H.E.L锂电池的热管理模型研究 2—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。对于锂电池热管理模型的未来发展方向，

研究者有很多期待：智能热管理：利用传感器和控制算法，实现对电池温度的实时监测和智能控制。例如，通过机器学习算法预测电池的热行为，提前调整热管理策略。

新型材料：开发高性能的导热材料和相变材料，提高热管理系统的效率和响应速度。例如，石墨烯等新型材料在热管理中的应用前景广阔。

集成化设计：将热管理系统与电池包设计一体化，减少空间占用和重量，提高系统的整体性能。例如，设计具有内置冷却通道的电池模块。

多尺度建模：从微观到宏观的多尺度建模，可以更全面地描述电池的热行为，为热管理设计提供更准确的理论支持。例如，结合分子动力学模拟和宏观热模型，

优化电池材料和结构。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：宽温度范围内变固相扩散及参数辨识的简化锂离子电化学电池模型

背景:锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、低自放电、长循环寿命和环境友好性，已成为电动汽车的首选电源。大多数电化学模型未能捕捉锂离子电池的可变固相扩散过程和低温特性，限制了模型的精度和在极端气候条件下的应用。本文的目的是开发和验证一个高精度且参数可在宽温度范围内识别的热耦合简化电化学模型（Thermal-Coupled Simplified Electrochemical Model, TCSEM*），用于锂离子电池（LIBs）。该模型旨在提高锂离子电池在极端气候条件下的应用性能，特别是在低温条件下的表现。

研究方法：简化电化学模型（SEM）：文章提出了一个考虑了集中参数和浓度依赖的固相扩散的热耦合简化电化学模型。该模型特别考虑了固相扩散的浓度依赖性，以更准确地反映固相颗粒内的真实动态。

参数分类与识别：基于锂离子电池的多时间尺度特性，模型参数被分类，并设计了特定的测试来识别参数。通过从测试数据中提取不同的动态特性，逐步识别不同类型的参数。测试设计：设计了脉冲放电（PD）测试、混合脉冲功率特性（HPPC）测试和放电-冷却测试，以识别热力学（TD）、慢动态（SD）和快动态（FD）参数。

结论：模型精度：通过在-20℃至45℃的宽温度范围内的恒流放电测试，验证了所提出的模型（TCSEM*）在预测电池端电压和温度方面的高精度。与常数固相扩散模型（TCSEM）相比，TCSEM*在电压和温度预测方面表现出显著的优越性，尤其是在零下温度。

参数识别：通过逐步参数识别方法，成功识别了模型的所有参数，并通过Arrhenius或有理方程对温度敏感参数进行了拟合。健康意识特性图：基于验证的模型，生成了一个考虑固相扩散约束的健康意识特性图，用于预测电池的功率能力。结果表明，通过适当牺牲电池功率能力，可以满足固相扩散约束。

产品推荐：量热实验：使用等温量热仪（HEL iso-BTC）实验设置：使用了由Sanyo公司制造的18650型圆柱形锂离子电池，正极材料为LiCoO₂，负极材料为石墨，测试容量为2.32Ah，标称电压为3.7V。

电池准备：在25°C的环境温度下，使用恒流恒压（CCCV）充电模式将电池充满电。放电过程：从满电状态开始，以5% SOC的步长逐步放电至下限截止电压（2.75V）。每个放电脉冲后，电池休息2小时，以达到热力学平衡。

温度控制：为了保持恒定的电池温度，使用等温量热仪提供等温条件。测试在不同的等温条件下进行，具体温度见表3。数据记录：记录每个放电脉冲后的电压响应，特别是relaxation 期间的电压恢复特性。

来源Li, C., Cui, N.,Wang, C., & Zhang, C. (2021). Simplified electrochemical lithium-ion battery model with variable solid-phase diffusion and parameter identification over wide temperature range. Journal of Power Sources, 497, 229900.

About H.E.L

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，总部设在伦敦，在中国、美国、德国、意大利、印度拥有分公司。全资的赫伊尔商贸（北京）有限公司于 2020年在北京设立。H.E.L最初是一家过程工艺优化及反应危害评估的专业咨询机构，对研究机构和生产企业承接工艺过程研发项目；同时提供安全咨询，包括事故调查、HAZOP研究、安全设施的设计及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的过程工艺及安全专业咨询机构，同时已经发展成为一家致力于为客户提供专业的过程工艺优化及反应危害评估设备的国际集团企业。

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文章来自HEL微信公众号，编号HEL2025-YJ-10/10。