H.E.L锂电池的热管理模型研究 1—iso-BTC 电池等温量热仪

前言

锂电池的热管理模型研究是当前能源存储领域的一个重要课题，特别是在电动汽车和大规模储能系统中。有效的热管理对于提高锂电池的性能、安全性和寿命至关重要。目前对于锂电池模型的研究现状如下：

热模型开发：研究人员开发了多种锂电池热模型，包括偏微分方程模型和集中参数模型。这些模型用于描述电池内部的温度分布和动态变化，帮助设计更有效的热管理系统。

主动与被动热管理：主动热管理：通过外部设备（如冷却器、加热器、风扇等）来控制电池温度。例如，液冷系统通过循环冷却液来吸收和散发电池产生的热量。

被动热管理：利用材料的热特性（如相变材料、导热材料等）来自然调节电池温度。例如，相变材料在吸热和放热过程中可以稳定电池温度。

多物理场耦合：考虑电池的电化学反应、热效应和机械应力的多物理场耦合模型，可以更全面地描述电池的运行状态，为热管理设计提供更准确的理论支持。

锂电池的热管理模型研究对于提高电池性能、安全性和可靠性至关重要。通过开发先进的热模型、智能控制算法和新型材料，可以实现更高效、更经济的热管理系统，推动锂电池技术的发展和应用。

案例：基于区域分解和多项式逼近方法的锂离子电池降阶电化学模型

背景: 伪二维（Pseudo-two-dimensional, P2D）电化学模型能够洞察锂离子电池的内部行为，对于智能电池管理至关重要。然而，P2D模型的计算复杂性限制了其在车载应用中的使用。为了提高锂离子电池的安全性和效率，锂离子电池的实时电池管理系统（Battery Management System, BMS）中需要嵌入准确且简单的电池模型，以实现状态估计和故障诊断等功能。本文的目的是开发一种降阶电化学模型（Reduced-order Electrochemical Model, ROEM），用于BMS。该模型旨在保持高精度的同时显著降低计算成本，以便于在车载应用中实时使用。

研究方法：域分解技术：文章提出将整个电池三明治结构分解为两个计算域，通过引入电解液浓度平衡点，将电解液扩散过程简化为两个独立的状态变量。

多项式近似方法：采用多项式近似方法描述每个域中的电解液浓度分布，从而简化电解液扩散过程。

模型整合：结合简化的电解液扩散过程和其他锂离子电池的动态行为，得到了一个五状态的对角系统作为完整的ROEM。

结论：模型精度：ROEM在预测电池内部和外部行为方面的能力得到了验证。在恒流放电和动态测试中，ROEM的电解液浓度与P2D解的均方根误差（RMSE）小于5.7 mV，模拟和测量的端电压RMSE小于36.2 mV。计算效率：ROEM的计算时间比P2D模型减少了600倍以上，使得ROEM成为BMS实际应用的理想选择。模型局限性：由于电池性能受电极材料、工作条件等因素影响，ROEM的参数需要更新以确保准确和高效的电池管理。 

产品推荐：

量热实验：实验设置：使用LiCoO2/graphite锂离子电池进行测试，电池放置在等温量热仪中，以保持恒定温度（25°C）。实验设备包括电池测试仪（ARBINBT5HC）、等温量热仪（HEL iso-BTC）和主机计算机。恒流放电测试：电池在0.5C、1C、1.5C和2C的电流下进行放电测试，截止电压设置为2.75V。结果表明，ROEM和P2D模型的模拟结果与实验结果吻合良好。

来源

Li,C., Cui, N., Wang, C., & Zhang, C. (2021). Reduced-order electrochemical model for lithium-ion battery with domain decomposition and polynomial approximation methods. Energy, 221, 119662.

About H.E.L

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文章来自HEL微信公众号，编号HEL2025-YJ-09/09。