基于电化学-热耦合模型的动力电池逆向仿真建模与参数辨识

为了便于终端用户更容易获取到电芯内部相关的电化学参数数据,本文通过逆向拆解的方法结合电化学-热耦合模型,采用有限元仿真分析和电化学参数优化试验的方式,验证了所获取参数的精确性,并通过参数辨识的方式考虑了Bruggman系数,反应速率常数和固相扩散系数对动力电池充放电性能和温度的影响。研究结果表明:逆向拆解法可以精确地获取电池的动力学参数和热力学参数,对标锂电池的电压、温度误差范围在3%左右;Bruggman系数影响放电中后期的电压,增大数值增加极化,随着Bruggman系数的不断增大电池温度呈现减小趋势;反应速率常数影响全范围内的电压变化,温度随着反应速率常数的增大出现减小的状况,增大反应速率常数减小极化;固相扩散系数影响低SOC范围内的电压,增大数值减小极化。

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池容量衰减研究

锂离子电池电极上的SEI副反应是导致电池容量衰减的主要原因之一。本文基于SEI副反应建立了模拟电池容量衰减的电化学-热耦合模型,研究了不同环境温度和不同放电倍率下的SEI膜厚度增长规律,分析了电池相对容量的衰减问题,得出了一些有用的结论。结果表明:高温在一定程度上会加快SEI反应速率,但温度的升高对于SEI膜生长速度的影响是有限的。高倍率放电情况下,倍率大小对SEI膜厚度增长影响很小,低倍率放电情况下,倍率越低,SEI膜越厚。SEI膜厚度与电池相对容量在一定程度上呈负相关。

基于分层电化学热耦合模型的锂电池放电过程研究

软包锂离子电池由许多电池单元叠压形成,其中电池单元的电和热行为对电池的整体安全性有很大的影响。为了研究电池单元与单体之间的关系,采用多孔电极理论建立了大容量软包锂电池的分层多维模型,并考虑了瞬态温度变化与电化学反应间的相互作用关系。利用该分层模型研究不同温度下电池放电过程中的电化学和热特性,得到更为真实的电池温度场分布。此外,介绍了表征电池单体内不同电池单元荷电状态分布的均匀指数。仿真表明,电池单体内的温度梯度差异加剧了不同电池单元间的过电位不一致和电流密度不一致程度,有利于进一步研究单体电池的衰退演化轨迹。

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。

基于多尺度、电化学-热耦合模型的锂离子电池生热特性分析

为实现精确的电池热管理,选取正、负极材料分别为LiyMn_2O_4和LixC_6的层叠式锂离子电池为研究对象,建立了微观-宏观尺度耦合、电化学-热耦合模型,分析了不同放电倍率下单体电池的放电特性及电池包的平均温升、单体电池内部生热机理及变化特性,并详细定量分析了生热量各组成部分所占的比例及变化.分析结果表明:高放电倍率下,电池放电性能变差,温升显著提高,5C放电倍率下,温度升高63,℃.低放电倍率下,可逆热是主要的生热来源,高放电倍率下,液相中的欧姆热是主要的生热来源;相比之下,负极生热量最高,其主要来源于负极的可逆热,隔膜中所占百分比次之,正极最少,其主要来源于正极的不可逆热和欧姆热.

基于电-热耦合模型的锂离子电池热特性与优化

通过微元电池等效电路的方法,建立分层结构的电-热耦合模型,得到锂离子动力电池的温度分布及电-热变化特性。基于电-热耦合模型,分析软包电池容量变化对温度梯度的影响,并对极耳进行优化。只通过层叠的方式增加电池容量时,电池容量增加到1倍,最大温升几乎增加0. 5倍,会增加热管理的难度。通过单独强化极耳换热的方法,可在一定程度上降低最高温度。通过改变极耳位置,可降低动力电池(尤其是大容量电池)的最高温度。

基于电化学热耦合模型的锂离子电池快充控制

现有的锂离子电池电化学机理模型,在快充控制过程中未考虑产热与化学反应之间的耦合关系,导致模型无法准确地描述电池内部的反应和状态。为进一步提高模型的预测能力,须在等温模型的基础上耦合产热模型,为此本文提出一种基于电化学热耦合的快充控制模型。首先将电化学热耦合模型参数进行分类,分析各种参数获取方式并进行精确测量和参数辨识。模型建立后,对模型精度进行验证的结果表明:在不同温度下,模型输出的端电压、负极电位和温度结果都达到了较高精度,说明模型适用于宽温度区间内的快充仿真。同时对模型中反应速率常数和环境温度参数进行了敏感性分析。之后,结合PID控制器对模型进行快充控制仿真,通过负极电位估计值实时调节并优化充电电流,实现了电池在宽温度区间内的无析锂快充电流仿真。最后,模型仿真结果与恒流充电对比验证表明,所提出的快充策略能使电池快速充电,同时避免析锂副反应的发生。

基于电-热耦合模型的锂离子电池组热管理系统设计与优化

针对电池组放电过程各部位生热不均匀现象,研究了其生热机理,建立电池电-热耦合模型,得到电池单体电流密度及生热速率在电芯上的分布规律。基于该生热规律模拟电池模组在不同放电倍率下的温升,根据电池模组的热物性参数及冷却要求(电池模组温度控制在25~40℃,温差小于5℃)计算冷却水流速,并设计相对应的水冷结构。对比研究不同放电倍率、不同厚度导热板的电池模组仿真结果,得到最优导热板厚度(0.5 mm)。最后根据仿真结果对水冷系统进行优化,进一步减小了电池模组的温差。

结温在线控制系统的IGBT功率模块热耦合模型

应用有限元法,对IGBT功率模块的三维热分布进行了仿真研究,得到了器件的稳态热阻及瞬态热阻抗。研究了功率模块各芯片之间的相互热影响,提出了热耦合效应热模型的统一结构,基于对瞬态热阻抗曲线的拟合,得到热模型的相关参数,从而建立了热耦合效应热模型。以一个降压变换器为例,阐述了结温在线控制系统的工作原理,并将热模型应用于该系统中,计算结果与测量结果非常一致。

岩体介质的随机固流热耦合模型

考虑岩体介质是由基质岩块与裂缝组成的结构体,采用岩体结构力学的研究方法,针对岩石矿物组分及其分布的不同,将物理力学参数作为随机介质,建立了岩体介质的三维随机非均质固流热耦合数学模型,介绍了随机有限元计算方法,深入分析了随机固流热耦合模型的特点,该模型是经典固流热耦合数学模型的扩展,为岩石热破裂数值实验的研究提供了理论基础及其方法。

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。

适用于深层页岩气井生产模拟和预测的自扩散流热耦合模型

明确高温、高压条件下页岩气的渗流规律是准确预测深层页岩气井产能的前提。为此,基于前人提出的自扩散流动模型,增加考虑温度场变化的影响,建立了渗流场和温度场耦合的自扩散流动模型(以下简称自扩散流热耦合模型),然后,将该模型与以达西定律和努森扩散为基础的渗流模型(以下简称修正达西模型)计算结果进行对比;基于自扩散流热耦合模型,分析考虑温度场变化的深层页岩气自扩散流动行为,探讨了井底温度变化对深层页岩气采出程度的影响;进而将自扩散流热耦合模型应用于四川盆地长宁区块上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组一口页岩气水平井的生产模拟。研究结果表明:①在相同参数下,采用自扩散流热耦合模型计算的页岩气产量大于修正达西模型计算值;②考虑温度场变化时,自扩散系数剖面出现峰值,气体密度剖面出现谷值,并且峰值/谷值对应数据点同步向地层内部移动,说明自扩散系数影响着气体传质速率,并且随着生产的进行,近井低温对气体自扩散的影响范围不断增大;③当井底温度低于地层温度时,近井气体自扩散系数减小,发生气体近井阻塞现象,从而使气井产量降低;④根据现场实例井的生产模拟结果,考虑温度场的变化,自扩散流热耦合模型能够更加准确地模拟深层页岩气井产量。结论认为,所建立的自扩散流热耦合模型可靠性和准确度更高,可以用于深层页岩气井的生产模拟和预测。

土壤水热耦合模型全隐式差分格式及其数值模拟

将主成分分析法(principal component analysis,PCA)应用于土壤水热耦合模型的全隐式差分格式之中,将该格式简化为一个自由度很少的PCA全隐式差分格式。数值算例表明,在误差保持为同阶的情形下,基于PCA的全隐式差分格式与通常的全隐式差分格式相比,大大减少了计算量,提高了计算效率,从而验证了基于PCA的全隐式差分格式求解土壤水热耦合模型的有效性。

基于电化学-热耦合模型的21700型锂离子电池充放电过程热行为分析

锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、输出功率大、可承受较宽充放电倍率等特点,已成为电动汽车领域电池开发的研究热点.锂离子电池在循环过程中的热行为对其性能、循环寿命和安全性有着较大的影响.本文基于21700圆柱形锂离子电池建立电化学-热耦合模型,并通过实验验证模型的精确性.分析了充电过程中的热行为,包含温度和产热分布.结果表明,充电过程中的温升主要受恒流充电过程的影响,电池平均温度和总产热均呈先上升后下降的趋势,且电池不可逆热占比高于可逆热.通过对比充放电过程的温度分布和产热变化可知,恒流充电过程中的产热和温度均大于恒流放电过程,充电过程具有温度提升时间短、变化速度快、产热峰值高等特点.

基于电化学-热耦合模型的电池低温脉冲加热

低温环境下,锂离子电池性能下降,充放电困难,严重影响了电动汽车的使用。采用脉冲加热方法是一种解决该问题的有效策略。本工作采用三元锂离子电池,通过对比放电电压曲线和温升曲线的实验值和模拟值建立电化学热耦合模型,仿真分析脉冲加热下锂离子电池的电化学和热特性,研究不同脉冲振幅和环境温度下的产热分布。结果表明,在环境温度为-8℃时,4 C脉冲加热电池的温升是2 C脉冲加热的2.25倍。欧姆热和极化热决定着总产热量的大小。环境温度越低,锂离子电池的极化越严重,但随着脉冲的进行,极化有所平缓。大脉冲电流和较低温度下的脉冲加热有更大的温升速率。脉冲加热后电池表面最高温度在几何中心偏下的位置,且最大温差不超过2℃,具有良好的温度均匀性。

基于电化学-热耦合模型的储能用锂离子电池的发热状况研究

作为储能电站用储能电池,磷酸铁锂离子电池(下文简称为“锂离子电池”)的发热现象极易给储能电站造成运维安全隐患,分析锂离子电池在不同工况下的发热状况可有效减少其发热现象的产生。基于三维电化学-热耦合模型,提出了产热速率压缩降维方法,在保留电池表面温度不均衡特征的条件下进行了模型仿真研究。通过实验,研究了储能用锂离子电池在单次充放电循环过程中的表面温度值及温度分布变化,证明该模型能够准确反映储能用锂离子电池在充放电循环过程中的发热状况和温度变化趋势。研究结果可提高电化学储能电站的安全性,并为后续储能电池模组研究提供参考依据。

针对更精确电迁移预测应用的热耦合模型建模

基于先进逻辑CMOS工艺平台,构建了集成电路热耦合模型,为后端金属线电迁移预测提供更精确的温度变化和分布信息。在建模过程中,为了提高建模和仿真效率,对金属线网络和晶体管有源区进行简化,并用热传输比率对热耦合进行表征。考虑到晶体管参数、金属线走向、金属线之间相对位置对热传输比率的影响,模型中引入相关因子对热传输比率做进一步修正。最后,将该热传输模型嵌入到商用仿真软件中。结果表明,热传输比率(即温度)的仿真值与基于工艺平台流片的实测值吻合良好,验证了模型的准确性。

电磁热耦合模型在通风干式变压器中的运用

建立了通风干式变压器绕组温度场的二维电磁热耦合数学模型,并由此计算出变压器箔式绕组因非均匀涡流产生的温度分布,仿真结果与实验数据表明:基于二维电磁热耦合数学计算模型的分析方法是正确、合理、可靠的,为研究干式变压器的温度特性提供了方便。

膜下滴灌温室番茄水肥气热耦合模型及最优组合方案

水肥耦合技术在国际上已得到广泛应用,土壤通气不良、低温或高温会影响作物根系的吸水率。针对温室番茄水肥气热耦合模型和灌溉通量相互作用的问题,采用四因素五水平通用旋转组合设计方法,建立了温室番茄水肥气热四因素与产量之间的数学模型,并得出了水肥气热最优组合方案。在试验范围内,番茄产量随单一灌溉定额(X1)、施肥量(X2)、溶解氧(X3)和地热管水温(X4)的增加而增加。四因素对番茄产量的影响大小依次为X1、X2、X4、X3(春夏季)和X1、X3、X2、X4(秋冬季)。高水-低热和低水-高热互作有利于增产(春夏季),高肥-低热和低肥-高热互作有利于增产(秋冬季)。如果按照95%的置信区间采用农艺措施,春夏季番茄产量大于89902 kg/hm2的条件下,水肥气热耦合方案为灌溉定额4808~5091 m3/hm2、施肥量(N-P2O5-K2O)171-57-84~186-62-89kg/hm2、溶解氧7.9~8.2mg/L和地热管水温34.9℃~37.0℃。秋冬季番茄产量大于85209 kg/hm2的条件下,水肥气热耦合方案为灌溉定额5270~5416 m3/hm2、施肥量(N-P2O5-K2O)151-50-76~167-56-82 kg/hm2、溶解氧8.0~8.2mg/L和地热管水温34.1℃~36.2℃。总体来说,该模型具有很好地模拟效果,具有应用价值。春夏和秋冬产量之间的相对误差在1.12%~25.34%之间。研究结果可为温室番茄的提质增效提供理论依据。

基于COMSOL电化学-热耦合模型的动力电池内部温度估算

磷酸铁锂电池因其成本优势而在新能源汽车领域得到广泛应用,但其热安全性仍不完善;因此,研究内部发热情况和预测温度分布非常重要。基于COMSOL Multiphysics电化学-热耦合模型对电动汽车动力电池的内部温度进行了数值模拟,研究发现:(1)放电倍率越大,电池温度分布不均匀的现象越突出,热点大多出现在正负极耳处,5C放电末期正极耳温度高于平均温度25℃;(2)提高散热系数对最高温度和温差都有显著的抑制效果,强制对流下,放电末期最高温度下降至27.2℃,温差下降至1.8℃,正负极耳由于其高导热系数反而成为冷区;(3)环境温度越低,电池的内阻越大,产热效率越高,相同条件下,环境温度为0℃和40℃时最高温升分别为10.3℃和4.49℃,上升了5.81℃;(4)用最小二乘法分别拟合了平均温度关于倍率、散热系数和环境温度的公式,实现了电池内部温度估算,为优化冷却系统设计奠定了基础。