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H.E.L鋰電池的熱管理模型研究 2—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。對(duì)于鋰電池?zé)峁芾砟Ｐ偷奈磥?lái)發(fā)展方向，

研究者有很多期待：智能熱管理：利用傳感器和控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制。例如，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法預(yù)測(cè)電池的熱行為，提前調(diào)整熱管理策略。

新型材料：開(kāi)發(fā)高性能的導(dǎo)熱材料和相變材料，提高熱管理系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度。例如，石墨烯等新型材料在熱管理中的應(yīng)用前景廣闊。

集成化設(shè)計(jì)：將熱管理系統(tǒng)與電池包設(shè)計(jì)一體化，減少空間占用和重量，提高系統(tǒng)的整體性能。例如，設(shè)計(jì)具有內(nèi)置冷卻通道的電池模塊。

多尺度建模：從微觀到宏觀的多尺度建模，可以更全面地描述電池的熱行為，為熱管理設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的理論支持。例如，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬和宏觀熱模型，

優(yōu)化電池材料和結(jié)構(gòu)。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(kāi)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：寬溫度范圍內(nèi)變固相擴(kuò)散及參數(shù)辨識(shí)的簡(jiǎn)化鋰離子電化學(xué)電池模型

背景:鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、低自放電、長(zhǎng)循環(huán)壽命和環(huán)境友好性，已成為電動(dòng)汽車的首選電源。大多數(shù)電化學(xué)模型未能捕捉鋰離子電池的可變固相擴(kuò)散過(guò)程和低溫特性，限制了模型的精度和在極端氣候條件下的應(yīng)用。本文的目的是開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證一個(gè)高精度且參數(shù)可在寬溫度范圍內(nèi)識(shí)別的熱耦合簡(jiǎn)化電化學(xué)模型（Thermal-Coupled Simplified Electrochemical Model, TCSEM*），用于鋰離子電池（LIBs）。該模型旨在提高鋰離子電池在極端氣候條件下的應(yīng)用性能，特別是在低溫條件下的表現(xiàn)。

研究方法：簡(jiǎn)化電化學(xué)模型（SEM）：文章提出了一個(gè)考慮了集中參數(shù)和濃度依賴的固相擴(kuò)散的熱耦合簡(jiǎn)化電化學(xué)模型。該模型特別考慮了固相擴(kuò)散的濃度依賴性，以更準(zhǔn)確地反映固相顆粒內(nèi)的真實(shí)動(dòng)態(tài)。

參數(shù)分類與識(shí)別：基于鋰離子電池的多時(shí)間尺度特性，模型參數(shù)被分類，并設(shè)計(jì)了特定的測(cè)試來(lái)識(shí)別參數(shù)。通過(guò)從測(cè)試數(shù)據(jù)中提取不同的動(dòng)態(tài)特性，逐步識(shí)別不同類型的參數(shù)。測(cè)試設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了脈沖放電（PD）測(cè)試、混合脈沖功率特性（HPPC）測(cè)試和放電-冷卻測(cè)試，以識(shí)別熱力學(xué)（TD）、慢動(dòng)態(tài)（SD）和快動(dòng)態(tài)（FD）參數(shù)。

結(jié)論：模型精度：通過(guò)在-20℃至45℃的寬溫度范圍內(nèi)的恒流放電測(cè)試，驗(yàn)證了所提出的模型（TCSEM*）在預(yù)測(cè)電池端電壓和溫度方面的高精度。與常數(shù)固相擴(kuò)散模型（TCSEM）相比，TCSEM*在電壓和溫度預(yù)測(cè)方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，尤其是在零下溫度。

參數(shù)識(shí)別：通過(guò)逐步參數(shù)識(shí)別方法，成功識(shí)別了模型的所有參數(shù)，并通過(guò)Arrhenius或有理方程對(duì)溫度敏感參數(shù)進(jìn)行了擬合。健康意識(shí)特性圖：基于驗(yàn)證的模型，生成了一個(gè)考慮固相擴(kuò)散約束的健康意識(shí)特性圖，用于預(yù)測(cè)電池的功率能力。結(jié)果表明，通過(guò)適當(dāng)犧牲電池功率能力，可以滿足固相擴(kuò)散約束。

產(chǎn)品推薦：量熱實(shí)驗(yàn)：使用等溫量熱儀（HEL iso-BTC）實(shí)驗(yàn)設(shè)置：使用了由Sanyo公司制造的18650型圓柱形鋰離子電池，正極材料為L(zhǎng)iCoO?，負(fù)極材料為石墨，測(cè)試容量為2.32Ah，標(biāo)稱電壓為3.7V。

電池準(zhǔn)備：在25°C的環(huán)境溫度下，使用恒流恒壓（CCCV）充電模式將電池充滿電。放電過(guò)程：從滿電狀態(tài)開(kāi)始，以5% SOC的步長(zhǎng)逐步放電至下限截止電壓（2.75V）。每個(gè)放電脈沖后，電池休息2小時(shí)，以達(dá)到熱力學(xué)平衡。

溫度控制：為了保持恒定的電池溫度，使用等溫量熱儀提供等溫條件。測(cè)試在不同的等溫條件下進(jìn)行，具體溫度見(jiàn)表3。數(shù)據(jù)記錄：記錄每個(gè)放電脈沖后的電壓響應(yīng)，特別是relaxation 期間的電壓恢復(fù)特性。

來(lái)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，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)猓呒儦錃鈿怏w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-10/10。