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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前能源存儲領域的一個重要課題，特別是在電動汽車和大規模儲能系統中。有效的熱管理對于提高鋰電池的性能、安全性和壽命至關重要。對于鋰電池熱管理模型的未來發展方向，

研究者有很多期待：智能熱管理：利用傳感器和控制算法，實現對電池溫度的實時監測和智能控制。例如，通過機器學習算法預測電池的熱行為，提前調整熱管理策略。

新型材料：開發高性能的導熱材料和相變材料，提高熱管理系統的效率和響應速度。例如，石墨烯等新型材料在熱管理中的應用前景廣闊。

集成化設計：將熱管理系統與電池包設計一體化，減少空間占用和重量，提高系統的整體性能。例如，設計具有內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，為熱管理設計提供更準確的理論支持。例如，結合分子動力學模擬和宏觀熱模型，

優化電池材料和結構。鋰電池的熱管理模型研究對于提高電池性能、安全性和可靠性至關重要。通過開發先進的熱模型、智能控制算法和新型材料，可以實現更高效、更經濟的熱管理系統，推動鋰電池技術的發展和應用。

案例：寬溫度范圍內變固相擴散及參數辨識的簡化鋰離子電化學電池模型

背景:鋰離子電池（LIBs）因其高能量密度、低自放電、長循環壽命和環境友好性，已成為電動汽車的首選電源。大多數電化學模型未能捕捉鋰離子電池的可變固相擴散過程和低溫特性，限制了模型的精度和在極端氣候條件下的應用。本文的目的是開發和驗證一個高精度且參數可在寬溫度范圍內識別的熱耦合簡化電化學模型（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用性能，特別是在低溫條件下的表現。

研究方法：簡化電化學模型（SEM）：文章提出了一個考慮了集中參數和濃度依賴的固相擴散的熱耦合簡化電化學模型。該模型特別考慮了固相擴散的濃度依賴性，以更準確地反映固相顆粒內的真實動態。

參數分類與識別：基于鋰離子電池的多時間尺度特性，模型參數被分類，并設計了特定的測試來識別參數。通過從測試數據中提取不同的動態特性，逐步識別不同類型的參數。測試設計：設計了脈沖放電（PD）測試、混合脈沖功率特性（HPPC）測試和放電-冷卻測試，以識別熱力學（TD）、慢動態（SD）和快動態（FD）參數。

結論：模型精度：通過在-20℃至45℃的寬溫度范圍內的恒流放電測試，驗證了所提出的模型（TCSEM*）在預測電池端電壓和溫度方面的高精度。與常數固相擴散模型（TCSEM）相比，TCSEM*在電壓和溫度預測方面表現出顯著的優越性，尤其是在零下溫度。

參數識別：通過逐步參數識別方法，成功識別了模型的所有參數，并通過Arrhenius或有理方程對溫度敏感參數進行了擬合。健康意識特性圖：基于驗證的模型，生成了一個考慮固相擴散約束的健康意識特性圖，用于預測電池的功率能力。結果表明，通過適當犧牲電池功率能力，可以滿足固相擴散約束。

產品推薦：量熱實驗：使用等溫量熱儀（HEL iso-BTC）實驗設置：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LiCoO?，負極材料為石墨，測試容量為2.32Ah，標稱電壓為3.7V。

電池準備：在25°C的環境溫度下，使用恒流恒壓（CCCV）充電模式將電池充滿電。放電過程：從滿電狀態開始，以5% SOC的步長逐步放電至下限截止電壓（2.75V）。每個放電脈沖后，電池休息2小時，以達到熱力學平衡。

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。測試在不同的等溫條件下進行，具體溫度見表3。數據記錄：記錄每個放電脈沖后的電壓響應，特別是relaxation 期間的電壓恢復特性。

來源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，總部設在倫敦，在中國、美國、德國、意大利、印度擁有分公司。全資的赫伊爾商貿（北京）有限公司于 2020年在北京設立。H.E.L最初是一家過程工藝優化及反應危害評估的專業咨詢機構，對研究機構和生產企業承接工藝過程研發項目；同時提供安全咨詢，包括事故調查、HAZOP研究、安全設施的設計及制度管理等。目前，H.E.L是全球首屈一指的過程工藝及安全專業咨詢機構，同時已經發展成為一家致力于為客戶提供專業的過程工藝優化及反應危害評估設備的國際集團企業。

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文章來自HEL微信公眾號，編號HEL2025-YJ-10/10。