锂离子电池电化学降阶模型性能对比

可靠而高效的锂离子电池模型是电池管理系统状态估计与故障诊断的基础.采用偏微分方程描述的准二维(P2D)机理模型的参数多,虽然模型准确性高,但计算费时,需降阶处理才能更好地应用在车载电池管理系统.为此,基于相同模型参数,建立锂离子电池的P2D模型及其降阶模型—单粒子模型(SPM)和集总粒子模型(LPM),对三种电化学机理...     

基于扩展单粒子模型的锂离子电池参数识别策略

为了精确识别电动汽车锂离子动力电池的关键状态参数,基于多孔电极理论和浓度理论,建立了一种考虑液相动力学行为的锂离子电池扩展单粒子模型.相较于传统单粒子模型,该模型增加了对负电极表面固体电解质界面膜参数的描述,并考虑了温度和液相浓度变化对锂离子电池关键参数的耦合影响.基于所建立的扩展单粒子模型,提出一种简化的参数灵敏度分析方法和有效的锂电池参数识别策略,用以确定特定工况下的高灵敏度待识别参数,进而利用遗传算法实现参数的优化求解.最后,通过对比分析本文模型和传统单粒子模型的仿真输出电压和相同工况下电池的实验输出电压验证了提出模型和参数识别方法的有效性和可行性,为电池管理系统的健康状态估计提供了理论基础.     

基于电化学模型的锂离子电池多尺度建模及其简化方法

锂离子电池的精确建模和状态估计对于电动汽车电池管理系统非常重要,准二维(P2D)电化学模型由于计算复杂,难以直接应用于电池管理的参数在线估计和实时控制中.本文基于多孔电极理论和浓度理论,提出一种考虑锂离子液相动力学的简化准二维(SP2D)模型.忽略锂离子孔壁流量沿电极厚度方向的变化求解SP2D模型所描述的锂离子电池锂浓度分布,基于锂离子电池电化学平均动力学行为求解固相和液相电势变化,推导出电池电压计算的简化表达式;采用恒流、脉冲以及城市循环工况放电电流对比分析了严格P2D模型与SP2D模型的终端电压和浓度分布.结果表明:SP2D模型在保持较高计算精度的同时,可显著提高计算效率.     

基于分布参数系统和单粒子模型的锂离子电池工作状态实时监控模型

提出了一种基于分布参数系统偏微分方程描述和单粒子模型的锂离子电池工作状态实时监控建模方法,能够实时跟踪锂离子电池阳极的锂离子密度和残差变化,并通过仿真实验验证了本文模型对锂离子电池工作状态故障报警的有效性和精确性.     

基于单粒子模型与偏微分方程的锂离子电池建模与故障监测

锂离子电池内部结构是一种复杂的分布参数系统, 如果为了降低计算难度而使用常微分方程描述锂离子电池, 可能会引入系统误差, 降低系统模型的可信度, 需要使用偏微分方程建立分布参数系统的精确模型. 本文提出了一种基于单粒子模型和抛物型偏微分方程的锂离子电池系统建模与故障监测系统设计方法, 当锂离子浓度实测值与理想值的残差大于预设门槛时判定分布参数系统处于故障状态. 通过一个仿真实例进行了锂离子电池系统建模和故障诊断实验, 实验证明基于单粒子模型和偏微分方程的锂离子电池故障监测系统具有更高的精确度和可信度.     

基于遗传算法的锂离子电池等效电路参数识别

结合锂离子电池双极性等效电路模型提出了一种基于遗传算法的参数识别方法,该方法通过指数函数对电路模型中的电阻、电容、恒压源等元件进行有理逼近,根据电池在不同充放电速率下的输出电压特性数据,通过实数编码遗传算法得到最优的函数参数,从而得到最优的电阻、电容,开路电压等电路参数值,针对电池在不同的工作状态,不同的工作参数下的运行数据,系列仿真和实验结果表明该算法原理简明,收敛较快,辨识得到的最优模型其电压输出特性与电池的实际电压输出特性基本吻合,能较精确的反映电池的实际特性,具有较高的辨识精度。     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

锂离子电池多尺度数值模型的应用现状及发展前景

锂离子电池是一种较为复杂的电化学系统, 其涵盖质量传递、电荷传递、热量传递以及多种电化学反应等物理化学过程. 其不仅物理尺度跨越大, 从微观活性颗粒、极片、电芯跨越到电池模组, 还面临着成组配对以及均衡性的问题, 这些问题加剧了电池设计和性能综合评估的难度. 通过计算机数值仿真技术, 建立数学模型, 全面和系统地捕捉电池工作过程各物理场的相互作用机理, 分析其演化规律, 能够为优化电池系统设计提供理论支撑. 本文对锂离子电池的数值模型研究进展和发展趋势进行了综述. 同时对主要理论模型进行了分类整理, 总结了它们的特点、适用范围和局限性, 指出了将来进一步研究的方向和难点所在, 这些对锂离子电池多尺度数值模型的理论研究和工程应用都具有指导性的意义.     

基于电化学与热能的耦合关系演算聚合物锂离子动力电池的温度状态及分布

基于电化学-热耦合模型研究聚合物锂离子动力电池放电过程热行为, 分析了放电倍率、冷却条件对电池放电过程的温度变化及分布的影响规律. 结果表明: 3C放电时, 模型计算结果与实测结果的平均偏差为0.57 K, 方差为0.15, 说明模型准确度较高. 电芯的平均生热率在整个放电过程中呈现出增加的趋势, 初期和末期增长较快. 大倍率放电时, 与电流密度的平方呈正比的不可逆热所占的比重较大, 小倍率放电时, 电化学反应可逆热占主导. 改善冷却条件能降低电池放电过程的平均温度, 对流传热过程的表面传热系数为5 W/(m²·K), 1 C, 3 C, 5 C放电结束时, 电芯的平均温升为分别为6.46 K, 17.67 K, 27.53 K, 当对流传热过程的表面传热系数增加至25 W/(m²·K)时, 温升比自然对流条件下相同倍率放电时的温度分别降低了2.91 K, 4.68 K, 5.62 K, 但电芯温度分布的不一致性也会加剧. 关键词： 电化学 耦合 锂离子动力电池 温度分布     

包含液相扩散方程简化的锂离子电池电化学模型

锂离子电池的电化学模型对于电池特性分析和电池管理具有重要意义,但是准二维(P2D)模型复杂度太高,为了在保证模型精度的基础上尽量降低复杂度,本文提出了一种包含液相简化的P2D (LSP2D)模型,该模型首先基于电化学平均动力学将电池端电压化简成为仅耦合固相Li+浓度c_s和液相Li+浓度c_e的方程,然后进一步对表达c_s和c_e演化规律的偏微分方程进行抛物线近似化简,使得最终的模型由多项式组成.COMSOL仿真表明在放电倍率为1C时该模型与单粒子(SP)模型的估算精度和速度相当,但在放电倍率为3C时,该模型的估算时间比P2D模型减少了99.73%,与SP模型相当,估算精度相比SP模型有大幅度提升.     

一种基于简化电化学模型的锂电池互联状态观测器

锂电池正、负极固相浓度分布以及荷电状态的精确估计对于开发锂电池工作状态的实时监控算法,进而构建高效、可靠的锂电池管理系统具有重要意义.本文基于多孔电极理论和浓度理论,提出基于扩展单粒子模型的锂电池关键内部参数识别的优化模型和方法;在该电化学模型简化的基础上,提出一种基于H_∞鲁棒控制理论框架的锂电池新型双向互联观测器,可同时实现对锂电池正、负电极浓度及荷电状态的估计,并通过对比分析不同工况下的仿真结果和实验数据,对所提出的互联观测器性能进行了系统验证.结果表明：所设计的互联观测器能够准确预测锂电池的输出电压和荷电状态,有效提高了锂电池系统模型的动态性能和鲁棒稳定性,为锂电池管理系统的开发奠定了理论基础.     

Analysis on the capacity degradation mechanism of a series lithium-ion power battery pack based on inconsistency of capacity

The lithium-ion battery has been widely used as an energy source. Charge rate, discharge rate, and operating tem- perature are very important factors for the capacity degradations of power batteries and battery packs. Firstly, in this paper we make use of an accelerated life test and a statistical analysis method to establish the capacity accelerated degradation model under three constant stress parameters according to the degradation data, which are charge rate, discharge rate, and operating temperature, and then we propose a capacity degradation model according to the current residual capacity of a Li-ion cell under dynamic stress parameters. Secondly, we analyze the charge and discharge process of a series power battery pack and interpret the correlation between the capacity degradations of the battery pack and its charge/discharge rate. According to this cycling condition, we establish a capacity degradation model of a series power battery pack under inconsistent capacity of cells, and analyze the degradation mechanism with capacity variance and operating temperature difference. The comparative analysis of test results shows that the inconsistent operating temperatures of cells in the series power battery pack are the main cause of its degradation; when the difference between inconsistent temperatures is narrowed by 5 ℃, the cycle life can be improved by more than 50%. Therefore, it effectively improves the cycle life of the series battery pack to reasonably assemble the batteries according to their capacities and to narrow the differences in operating temperature among cells.     

全固态锂离子电池内部热输运研究前沿

本文简要阐述了全固态锂离子电池的特点及其内部热输运研究的意义.介绍并总结了国内外与正极材料、负极材料、固态电解质,以及电极与电解质界面热输运性质相关的实验和理论工作.针对脱嵌锂过程对电极材料热导率的影响机理尚不明确,非晶态转变对电极材料热输运研究的挑战,界面热输运模型与方法不足等问题,系统梳理了全固态锂离子电池内部热输运的重要前沿科学问题.     

锂离子动力电池极片的激光切割分析

为适应锂离子动力电池行业发展需求,寻求一种高效高质切片方式,本文研究了多种激光器的切片质量。通过影像测量仪和扫描电镜(SEM)对比发现,100 ns脉宽调Q型1 064 nm光纤激光器切割正极铝箔时毛刺和热影响区(HAZ)约为15μm和60μm,切负极铜箔时HAZ约为200μm; 20 ns脉宽的MOPA光纤激光器切割铝箔毛刺10μm,HAZ约为20μm,切铜箔时HAZ约70μm;脉宽为10 ps的固体激光器切割铝箔毛刺和HAZ分别约为6μm和10μm,切铜箔时实现无熔融重凝区; 20 ns脉宽的355 nm紫外和532 nm的绿光固体激光器切割铝箔HAZ分别为10μm和17μm,切铜箔时HAZ则分别为大于70μm和100μm。实验结果表明:脉宽越窄,重复频率越高,切割的极片质量越好,ps激光器切割的极片精度最高,质量最好,是切割极片最理想激光器。而目前,频率高、脉宽相对窄的MOPA光纤激光器切割速度最高,切割的正极片完全满足工业要求,更适合极片切割的工业推广。     

Enhancement of electrochemical performance in lithium-ion battery via tantalum oxide coated nickel-rich cathode materials

Nickel-rich cathode materials are increasingly being applied in commercial lithium-ion batteries to realize higher specific capacity as well as improved energy density. However, low structural stability and rapid capacity decay at high voltage and temperature hinder their rapid large-scale application. Herein, a wet chemical method followed by a post-annealing process is utilized to realize the surface coating of tantalum oxide on LiNi_0.88Mn_0.03Co_0.09O₂, and the electrochemical performance is improved. The modified LiNi_0.88Mn_0.03Co_0.09O₂ displays an initial discharge capacity of ～ 233 mAh/g at 0.1 C and 174 mAh/g at 1 C after 150 cycles in the voltage range of 3.0 V-4.4 V at 45℃, and it also exhibits an enhanced rate capability with 118 mAh/g at 5 C. The excellent performance is due to the introduction of tantalum oxide as a stable and functional layer to protect the surface of LiNi_0.88Mn_0.03Co_0.09O₂, and the surface side reactions and cation mixing are suppressed at the same time without hampering the charge transfer kinetics.     

大功率锂离子电池储能电源系统的研制与应用

采用高功率高安全性的磷酸铁锂电芯作为储能元件,研制了一种在车载平台中应用的大功率储能电源。在储能电源中配置了高性能的电池采样和主动均衡模块,以及充放电管理系统,可以有效地提高系统可靠性和使用寿命。研制过程中,大功率储能电源进行了大量的工程化试验考核,包括运输安全性、环境适应性、维修性和任务可靠性等工程化指标。最后,21台储能电源在超过55 ℃的高温地区考核超过12个月,储能电源系统的可靠性得到验证。     

Electrochemical properties of SnO2 nanorods as anode materials in lithium-ion battery

Well-dispersed SnO2 nanorods with diameter of 4-15 nm and length of 100-200 nm are synthesised through a hydrothermal route and their potential as anode materials in lithium-ion batteries is investigated. The observed initial discharge capacity is as high as 1778 mA·h/g, much higher than the theoretical value of the bulk SnO2 (1494 mA·h/g). During the following 15 cycles, the reversible capacity decreases from 929 to 576 mA·h/g with a fading rate of 3.5% per cycle. The fading mechanism is discussed. Serious capacity fading can be avoided by reducing the cycling voltages from 0.05-3.0 to 0.4-1.2 V. At the end, SnO2 nanorods with much smaller size are synthesized and their performance as anode materials is studied. The size effect on the electrochemical properties is briefly discussed.     

广义平面应变锂离子电池柱形梯度材料颗粒电极中扩散诱导应力分析

柱形梯度材料是最有潜力的锂离子电池电极之一. 为了研究恒压充电过程中柱形梯度材料颗粒电极下力学机理, 以Li_1.2(Mn_0.62Ni_0.38)_0.8O₂为例, 讨论弹性模量、扩散系数和偏摩尔体积三个重要材料参数对应力场影响. 并推导出非均匀柱形颗粒电极的扩散方程和力学方程. 结果表明, 柱形梯度材料纳米电极, 沿着半径方向Mn 的材料组分升高Ni 的材料组分降低, 其材料结构有利于降低最大径向应力和环向拉应力, 有效地避免电极的力学失效现象. 并根据计算结果, 对梯度材料电极提出材料结构优化建议.