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H.E.L鋰電池的熱管理模型研究 1—iso-BTC 電池等溫量熱儀

前言

鋰電池的熱管理模型研究是當(dāng)前能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，特別是在電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中。有效的熱管理對(duì)于提高鋰電池的性能、安全性和壽命至關(guān)重要。目前對(duì)于鋰電池模型的研究現(xiàn)狀如下：

熱模型開發(fā)：研究人員開發(fā)了多種鋰電池?zé)崮Ｐ停ㄆ⒎址匠棠Ｐ秃图袇?shù)模型。這些模型用于描述電池內(nèi)部的溫度分布和動(dòng)態(tài)變化，幫助設(shè)計(jì)更有效的熱管理系統(tǒng)。

主動(dòng)與被動(dòng)熱管理：主動(dòng)熱管理：通過(guò)外部設(shè)備（如冷卻器、加熱器、風(fēng)扇等）來(lái)控制電池溫度。例如，液冷系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)冷卻液來(lái)吸收和散發(fā)電池產(chǎn)生的熱量。

被動(dòng)熱管理：利用材料的熱特性（如相變材料、導(dǎo)熱材料等）來(lái)自然調(diào)節(jié)電池溫度。例如，相變材料在吸熱和放熱過(guò)程中可以穩(wěn)定電池溫度。

多物理場(chǎng)耦合：考慮電池的電化學(xué)反應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力的多物理場(chǎng)耦合模型，可以更全面地描述電池的運(yùn)行狀態(tài)，為熱管理設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的理論支持。

鋰電池的熱管理模型研究對(duì)于提高電池性能、安全性和可靠性至關(guān)重要。通過(guò)開發(fā)先進(jìn)的熱模型、智能控制算法和新型材料，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)的熱管理系統(tǒng)，推動(dòng)鋰電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

案例：基于區(qū)域分解和多項(xiàng)式逼近方法的鋰離子電池降階電化學(xué)模型

背景: 偽二維（Pseudo-two-dimensional, P2D）電化學(xué)模型能夠洞察鋰離子電池的內(nèi)部行為，對(duì)于智能電池管理至關(guān)重要。然而，P2D模型的計(jì)算復(fù)雜性限制了其在車載應(yīng)用中的使用。為了提高鋰離子電池的安全性和效率，鋰離子電池的實(shí)時(shí)電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）中需要嵌入準(zhǔn)確且簡(jiǎn)單的電池模型，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)和故障診斷等功能。本文的目的是開發(fā)一種降階電化學(xué)模型（Reduced-order Electrochemical Model, ROEM），用于BMS。該模型旨在保持高精度的同時(shí)顯著降低計(jì)算成本，以便于在車載應(yīng)用中實(shí)時(shí)使用。

研究方法：域分解技術(shù)：文章提出將整個(gè)電池三明治結(jié)構(gòu)分解為兩個(gè)計(jì)算域，通過(guò)引入電解液濃度平衡點(diǎn)，將電解液擴(kuò)散過(guò)程簡(jiǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)變量。

多項(xiàng)式近似方法：采用多項(xiàng)式近似方法描述每個(gè)域中的電解液濃度分布，從而簡(jiǎn)化電解液擴(kuò)散過(guò)程。

模型整合：結(jié)合簡(jiǎn)化的電解液擴(kuò)散過(guò)程和其他鋰離子電池的動(dòng)態(tài)行為，得到了一個(gè)五狀態(tài)的對(duì)角系統(tǒng)作為完整的ROEM。

結(jié)論：模型精度：ROEM在預(yù)測(cè)電池內(nèi)部和外部行為方面的能力得到了驗(yàn)證。在恒流放電和動(dòng)態(tài)測(cè)試中，ROEM的電解液濃度與P2D解的均方根誤差（RMSE）小于5.7 mV，模擬和測(cè)量的端電壓RMSE小于36.2 mV。計(jì)算效率：ROEM的計(jì)算時(shí)間比P2D模型減少了600倍以上，使得ROEM成為BMS實(shí)際應(yīng)用的理想選擇。模型局限性：由于電池性能受電極材料、工作條件等因素影響，ROEM的參數(shù)需要更新以確保準(zhǔn)確和高效的電池管理。 

產(chǎn)品推薦：

量熱實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)設(shè)置：使用LiCoO2/graphite鋰離子電池進(jìn)行測(cè)試，電池放置在等溫量熱儀中，以保持恒定溫度（25°C）。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括電池測(cè)試儀（ARBINBT5HC）、等溫量熱儀（HEL iso-BTC）和主機(jī)計(jì)算機(jī)。恒流放電測(cè)試：電池在0.5C、1C、1.5C和2C的電流下進(jìn)行放電測(cè)試，截止電壓設(shè)置為2.75V。結(jié)果表明，ROEM和P2D模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

來(lái)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

Hazard Evaluation Laboratories 成立于1987年，總部設(shè)在倫敦，在中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、意大利、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿(mào)（北京）有限公司于 2020年在北京設(shè)立。H.E.L最初是一家過(guò)程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估的專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，對(duì)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過(guò)程研發(fā)項(xiàng)目；同時(shí)提供安全咨詢，包括事故調(diào)查、HAZOP研究、安全設(shè)施的設(shè)計(jì)及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過(guò)程工藝及安全專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，同時(shí)已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過(guò)程工藝優(yōu)化及反應(yīng)危害評(píng)估設(shè)備的國(guó)際集團(tuán)企業(yè)。

關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡(jiǎn)稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務(wù)價(jià)值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實(shí)驗(yàn)室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確分析和管理的全面解決方案，致力于協(xié)助客戶提高分析檢測(cè)的效率和水平。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機(jī)租賃業(yè)務(wù)/LUMTECH循環(huán)制備液相/靜音型雙頻超聲清洗/Knauer研發(fā)，中試和生產(chǎn)脂質(zhì)納米顆粒（LNP)碰撞噴射混合器系統(tǒng)/冰點(diǎn)滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國(guó)F-DGSi氮?dú)?，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學(xué)設(shè)備/LabOS實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)/MassWorks準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)測(cè)定及分子式識(shí)別系統(tǒng)/MsMetrix氣質(zhì)香精香料分析軟件/Sin-QuEChERS農(nóng)殘凈化柱/制藥企業(yè)質(zhì)量回顧性報(bào)告系統(tǒng)（QRS)/英國(guó)赫伊爾生物反應(yīng)器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

文章來(lái)自HEL微信公眾號(hào)，編號(hào)HEL2025-YJ-09/09。