上述网孔电流矩阵进行求解，即可得到各个网孔电路中的电流以及输入电流/>。该输入电流/>可作为下一步迭代的输入电流，以保证计算得到的电压为目标电压/>，即在较大的时长步的步长下，也可得到合理的计算结果。
需要说明的是，通过对网孔电流方程组对应的网孔电流矩阵进行求解，即可得到电池仿真模型的输入电流，该过程无需计算电池的等效电阻，从而在时间步的步长较大时，也可得到准确的输入电流，避免了相关技术中，由于电池参数变化较大，需缩短时间步的步长所导致的电池仿真效率低的问题。
为了易于理解本申请实施例所提供的技术方案，如图6所示，以完整的电化学仿真过程对本申请实施例所提供的方案进行简要说明：
步骤S601，电化学仿真计算流程开始。
步骤S602，电池仿真模型进行迭代计算，获得当前时间步的电池状态以及传输线模型参数。
步骤S603，根据当前时间步的电池状态及传输线模型参数，使用本申请实施例所提供的方案将电池等效为传输线等效电路，并求解传输线等效电路对应的网孔电流方程组，从而确定下一时间步输入至电池仿真模型的输入电流。
步骤S604，判断是否满足截止条件，该截止条件包括但不限于电池的电压是否达到最大/最小电池电压、电池仿真模型的运行时间是否达到最大运行时间、电池仿真模型是否出现计算错误等。其中，在满足截止条件时，执行步骤S605，否则返回步骤S602。
步骤S605，电化学仿真计算流程结束。
基于上述内容可知，本申请实施例所提供的方案将电池等效为传输线模型中的传输线等效电路，并求解传输线等效电路的网孔方程，即可得到恒压工况下，电池仿真模型的输入电流。该方案可适用于多种电池仿真模型（例如，P2D模型、SPM模型）的仿真计算中。该方案能准确稳定的确定恒压状态下电池仿真模型的输入电流，并且在大步长下也能稳定得到恒压的仿真结果。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种恒压工况下的电池仿真计算装置，该装置700包括：电路等效模块701、方程构建模块702、电流求解模块703以及电池仿真模块704。
电路等效模块701，用于在电池处于恒压工况的情况下，确定电池在传输线模型下的传输线等效电路，其中，传输线等效电路包括多个网孔电路以及恒定电压源；
方程构建模块702，用于基于传输线等效电路构建恒定电压源所对应的网孔电流方程组；
电流求解模块703，用于对网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；
电池仿真模块704，用于将输入电流输入至电池仿真模型中对电池进行电化学仿真，得到电池在恒压工况下的电化学状态信息。
在一个示例中，电路等效模块包括：
第一电路等效模块，用于在传输线模型下，将电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，其中，每个网孔电路由电池的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；
串联模块，用于对第一网孔电路与恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路；
电路组合模块，用于对第一网孔电路和第二网孔电路进行组合，得到电池的传输线等效电路。
在一个示例中，第一电路等效模块具体用于将电池的正极区域等效为并联的多个第一类网孔电路，得到正极网孔电路，其中，每个第一类网孔电路由电池的正极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；将电池的负极区域等效为并联的多个第二类网孔电路，得到负极网孔电路，其中，每个第二类网孔电路由电池的负极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；对正极网孔电路和负极网孔电路进行串联，得到第一网孔电路。
在一个示例中，串联模块具体用于将位于电池的正极区域和负极区域间的隔膜等效为隔膜液相电阻；依次对正极网孔电路、隔膜液相电阻、负极网孔电路以及恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路。
在一个示例中，方程构建模块具体用于基于基尔霍夫电压定律确定每个网孔电路所对应的网孔方程，得到多个第一网孔方程；基于基尔霍夫电压定律构建第二网孔电路对应的网孔方程，得到第二网孔方程；对多个第一网孔方程和第二网孔方程进行组合，得到恒定电压源所对应的网孔电流方程组。
在一个示例中，电流求解模块具体用于提取每个第一网孔方程的方程系数和第二网孔方程的方程系数，构建第一系数矩阵；基于每个网孔电路对应的平衡电位以及恒定电压源对应的电压值构建第二系数矩阵；提取网孔电流方程组的方程变量，构建变量矩阵；通过第一系数矩阵、第二系数矩阵和变量矩阵，将网孔电流方程组转换为网孔电流矩阵；对网孔电流矩阵进行求解，得到电池仿真模型的输入电流。
在一个示例中，恒压工况下的电池仿真计算装置还包括：工况确定模块，用于在检测到电池的输出电压在第一预设时长内处于第一预设电压范围内和/或电池的输入电压在第二预设时长内处于第二预设电压范围内的情况下，确定电池处于恒压工况。
在一个实施例中，本申请还提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；处理器执行计算机程序指令时实现上述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
图8示出了本申请实施例提供的电子设备的硬件结构示意图。
电子设备可以包括处理器801以及存储有计算机程序指令的存储器802。
具体地，上述处理器801可以包括中央处理器（CPU），或者特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit ，ASIC），或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
存储器802可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器802可包括硬盘驱动器（Hard Disk Drive，HDD）、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器802可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器802可在综合网关容灾设备的内部或外部。在特定实施例中，存储器802是非易失性固态存储器。
存储器可包括只读存储器（ROM），随机存取存储器（RAM），磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形（非暂态）计算机可读存储介质（例如，存储器设备），并且当该软件被执行（例如，由一个或多个处理器）时，其可操作来执行参考根据本公开的一方面的方法所描述的操作。
处理器801通过读取并执行存储器802中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种恒压工况下的电池仿真计算方法。
在一个示例中，电子设备还可包括通信接口803和总线810。其中，如图8所示，处理器801、存储器802、通信接口803通过总线810连接并完成相互间的通信。
通信接口803，主要用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线810包括硬件、软件或两者，将电子设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口（AGP）或其他图形总线、增强工业标准架构（EISA）总线、前端总线（FSB）、超传输（HT）互连、工业标准架构（ISA）总线、无限带宽互连、低引脚数（LPC）总线、存储器总线、微信道架构（MCA）总线、外围组件互连（PCI）总线、PCI-Express（PCI-X）总线、串行高级技术附件（SATA）总线、视频电子标准协会局部（VLB）总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线810可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
在一个实施例中，本申请还提供了一种可读存储介质，该可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
需要明确的是，本申请并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本申请的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本申请的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本申请的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM（EROM）、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频（RadioFrequency，RF）链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
还需要说明的是，本申请中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本申请不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。
上面参考根据本申请的实施例的恒压工况下的电池仿真计算方法、装置、设备及介质的流程图和/或框图描述了本申请的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种恒压工况下的电池仿真计算方法，其特征在于，包括：
在电池处于恒压工况的情况下，确定所述电池在传输线模型下的传输线等效电路，其中，所述传输线等效电路包括多个网孔电路以及恒定电压源；
基于所述传输线等效电路以及所述恒定电压源的目标电压构建所述恒定电压源所对应的网孔电流方程组，其中，所述网孔电流方程组中的每个网孔方程满足基尔霍夫电压定律；
对所述网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；
将所述输入电流输入至所述电池仿真模型中对所述电池进行电化学仿真，得到所述电池在所述恒压工况下的电化学状态信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述电池在传输线模型下的传输线等效电路，包括：
在所述传输线模型下，将所述电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，其中，每个网孔电路由所述电池的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；
对所述第一网孔电路与所述恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路；
对所述第一网孔电路和所述第二网孔电路进行组合，得到所述电池的传输线等效电路。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述电池等效为并联的多个网孔电路，得到第一网孔电路，包括：
将所述电池的正极区域等效为并联的多个第一类网孔电路，得到正极网孔电路，其中，每个第一类网孔电路由所述电池的正极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；
将所述电池的负极区域等效为并联的多个第二类网孔电路，得到负极网孔电路，其中，每个第二类网孔电路由所述电池的负极区域的固相电阻、液相电阻以及电荷转移电阻串联形成；
对所述正极网孔电路和所述负极网孔电路进行串联，得到所述第一网孔电路。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述第一网孔电路与所述恒定电压源进行串联，得到第二网孔电路，包括：
将位于所述电池的正极区域和所述负极区域间的隔膜等效为隔膜液相电阻；
依次对所述正极网孔电路、所述隔膜液相电阻、所述负极网孔电路以及所述恒定电压源进行串联，得到所述第二网孔电路。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的方法，其特征在于，基于基尔霍夫电压定律及所述传输线等效电路构建所述恒定电压源所对应的网孔电流方程组，包括：
基于所述基尔霍夫电压定律确定每个网孔电路所对应的网孔方程，得到多个第一网孔方程；
基于所述基尔霍夫电压定律构建所述第二网孔电路对应的网孔方程，得到第二网孔方程；
对所述多个第一网孔方程和所述第二网孔方程进行组合，得到所述恒定电压源所对应的网孔电流方程组。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对所述网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流，包括：
提取每个第一网孔方程的方程系数和所述第二网孔方程的方程系数，构建第一系数矩阵；
基于每个网孔电路对应的平衡电位以及所述恒定电压源对应的电压值构建第二系数矩阵；
提取所述网孔电流方程组的方程变量，构建变量矩阵；
通过所述第一系数矩阵、所述第二系数矩阵和所述变量矩阵，将所述网孔电流方程组转换为网孔电流矩阵；
对所述网孔电流矩阵进行求解，得到所述电池仿真模型的输入电流。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述电池在传输线模型下的传输线等效电路之前，所述方法还包括：
在检测到所述电池的输出电压在第一预设时长内处于第一预设电压范围内和/或所述电池的输入电压在第二预设时长内处于第二预设电压范围内的情况下，确定所述电池处于所述恒压工况。
8.一种恒压工况下的电池仿真计算装置，其特征在于，包括：
电路等效模块，用于在电池处于恒压工况的情况下，确定所述电池在传输线模型下的传输线等效电路，其中，所述传输线等效电路包括多个网孔电路以及恒定电压源；
方程构建模块，用于基于所述传输线等效电路以及所述恒定电压源的目标电压构建所述恒定电压源所对应的网孔电流方程组，其中，所述网孔电流方程组中的每个网孔方程满足基尔霍夫电压定律；
电流求解模块，用于对所述网孔电流方程组进行求解，确定电池仿真模型的输入电流；
电池仿真模块，用于将所述输入电流输入至所述电池仿真模型中对所述电池进行电化学仿真，得到所述电池在所述恒压工况下的电化学状态信息。
9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：处理器以及存储有计算机程序指令的存储器；
所述处理器执行所述计算机程序指令时实现如权利要求1-7任意一项所述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的恒压工况下的电池仿真计算方法。
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|---|---|
| CN117434451A (zh) | 2024-01-23 |
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