半固态电池改进型机电化学等效电路模型与电量估算的比较研究

《Journal of Energy Storage》：Comparative study on improved mechanical-electrochemical equivalent circuit model and state of charge estimation for semi-solid-state batteries

　　

摘要

作为高性能储能载体，锂离子电池已被广泛应用于电动汽车和储能领域。半固态电池采用固液混合电解质体系，其在提升安全性和能量密度方面具有巨大潜力。然而，其多相微观结构以及动态界面行为给建模带来了新的挑战。在充放电过程中，活性材料的体积变化会引发机械电化学耦合效应，从而导致固相扩散速度变慢，界面接触阻抗也会实时发生变化。传统的等效电路模型难以准确描述这些动态特性，进而导致电量状态（SOC）估算出现偏差。

为应对上述挑战，本研究提出了一种包含机械电化学耦合的改进型等效电路模型。该模型通过原位压力传感器获取电池变形信号，将界面动态表现为与压力相关的函数，并引入描述固相扩散的动态组件，从而同时表征界面演变过程和长期极化电压。参数识别通过混合脉冲功率特性测试实现，而验证则采用扩展卡尔曼滤波算法。实验结果表明，该模型在动态工作条件下显著提升了电压仿真精度以及SOC估算的准确性。尤其是在低SOC水平时，它能准确捕捉界面电阻的动态变化，为半固态电池的高精度管理提供了有效解决方案。

引言

作为现代储能系统的核心，锂离子电池正朝着更高能量密度和更好安全性方向发展[1]。在此背景下，半固态电池应运而生，它通过在液态电解质中加入高比例、高模量的固体电解质颗粒，形成了“刚柔并济”的混合体系。这种设计有望同时克服传统液态电池的安全缺陷和能量密度限制，被视为下一代高能量密度电池的关键技术路径[2]、[3]。

不过，这种独特的固液固多相结构给建模带来了诸多挑战，主要体现在两个方面：首先，在动力学层面，固相离子的缓慢扩散会导致显著的“数小时级”长期电压衰减，而在传统液态电池中这一现象几乎可以忽略[4]、[5]。其次，在耦合层面[6]、[7]，活性材料（如硅基负极）在充放电循环中的体积变化会动态改变固固界面的接触状态[8]、[9]，使得界面阻抗处于不断变化之中而非保持恒定，这使得传统电池模型难以准确描述其动态特性。

目前用于估算SOC的方法在面对这些挑战时存在固有局限性。虽然安时积分法和开路电压法等经验性方法原理简单，但它们容易产生累积误差或需要过长的空闲时间，无法满足实时检测的需求。基于等效电路模型的方法是目前的主流方案，但它假设RC网络参数是静态的[10]、[11]，无法反映界面阻抗的动态变化。即便是一些加入了固态扩散机制的改进模型，也依然采用固定参数[12]。尽管数据驱动方法能够近似处理复杂的非线性问题，但由于其对大量数据及计算资源的依赖，难以在汽车电池管理系统中实现实时应用[13]、[14]。因此，开发一种既能同时表征长期扩散动态和界面演变，又能支持实时估算的轻量级模型，对于推动半固态电池管理的进步具有重要意义（见表1）。

为解决这些难题，本文提出了一种考虑机械电化学耦合的半固态电池改进型等效电路模型。与传统模型直接套用到新系统不同，本研究在机理层面进行了深入拓展，并在方法上实现了创新：

模型框架创新：二维动态耦合。本研究在改进的电化学等效电路模型（IEECM）框架基础上，引入状态变量来描述固相扩散的长期电化学动态，同时开创性地实现了对机械状态的观测与耦合。通过原位集成高灵敏度压力传感器，我们可以实时获取电池在充放电过程中的变形压力信号，这些信号可直接反映电池内部的体积变化和界面接触状况。

核心机制创新：动态参数化。基于“体积变化会改变界面接触阻抗”这一物理原理，我们提出将原本固定的极化参数（尤其是用于描述界面动态的二阶RC环参数）视为标准化压力变化的函数。这样一来，就可以根据电池的机械状态实时调整关键的阻抗参数，从而实现对界面演变过程的数学描述。

方法创新：基于传感器数据的机制建模。本研究开创了一种全新思路，即利用原位的机械传感数据直接驱动并优化机制模型参数。通过精心设计的混合脉冲功率特性测试，可同时采集电流、电压和压力数据。再借助智能优化算法，即可确定电化学参数和机械耦合系数，最终构建出一种能够自我调整、适应电池内部状态变化的“自适应”模型。

本文详细阐述了该耦合模型的推导过程及参数识别方法。通过在不同动态工作条件下的系统验证——包括联邦城市驾驶循环（FUDS）和全球轻型车辆测试循环（WLTC）——该模型在电压预测精度以及SOC估算准确性方面，均显著优于传统的一阶RC模型、二阶RC模型以及最初的IEECM模型。这项研究为半固态电池的高精度、高可靠性状态管理建立了新的理论框架和实用技术解决方案。

章节节选

IEECM框架：从电化学机理到等效电路

传统的等效电路模型通过开路电压（OCV）源和RC网络来描述电池的平衡电势和极化动态[15]。RC环节的时间常数通常在几秒到几分钟之间，主要用于模拟液态电解质中的离子迁移和电化学极化等短期动态现象。但正如引言中所提到的，半固态电池中占主导地位的固相离子扩散过程则呈现出不同的特点

实验平台与数据采集系统

为验证ME-ECM模型，本研究搭建了一个集电化学测试和机械传感功能于一体的半固态电池实验平台[30]、[31]，如图8所示。

(1)测试对象：本实验所使用的电池为WeLion新能源公司的SHE270–31型软包半固态锂离子电池。其正极材料为高镍三元材料（NCM811），负极材料为硅碳复合材料（硅含量约为15%），电解质则为

机械耦合系数的物理解释

通过分析得到的全局耦合系数（${\alpha }_R=0.5$,${\alpha }_C=0.3$）为半固态电池中的机械电化学耦合现象提供了定量分析依据。正的${\alpha }_R$值直接证实了这样的假设：体积膨胀（或收缩）会改变固固界面之间的接触电阻。在放电过程中，负极的收缩会降低有效接触面积，从而导致$R_2^{\mathit{eff}}$值上升。图9中清晰地显示出了这一趋势，在SOC为0.1时，该数值比其他情况下高出49.2%

结论

为解决半固态电池中机械电化学耦合效应带来的SOC估算难题，本研究提出了一种基于原位压力传感的改进型等效电路模型（ME-ECM）。该模型通过实时获取电池的变形压力，将界面极化参数与机械状态相互关联，从而精准描述充放电过程中界面接触阻抗的演变规律。

通过

CRediT作者贡献说明

刘成宇：撰写——初稿、验证、软件开发、方法设计、数据整理。廖成林：指导、概念构思。赵宏宇：撰写——审稿与编辑、验证、指导、资源协调。王立业：验证工作。王丽芳：指导工作、资金申请。马春晓：验证工作。

伦理声明

本研究未涉及任何人类受试者或动物实验。

投稿声明

本手稿此前未曾发表，也未在其他期刊接受审阅。所有作者均已同意投稿。

资金来源

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFB2408400）、中国国家自然科学基金（项目编号：52277228）以及北京市自然科学基金（项目编号：L243021）的支持。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

致谢

本研究同样得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFB2408400）、中国国家自然科学基金（项目编号：52277228）以及北京市自然科学基金（项目编号：L243021）的资助。

刘成宇|廖成林|赵宏宇|王立业|王丽芳|马春晓

中国科学院电气工程研究所高密度电磁功率与系统国家重点实验室，中国北京海淀区，邮编100190