一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及电化学模型技术领域，特别涉及一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.近年来伴随化石能源危机和环境问题的增加，以光伏、风能、潮汐能生物质能为代表新能源产业迅速发展。由于新能源发电系统发电质量的不稳定性，因此为了规范电能参数需要引入储能系统，锂离子电池储能系统凭借其储能稳定性的特点，在新能源领域得到广泛应用。
3.目前为了保证锂离子电池在长期使用中的安全可靠性，需要借助由软硬件组成的电池管理系统(bms)对锂离子电池的工作状态进行管理。现有广泛使用的bms都是基于等效电路模型(ecm)开发的，但是由于ecm的预测能力有限，电池运行策略的设计大都基于简单的安全约束条件，比如：充电截止电压、放电截止电压和最大电流等。然而电池端电压并不能完全反应电池内部的状态，特别是在大电流下，由于过电位较大，这将在充放电过程中大大增加或减小电池的端电压。
4.随着硬件计算能力的提升，新型基于电化学模型(em)的更加智能、先进的bms正逐步成为bms的改进方向，由于em能充分反应正负极锂离子浓度分布、电势分布、过电位等电池内部状态，进而大幅提高bms对锂电池工作状态的管理能力，但是由于电化学模型涉及大量的耦合偏微分方程，特别是还会涉及几十个物理参数，使得em模型在实际应用中受到限制。
5.因此目前需要一种基于电化学模型的数据集仿真方法，通过调整锂电池电化学模型参数，生成虚拟电池的运行数据，便于基于电化学模型的bms系统根据虚拟电池的运行数据对电池工作状态进行管理。


技术实现要素：

6.为解决电化学模型涉及大量的耦合偏微分方程，以及几十个物理参数，使得电化学模型在实际应用中受到限制的技术问题，本发明提供一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质，具体的技术方案如下：
7.本发明提供一种基于电化学模型的数据集仿真方法，包括步骤：
8.设置锂电池的几何参数和电化学参数；
9.根据所述几何参数和所述电化学参数，通过所述电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度；
10.根据所述预设荷电状态时所述正极锂离子体积平均浓度和所述负极锂离子体积平均浓度，通过所述电化学模型模拟仿真计算锂电池容量；
11.调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集。
12.本发明提供的基于电化学模型的数据集仿真方法通过调整电化学模型中锂电池
的几何参数和电化学参数、参数标准化、容量标定以及调整锂电池当前荷电状态的步骤，根据同一电化学模型获取在不同工况条件下的仿真数据集，降低获取电化学模型仿真数据的难度。
13.在一些实施方式中，所述的设置锂电池的几何参数和电化学参数，具体包括：
14.设置锂电池的几何参数，所述几何参数为电池结构性参数，在所述锂电池出厂后不受电化学反应过程影响；
15.根据调节需求设置所述电化学参数，所述电化学参数为电池电化学反应中反应系数，随电化学反应过程进行而变化。
16.在一些实施方式中，所述的通过所述电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，具体包括：
17.将所述几何参数和所述电化学参数输入所述电化学模型；
18.根据所述电化学模型对所述锂电池在所述预设荷电状态下的标准充电过程进行模拟仿真，计算所述正极锂离子体积平均浓度和所述负极锂离子体积平均浓度。
19.在一些实施方式中，所述的根据所述预设荷电状态时所述正极锂离子体积平均浓度和所述负极锂离子体积平均浓度，通过所述电化学模型模拟仿真计算锂电池容量，具体包括：
20.将所述正极锂离子体积平均浓度和所述负极锂离子体积平均浓度输入所述电化学模型中；
21.根据所述电化学模型对所述锂电池所述预设荷电状态下的标准放电过程进行模拟仿真，计算所述锂电池容量。
22.在一些实施方式中，所述的调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集，具体包括：
23.通过调整所述电化学模型中正极锂离子初始浓度和负极锂离子初始浓度改变所述锂电池当前荷电状态；
24.向所述电化学模型中输入所述仿真工作电流，获取所述电化学模型输出的所述仿真数据集。
25.在一些实施方式中，所述的通过所述电化学模型模拟仿真计算锂电池容量之后，还包括：
26.调整所述锂电池当前荷电状态和反应温度后，输入所述仿真工作电流，获取所述仿真数据集。
27.本发明提供的基于电化学模型的数据集仿真方法通过设置仿真温度可以获得电芯在不同soc和不同温度下输出的仿真数据，提高仿真数据集的丰富度。
28.在一些实施方式中，所述仿真数据集包括所述锂电池的ocv-soc曲线。
29.在一些实施方式中，所述的获取仿真数据集之后，还包括：
30.将所述几何参数、所述电化学参数以及标记数据标签所述仿真数据集输入预设的神经网络模型中，训练生成电池数据仿真模型，所述数据标签包括所述几何参数、所述电化学参数和所述锂电池容量中至少一个参数。
31.本发明提供的基于电化学模型的数据集仿真方法通过训练电池数据仿真模型，简化电化学模型仿真数据集的生成过程，提高电化学模型仿真数据集的生成效率。
32.在一些实施方式中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种基于电化学模型的数据集仿真系统，包括：
33.设置模块，用于设置锂电池的几何参数和电化学参数；
34.生成模块，与所述设置模块连接，用于根据所述几何参数和所述电化学参数，通过所述电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度；
35.计算模块，分别与所述设置模块和所述生成模块连接，用于根据所述预设荷电状态时所述正极锂离子体积平均浓度和所述负极锂离子体积平均浓度，通过所述电化学模型模拟仿真计算锂电池容量；
36.获取模块，分别与所述计算模块和所述生成模块连接，用于调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集。
37.在一些实施方式中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现如上述一种基于电化学模型的数据集仿真方法所执行的操作。
38.本发明提供一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质，至少包括以下一项技术效果：
39.(1)通过调整电化学模型中锂电池的几何参数和电化学参数、参数标准化、容量标定以及调整锂电池当前荷电状态的步骤，根据同一电化学模型获取在不同工况条件下的仿真数据集，降低获取电化学模型仿真数据的难度；
40.(2)通过设置仿真温度可以获得电芯在不同soc和不同温度下输出的仿真数据，提高仿真数据集的丰富度；
41.(3)通过训练电池数据仿真模型，简化电化学模型仿真数据集的生成过程，提高电化学模型仿真数据集的生成效率。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法的流程图；
44.图2为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法中生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度的流程图；
45.图3为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法中计算锂电池容量的流程图；
46.图4为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法中调整锂电池当前荷电状态的流程图；
47.图5为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法中同时调整锂电池当前荷电状态和反应温度的流程图；
48.图6为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真方法的另一个流程图；
49.图7为本发明一种基于电化学模型的数据集仿真系统的示例图。
50.图中标号：设置模块-10、生成模块-20、计算模块-30和获取模块-40。
具体实施方式
51.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本技术。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
52.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所述描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或集合的存在或添加。
53.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘出了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
54.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
55.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
56.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
57.本发明的一个实施例，如图1所示，本发明提供一种基于电化学模型的数据集仿真方法，包括步骤：
58.s100设置锂电池的几何参数和电化学参数。
59.具体地，根据改变锂电池电化学模型中涉及的相关参数，通过电化学模型进行电池工作状态的模拟生成多个工况数据集，例如在设置几何参数，可以设置活性材料表面积、ln负极活性材料厚度、lp正极活性材料厚度和ls隔膜厚度中至少一个参数，设置电化学参数时可以设置活性材料体积分数，sei膜厚度和固相电导率中至少一个参数。
60.s200根据几何参数和电化学参数，通过电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
61.具体地，由于在修改电化学模型参数后，锂电池的正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度也将随这些参数发生变化，因此在调整几何参数和电化学参数后，需要进行电化学模型的参数标准化，以获得预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
62.s300根据预设荷电状态时正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，通过电化学模型模拟仿真计算锂电池容量。
63.具体地，在修改电化学模型参数后，虚拟锂电池的容量会发生变化，因此在获得预
设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度后，应通过电化学模型模拟仿真以获得修改模型参数后的锂电池容量。
64.s410调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集。
65.具体地，应获得虚拟锂电池在不同荷电状态作为起点后进行工况模拟的电池仿真数据，以保证电池仿真数据的全面性。
66.本实施例提供的基于电化学模型的数据集仿真方法通过调整电化学模型中锂电池的几何参数和电化学参数、参数标准化、容量标定以及调整锂电池当前荷电状态的步骤，根据同一电化学模型获取在不同工况条件下的仿真数据集，降低获取电化学模型仿真数据的难度。
67.在一个实施例中，步骤s100的执行过程中需要设置锂电池的几何参数，几何参数为电池结构性参数，在锂电池出厂后不受电化学反应过程影响，并根据调节需求设置电化学参数，电化学参数为电池电化学反应中反应系数，随电化学反应过程进行而变化。
68.本技术公开的技术方案在实现过程中，可以采用不同电化学模型，例如amesim电化学模型、p2d电化学模型和p2d热耦合电化学模型等等，在采用不同电化学模型时，执行步骤s100设置锂电池的几何参数和电化学参数时需要根据模型参数修改不同的模型参数，例如在采用p2d热耦合电化学模型时，需要设置电极有效面积、正极极片厚度、负极极片厚度、隔膜厚度、正极液相体积分数、正极活性材料体积分数、负极液相体积分数、负极活性材料体积分数、隔膜液相体积分数、单体容量、0％时soc正极嵌锂量、0％时soc负极嵌锂量、正极锂离子最大浓度、负极锂离子最大浓度、电解液锂离子浓度、最小电解液锂离子浓度、锂离子迁移系数、正极颗粒半径、负极颗粒半径、sei膜参考电势、sei膜摩尔质量、sei膜密度、sei膜孔隙率等几何参数中至少一个系数；还需要设置活性材料体积分数，sei膜厚度、固相电导率、正极固相扩散系数、负极固相系数、液相扩散系数、sei模电导率、sei模表面浓度、正极反应速率系数和负极反应速率系数等电化学参数中至少一个参数，上述参数仅表示在选用p2d热耦合电化学模型时部分集合参数和电化学参数，不对本方案的系数选用起到限定作用。
69.在一个实施例中，如图2所示，步骤s200根据几何参数和电化学参数，通过电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，具体包括：
70.s210将几何参数和电化学参数输入电化学模型。
71.s220根据电化学模型对锂电池在预设荷电状态下的标准充电过程进行模拟仿真，计算正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
72.示例性地，根据电化学模型对锂电池在soc＝100％时的标准充电过程进行模拟仿真，以钴酸锂电芯为例，根据产品说明应在0.5c下先充电至4.2v，之后维持电压4.2v直至电流下降至0.05c，根据电化学模型计算正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
73.在一个实施例中，如图3所示，步骤s300根据预设荷电状态时正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，通过电化学模型模拟仿真计算锂电池容量，具体包括：
74.s310将正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度输入电化学模型中。
75.s320根据电化学模型对锂电池预设荷电状态下的标准放电过程进行模拟仿真，计
算锂电池容量。
76.示例性地，在获得soc＝100％时的正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度后，应控制电化学模型按照标准放电过程进行仿真，以获得修改模型参数后的容量，其中锂电池容量的计算公式为：
77.q
dis
＝∫idt；
78.其中q
dis
为锂电池在仿真过程中的放电量，按照电芯标准放电过程进行仿真，使锂电池从0.5c直至电压降至2.5v。
79.在一个实施例中，在计算修改参数后锂电池在仿真过程中的放电量q
dis
后，可通过安时积分法获得电芯的容量q
now
，进而计算出电池的soh值，公式如下：
[0080][0081]
在一个实施例中，如图4所示，步骤s410调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集，具体包括：
[0082]
s411通过调整电化学模型中正极锂离子初始浓度和负极锂离子初始浓度改变锂电池当前荷电状态。
[0083]
具体地，通过调整电化学模型中正极锂离子初始浓度和负极锂离子初始浓度改变锂电池当前荷电状态为80％、60％、40％等等，是电化学模型模拟仿真当前参数下，生成不同数据集。
[0084]
s412向电化学模型中输入仿真工作电流，获取电化学模型输出的仿真数据集。
[0085]
在一个实施例中，如图5所示，步骤s300根据预设荷电状态时正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，通过电化学模型模拟仿真计算锂电池容量之后，还包括：
[0086]
s420调整锂电池当前荷电状态和反应温度后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集。
[0087]
具体地，同时调整锂电池当前荷电状态和反应温度，实现在相同模型参数下更丰富数据集的生成，通过设置仿真温度可以获得电芯在不同soc和不同温度下输出的仿真数据，提高仿真数据集的丰富度。
[0088]
在一个实施例中，仿真数据集为电化学模型输出的锂电池的工况参数，例如包括锂电池的ocv-soc曲线。
[0089]
在一个实施例中，如图6所示，步骤s410或s420之后，还包括步骤：
[0090]
s500将几何参数、电化学参数以及标记数据标签的仿真数据集输入预设的神经网络模型中，训练生成电池数据仿真模型。
[0091]
具体地，数据标签包括几何参数、电化学参数和锂电池容量中至少一个参数，本实施例通过训练电池数据仿真模型，简化电化学模型仿真数据集的生成过程，提高电化学模型仿真数据集的生成效率。
[0092]
在一个实施例中，如图7所示，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种基于电化学模型的数据集仿真系统，包括设置模块10、生成模块20、计算模块30和获取模块40。
[0093]
其中，设置模块10用于设置锂电池的几何参数和电化学参数。
[0094]
具体地，根据改变锂电池电化学模型中涉及的相关参数，通过电化学模型进行电池工作状态的模拟生成多个工况数据集，例如在设置几何参数，可以设置活性材料表面积、
ln负极活性材料厚度、lp正极活性材料厚度和ls隔膜厚度中至少一个参数，设置电化学参数时可以设置活性材料体积分数，sei膜厚度和固相电导率中至少一个参数。
[0095]
生成模块20与设置模块10连接，用于根据几何参数和电化学参数，通过电化学模型模拟仿真生成预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
[0096]
具体地，由于在修改电化学模型参数后，锂电池的正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度也将随这些参数发生变化，因此在调整几何参数和电化学参数后，需要进行电化学模型的参数标准化，以获得预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度。
[0097]
计算模块30分别与设置模块10和生成模块20连接，用于根据预设荷电状态时正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度，通过电化学模型模拟仿真计算锂电池容量。
[0098]
具体地，在修改电化学模型参数后，虚拟锂电池的容量会发生变化，因此在获得预设荷电状态下正极锂离子体积平均浓度和负极锂离子体积平均浓度后，应通过电化学模型模拟仿真以获得修改模型参数后的锂电池容量。
[0099]
获取模块40分别与计算模块30和生成模块20连接，用于调整锂电池当前荷电状态后，输入仿真工作电流，获取仿真数据集。
[0100]
具体地，应获得虚拟锂电池在不同荷电状态作为起点后进行工况模拟的电池仿真数据，以保证电池仿真数据的全面性。
[0101]
本实施例提供的基于电化学模型的数据集仿真系统通过调整电化学模型中锂电池的几何参数和电化学参数、参数标准化、容量标定以及调整锂电池当前荷电状态的步骤，根据同一电化学模型获取在不同工况条件下的仿真数据集，降低获取电化学模型仿真数据的难度。
[0102]
在一个实施例中，根据本发明的另一方面，本发明还提供一种存储介质，存储介质中存储有至少一条指令，指令由处理器加载并执行以实现上述的基于电化学模型的数据集仿真方法实施例中所执行的操作，例如，存储介质可以是只读内存(rom)、随机存取存储器(ram)、只读光盘(cd-rom)、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0103]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述或记载的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0104]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0105]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的一种基于电化学模型的数据集仿真方法、系统及存储介质实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的通讯连接或集成电
路，可以是电性、机械或其他的形式。
[0106]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0107]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可能集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0108]
应当说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。