锂离子电池热模型研究现状及展望

锂离子电池热模型对单电池产热研究和电池热管理系统设计具有重要意义。根据热模型搭建原理及研究目的不同,将热模型分为电-热耦合模型、电化学-热耦合模型和热滥用模型,分析了电池热模型研究领域的研究现状,总结了锂离子电池热模型的下一步研究方向。     

锂离子电池电-热联合仿真平台构建

锂离子电池在充放电过程中各个参数量都会随温度的变化而变化,实时评估锂离子电池的电热特性对电动汽车维护和电网储能运行至关重要。针对实际运行中锂离子电池参数测量不准确、电热传递特性不易获取、操作不便等问题,构建锂离子电池电气模型和热模型,并基于等效电路模型和集中热参数模型,综合考虑电池电-热耦合特性,构建了锂离子电池电-热联合仿真平台。基于仿真平台,通过恒流—恒压—新欧洲驾驶周期(New European Driving Cycle,NEDC)实际工况充放电试验,得到电池温度变化曲线,并通过分析温度与电流、端电压和产热散热特性曲线的对应关系,验证了联合仿真平台的有效性。该联合仿真平台可为锂离子电池电-热耦合特性的理论分析以及电池管理系统的设计优化提供依据。     

基于电化学热耦合模型锂电池热管理系统优化

以电化学模型和直角坐标系三维热模型为基础,建立了电化学三维热耦合模型,对锂离子电池组产热情况进行仿真分析,结果表明电池组的温度分布更加符合实际情况,比单独的三维热模型或电化学二维热耦合模型更加准确。以额定容量为60 Ah的锂离子电池为例,对锂离子电池进行不同放电倍率的产热分析,得到了电池组的温度场分布,分析了温差与温升的原因,构建了一种新的电池包的结构,再次对新的电池组进行不同放电倍率产热分析,温差与温升都有明显的下降,达到了优化的目的。     

计及电池老化的电池温度仿真与验证

针对锂离子电池温度估算问题,提出一种基于电化学机理的电池温度估计方法.以容量为3.2 Ah的18650三元锂离子电池为研究对象,在考虑电池老化对电池温度影响的基础上,根据18650电池结构和电池传热规律,计算电池在使用过程中的内部产热速率,并采用有限差分法估算电池表面温度,最后通过MATLAB/SIMULINK搭建锂离子电池电化学-热耦合模型.仿真结果表明仿真温度与实验测得的温度变化趋势基本一致,为动力电池的热管理系统提供了一定的参考依据.     

锂离子电池在循环过程中的产热研究

采用恒温微量量热仪IMC、加速量热仪ARC与循环充放电仪Arbin的耦合装置对锂离子电池(LiNi0.8Co0.15-Al0.05O2/Mag-10系统)在不同电流密度下的循环产热和电池温度变化情况进行了系统的研究.结果表明,在中小电流密度负载下,电池的循环产热来自于可逆热和不可逆热双方的贡献;而在大电流密度负载下,不可逆热远远大于可逆热而处于主导地位.18650动力型电池在室温下以-10 A电流放电时,电池的表面温度会上升18℃达到43℃.     

锂离子电池恒流充电的温度及产热特性分析

基于COMSOL-Multiphisics仿真软件,考虑电池表面辐射换热,建立18650磷酸铁锂电池的准二维电化学-热耦合模型,搭建充电测试平台验证模型准确性,研究不同充电倍率下锂离子电池的温度特性,重点分析不同类型产热占比、不同区域产热占比、正极产热和负极产热情况.结果表明:随着充电倍率的增加,电池表面平均温度显著升高,电池内部温度不均匀性加大.在充电过程中,随着充电倍率的增加,反应热占比减小,极化热和欧姆热占比增加.负极区域产热占主导地位且以反应热为主要来源,正极区域产热则以极化热为主.     

电动汽车锂离子电池释热机理及电热耦合模型

分析了锂离子电池放电过程中的温度特性及其释热机理,利用充放电测试仪对其在不同倍率放电过程中电池表面温度的变化进行了研究。通过测试电池内阻及开路电压温度系数,分析了电池内部温度受不可逆热及可逆热的影响,建立了基于可变产热速率的电热耦合模型,并在实验中验证了模型的有效性。在此基础上,给出了电池内部温度的多项式函数估算方法,通过与仿真模型计算结果对比,该方法能较好地满足要求,为电池管理系统在线估计电池内部温度奠定了基础。     

锂离子电池脉冲频率优化的低温预热

针对低温环境下,由于锂离子电池内阻增加所带来的充电能力下降问题,依据锂离子电池极化内阻产热分析,提出采用变频脉冲激励的方法实现电池的低温预热.建立锂离子电池等效电路和内阻产热相结合的热电耦合模型,在此基础上推导了脉冲激励预热过程中,锂离子电池温升的计算方法.根据不同温度下锂离子电池的电化学阻抗谱(EIS)测试结果,以当前温度下锂离子电池的最大预热功率作为目标,实时计算不同温度下的最佳脉冲频率.实验结果表明,应用所提脉冲频率优化的预热策略,锂离子电池从-20℃预热至5℃用时368 s.25次预热循环结束后,锂离子电池容量衰减仅为0.16％.电化学阻抗谱分析结果证明,所提方法在预热过程没有促进电池内部副反应的进程.     

不同老化阶段的锂离子电池热特性研究进展

研究锂离子电池不同老化阶段的热特性对于锂离子电池全寿命周期安全运行控制具有重要意义。首先梳理了不同老化阶段电池本征热特性参数和产热特性参数的实验研究进展,厘清相关参数随电池老化阶段变化的规律和内在机理;结合锂离子电池热特性研究的电模型、热模型和老化模型的全面综述与分析,总结了锂离子电池不同老化阶段的产热及温升随环境温度和倍率的变化规律。相关工作可为锂离子电池全生命周期热特性变化和热管理策略研究提供参考。     

车用动力锂电池产热机理研究现状

精确的锂离子电池产热量是电动汽车电池包热管理设计的基础。总结了现有锂离子电池产热模型,指出Bernadi产热模型在计算电池产热时通用性较高。整理了3种测量温熵系数dE/dT的方法:直接测量法、可逆热等值法以及极化热扣除法。给出了Bernadi产热模型关键参数温熵系数dE/dT特征值,为各类锂离子电池包产热计算提供了依据。     

储能锂离子电池包单体内部温度压力模拟

针对储能锂离子电池热失控引发的安全问题,开发一种高效锂离子软包电池内部温度压力模拟方法,为储能系统提供电池状态实时监测工具。首先,通过融合化学反应模型、热路模型和膨胀模型,将软包电池内部生热、产气、传热、膨胀等过程集成到统一的计算框架中。其次,建立基于微分方程组的软包电池温度、压力计算模型,反应模型和热路模型通过温度、生热率等状态参数彼此耦合。再次,将该方法应用于4款电池样本进行温度、压力模拟。计算值和实测值对比表明,该方法能高效计算锂离子软包电池内部温度和压力,最大模拟误差小于4%,具有良好的计算精度。并且,该方法求解过程无需调用耗时的多物理场耦合仿真,计算效率高。     

锂离子电池热模型研究进展

锂离子电池的热模型对于锂离子电池单体和热管理系统的设计有重要帮助,是研究改善锂离子电池安全性的重要工具.介绍了国内外关于锂离子电池热模型的研究进展,包括电化学一热耦合模型、电一热耦合模型和热滥用模型,以及以这些模型为基础,在锂离子电池单体设计、热管理和安全性研究方面做的工作.在此基础上,分析了当前研究有待于深化的地方,为下一步研究提供参考.     

磷酸铁锂材料在动力锂离子电池中的应用

锂离子电池因其有较高的电压和能量密度,被广泛应用于HEV、PHEV和电动工具领域.使用经过碳包覆方法处理的磷酸铁锂(LiFePO4)材料来制备软包装电池,其高倍率放电性能、高低温性能和循环性能测试结果表明,该材料完全可以满足动力电池的需要并得到广泛的应用.     

锂离子液流电池的研究进展

锂离子液流电池是最新发展起来的一种化学储能电池技术,它综合了锂离子电池和液流电池的优点,是一种输出功率和储能容量彼此独立、能量密度大、成本较低的新型绿色可充电池.本文介绍了锂离子液流电池技术的研究背景,阐述了锂离子液流电池的结构组成和工作原理,并详细综述了锂离子液流电池国内外的研究状况,指出目前有待突破的关键技术问题....     

导热硅胶形状对液冷式电池组热性能影响研究

随着电动汽车能量密度的增加以及充放电功率水平的提高,动力电池热问题日益突出,电池热管理系统设计显得尤为重要。从动力电池组应用场景出发,建立了液冷式电池组有限元模型并仿真分析了4种导热硅胶形状对电池组热性能的影响。研究发现,随着导热硅胶与电池组接触面积的减少,电池组温度有所上升,但温差较小。相比于常规设计方案,改短设计方案在电池组温度略微上升的条件下温度均匀性改善明显,可以为电池热管理系统设计提供参考。     

退役锂离子动力电池储能系统风冷热管理仿真

为研究退役动力电池储能再利用过程的热管理方法和运行方案,基于退役锂离子动力电池储能系统,设计了风冷热管理的方案和运行策略。建立了舱内退役电池簇的数学物理模型。仿真了不同风量下磷酸铁锂(LFP)电池簇和三元镍钴锰(NCM)电池簇的温度分布,对比分析了有无风冷热管理时电池簇的热行为。结果表明:风冷热管理能满足适宜退役动力电池正常工作时的温度范围;对于磷酸铁锂电池簇和镍钴锰电池簇,增加风冷系统后,簇内电池最大温差可由无风冷时的10 K降低至4 K左右,电池的最大温升由30 K降低至10 K左右。该研究可为退役动力电池储能系统的高效热管理提供借鉴。     

电动车辆用锂离子电池热特性研究

电动车辆的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命,而电池组的性能和使用寿命又受到电池生热的影响。为了研究电池在充放电过程中的生热特性,以35 A·h,3.7 V方形锰酸锂电池为研究对象,对常温下充放电生热特性和低温放电的生热特性进行研究。研究结果表明:随着放电电流增大,电池温度快速提高,且低温环境下利用电池放电生热可改善电池性能,这些将为后续动力电池组热管理系统研究提供参考。     

计及动态非均匀热特性的储能软包锂电池充放电热路模型

当前锂离子电池热行为解析模型与仿真模型在储能应用中面临效率或精度挑战。提出一种计及动态非均匀热特性的软包锂电池热分析方法,为储能系统提供电池状态在线评估工具。首先,构建热路模型和解析偏微分方程组,以捕捉充放电过程中电池动态非均匀热特性。其次,建立迭代机制确定求解参数,发展一种兼顾精度和效率的求解算法。将热解析模型和算法应用于商用储能锂电池温度评估。多种充放电工况下的实验结果表明,所提方法具有毫秒级计算成本和小于3%的温度误差,参数标定、迭代机制增强了该方法的工程适用性。该方法对储能电池管理系统展现出良好的应用潜力。     

锂离子电池放电过程瞬态生热特性分析

为探索纯电动汽车用锂离子电池在放电过程中的瞬态热特性,通过试验测试得到不同温度下的内阻和不同放电倍率下的温升曲线,计算出不同放电倍率下的瞬时生热率;根据0.5C放电倍率下的瞬时生热率和内阻生热率,求出熵热(可逆反应热)系数变化曲线,分析锂离子电池熵热特性对瞬态生热特性的影响。分析结果表明:锂离子电池的瞬态热特性主要受电池内阻热和熵热(可逆反应热)的瞬态特性影响;熵热是影响电池放电过程中温度波动的主要因素,在放电中期会出现由相变反应引起的吸热现象;在小倍率放电过程中,熵热对电池温度场的影响大于内阻热,而在大倍率中则相反。通过分析,可以为电池瞬态生热模型的建立与完善提供依据。     

圆柱型锂离子电池三维分层热耦合模型研究

圆柱型锂离子电池的电芯由电池单元卷绕形成,其中电池单元由浸润在电解液中的正负极片、隔膜以及正负极耳组成。三维平均体积模型难以分析电池内部复杂的电化学系统,对此,针对实物的三维结构建立了考虑瞬态温度变化与电化学反应间相互影响的三维分层模型。通过实验验证了模型的准确性,基于模型结果详细分析了在不同放电倍率下电池内部电流密度和极化电压等电化学特征、焦耳热及反应热的产热速率和电池内部温度分布。研究结果有助于后续电池温度一致性及热管理技术的研究。