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。

考虑热-化学耦合的NEPE推进剂固化过程数值模拟

采用热-化学耦合模型表征热传导和固化动力学反应,利用物理试验测定硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂在不同固化度下的热参数和密度,研究了NEPE推进剂药柱在固化过程中温度场和固化度的分布和演变规律。结果表明,因推进剂固化反应的生热速率与外界热量传递速率存在差异,导致固化过程中出现内部温度场和固化度场分布不均匀的现象。固化时间为1~4 d时,药柱中心位置的温度较高(最高57.6℃),外侧较低;固化时间大于等于5 d时,药柱温度场慢慢与环境温度(50℃)趋向于平衡。推进剂固化度-时间曲线近似为“S”型,固化时间小于1 d时和大于4 d时,固化速率缓慢;固化时间2~4 d时,固化速率快。固体发动机的m数对推进剂固化温度和固化速率有一定影响,m数越大,推进剂的最高温度越高,同时温差也越大,温度差会导致推进剂药柱内部固化速率产生差异,造成推进剂达到指定固化度的时间变长。

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。

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。

热失控状态气液两相的锂离子电池建模及修正方法研究

锂离子电池在应用过程中因滥用而发生热失控现象,导致电池内部产生大量气体,传统的固液两相模型难以准确描述热失控机理。针对以上问题,以18650电池组为研究对象,构建气液两相的锂离子电池模组的电化学-热耦合模型,研究了热失控气体对锂离子电池内部应力、温度、电解液浓度的影响规律,同时利用COMSOL Multiphysics 5.5软件进行了有效性验证和理论模型修正。研究结果表明,锂离子电池热失控气体对电池内部应力、温度、电解液浓度有着明显的正反馈影响规律。内部应力的理论修正值与仿真值峰值均在相近时刻出现,且误差为0.04 MPa,计算精确率提高了80%。电池内部温度到60℃左右时发生热失控,产生的热失控气体在内部温度升高到160℃时被点燃,640 s时达到最高仿真温度,修正温度分别为177、172℃,热失控气体产生的热点现象是影响电池包内部的温度分布不均的主要原因。电解液浓度理论修正值和仿真值从1 200 mol/m3同步下降至837 mol/m3,形成气液两相流,电解液与电极材料反应和分解造成了电解液浓度降低。

兼顾平抑新能源功率波动与电池热安全的储能配置研究

电化学储能是支撑新能源高比例消纳的关键技术,其规划配置与热安全性研究具有重要意义。本文将平抑新能源功率波动场景下的储能配置模型与电化学-热耦合的数值仿真模型嵌套,构建了兼顾平抑新能源功率波动与电池热安全的储能配置双层模型。通过模型对某风电场项目求解的算例分析结果表明:该风电场的电化学储能合理配置规模为5.78MW/0.5MWh。可将1min、10min的功率波动性分别降低10.09%、2.87%,新能源功率波动性得到明显改善。并且在运行过程中电池最高温度为50℃,满足ESS在运行过程中的热安全性。分析成果验证了兼顾平抑新能源功率波动与电池热安全的储能配置双层模型的有效性。

动力电池热管理系统复合散热装置的结构设计与优化

针对空冷电池散热模组在温度场均匀性方面的局限性,以优化电池组散热结构和参数为主要研究内容,采用COMSOLMultiphysics软件建立电池组冷散热仿真模型对复合散热结构进行瞬态物理场分析,设计一种空冷与热管结合的新型复合散热方案,研究不同翅片间距、不同空气流速以及不同进风温度对电池组温度场的影响。结果表明,翅片间距是影响散热效果的主要因素,并采用双进双出口结构与设计热管进行复合设计,电池间距设为4mm,气体流速定为6m/s。优化后的复合结构与风冷散热电池模组对比,电池组最高温度为32.3℃,温差为1.9℃。该优化结果在控制电池组最高温度和电池组温度均匀化方面都表现更好,为新型复合散热方案应用于电动汽车提供了参考。

方型锂电池模组热特性实验与仿真研究

为使锂电池高效可靠运行,对锂电池单体和模组在不同倍率放电下的热特性进行研究。基于一维产热模型和三维传热模型,建立了锂电池电化学-热耦合模型。将仿真与实验测量的电压和平均温度进行对比,验证了模型的有效性,并从产热角度分析了电池温度的变化规律。此外,从连接铝排和正负极柱是否产热,探究了它们对电池模组温度场分布的影响。结果表明:放电倍率越大,电池表面温升越快。在低倍率放电下,可逆热是影响电池表面温度变化的主要因素。铝排和正负极柱产热对电池模组峰值温度和位置有较大影响,但对其最低温度以及位置几乎没有影响。当放电倍率为2 C时,峰值温差达到6.5℃。

锂离子电池电化学-热耦合模型对比研究

电池模型对电池系统的健康管理和故障诊断至关重要。随着电池技术的发展,电化学模型正成为研究热点。电化学模型由偏微分方程构成,计算复杂度高。模型数学重构和模型结构简化是两类降低复杂度的方法。不同复杂度模型的对比研究可为模型工程应用选择提供指导,然而现有研究多基于仿真数据且忽略了温度对电池电化学行为的影响。针对上述不足,通过理论分析、数值仿真和试验测试开展了电化学-热耦合模型的对比研究工作。基于理论与仿真分析,明确不同模型的误差来源;通过敏感性分析,提升了模型参数的辨识精度和效率;通过耦合热模型,考虑温度对电化学反应的影响,并在-10℃至45℃区间开展试验验证。结果表明,反应电流的均匀分布假设是简化模型的主要误差来源。该假设在低倍率条件下成立,在大倍率下将造成较大误差;耦合热模型来引入温度修正可有效提升电化学模型在不同温度下的精度;非简化的电化学-热耦合模型在不同温度和工况下均能保证高精度,端电压均方根误差小于25 mV。简化的电化学-热耦合模型在小倍率工况下精度较好,但在低荷电状态和大倍率工况下将出现明显偏差,其最大端电压方均根误差超过50 mV。

基于伪二维电化学-热耦合模型的锂电池热特性研究

锂电池放电过程中的产热受电池内部电化学反应和欧姆效应影响,电池产热由电池化学与动力学决定,而电池动力学依赖于电池运行条件和设计参数。锂电池的六个温度依赖性参数对锂电池的放电过程中的产热速率具有影响,包括固相活性颗粒和电解液中的锂离子扩散系数、反应速率常数、电极开路电压、电解液离子电导率、热力学因子和阳离子迁移数。基于LiFePO_4圆柱形电池建立了伪二维电化学-热耦合模型,研究电池在恒流放电过程中的产热速率,以及正极、隔膜和负极各部分的产热速率和所占比例。结果表明,总产热功率随反应热的波动而变化,其中正极电极层中反应热占比最大,负极电极层中极化产热所占比例高于正极,而隔膜中的产热主要来源自欧姆热。不同对流传热系数条件下,电池的表面温度和内部温度差都不同,因此要合理的采取电池热管理措施。

动力电池材料—结构—性能跨尺度关联效应研究

动力电池是新能源汽车的核心部件,其电化学性能和热性能是决定新能源汽车能否规模化推广应用的关键,然而宏观尺度下的电化学性能和热性能既受到微观尺度下的电极材料特性的影响,又受到介观尺度下的电池结构参数的影响。为了揭示电池材料参数、电极结构参数和电池工作参数对动力电池性能的影响机理,以18650型镍钴锰三元动力电池锂为研究对象,通过构建电池电化学-热耦合模型,分别探究了上述各参数对动力电池电化学性能和热性能的影响规律,综合分析了电池材料—结构—性能跨尺度关联效应。研究结果表明:电池材料参数、电极结构参数、电池工作参数对动力电池性能的影响具有跨尺度强相关的特征。单一尺度下的动力电池设计及性能优化并不能得到最优结果,开展材料—结构—性能跨尺度设计及优化是动力电池安全性能和动力性能提升的根本途径。

恒功率放电下锂离子电池的产热特性

恒功率放电是电池实际运行工况中的典型放电方式,其放电过程中的产热对电池的性能和安全运行有重要影响。为了研究恒功率放电方式下电池的产热特性,首先建立了电化学-热耦合模型;然后通过实验验证了模型的合理性;最后分析了放电过程电池内部集流体、正负极和隔膜各层的产热特性,讨论了放电功率和正极电极厚度对电池内部各层产热量的影响。结果表明:在放电过程中负极产热率的变化程度最大;放电功率对各层产热量占总产热量的比值影响不大,其中正极产热量所占的比值最大(不同放电功率下的占比均在70%以上);增大正极电极厚度可降低电池的产热量,但随着电极厚度的增大,其影响效果会降低。

车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法

精确的电池模型是车用锂离子电池系统状态估计和能量管理的基础。电化学机理模型用途广、精度高,是下一代电池管理系统的重点研究对象。然而,目前电池电化学机理模型建立过程中存在参数获取困难、依赖后期参数标定等问题。为此,提出一种大容量车用锂离子电池电化学-热耦合高效建模方法。将电化学机理模型的参数进行分类,对可测量/辨识参数(几何尺寸、正负极初始化学计量比和固相颗粒最大嵌锂浓度等)进行精确的测量和参数辨识。利用不同温度下的脉冲充电试验来标定固相扩散系数Ds和反应速率常数k。进一步地,建立电池产热模型,搭建考虑温度影响的电池电化学-热耦合模型。不同倍率充放电、不同温度下的脉冲放电和动态应力工况测试下试验验证结果显示,所搭建的模型具有很好的精度和适应性,电压平均误差小于10 mV,温度平均误差小于1.1℃。参数敏感性分析结果显示固相扩散系数Ds的减小会导致电极颗粒内部锂离子浓度差变大,从而使得颗粒表面电势提前达到截止电压,降低电池容量;反应速率常数k的减少主要影响电池阻抗,将造成放电电压曲线整体下移和产热增加。所提出的建模方法可以快速高效地建立精度高、普适性好,成本低的电池电化学-热耦合模型。

18650三元锂离子电池的放电热特性

通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40℃、25℃时的0.5 C、1 C、2 C放电倍率实验与0℃、-25℃时0.5 C倍率的放电实验,得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线,并验证电化学-热耦合模型的可靠性,在25℃时模型精确度最高,电压误差为0.07 V,温度误差为0.8℃,-25℃时精确度最低,电压误差为0.6 V,温度误差为1.5℃。借助模型进行25℃时电池的电极产热分析,并模拟25℃温度条件下2 C放电时的温度场分布,放电结束时电池正负极极耳处温度最高,具体数值为34.8℃,与气流正对的电池表面的温度最低,数值为34℃,在气流后侧距电池中心50 mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4℃。

18650磷酸铁锂电池不同放电倍率下产热机理研究

利用多物理场耦合软件COMSOL-Multiphisics建立了二维轴对称电化学-热耦合模型。探究了不同倍率放电下18650磷酸铁锂电池电极区域和隔膜区域的产热情况,并根据不同区域的热量积累,进一步分析了放电倍率的增加对反应热、欧姆热以及极化热等不同类型产热的影响。结果表明:随着放电倍率的增加,产热区域主要以正极产热和隔膜产热为主,产热类型主要以欧姆热为主,3 C放电时欧姆热占总产热的72.43%,反应热和极化热相对占比较小。

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。