【微信公众号】AESA论文推荐第7期:电池热模型与加热
发表时间:2021-01-07     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池热模型与加热,共10篇,电池老化内容包括:电池热模型(149)、电池自加热(24)、老化轨迹预测(3)、电池交流加热(35)、电池复合自加热(6)、电池热管理(7)、电池衰退分析(8)、电池自热进行锂枝晶愈合(10)。全部阅读预计用时16分钟,或按照对应标号阅读感兴趣的论文。分享知识是一种美德,如果喜欢,请把推送分享给您的同学、学生和身边可能有需要的人。

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论文一:传感器偏差下锂离子电池内部温度建模和监控

【分类】电池热模型

【题目】Core temperature modelling and monitoring of lithium-ion battery in the presence of sensor bias

【作者】Li Sun, Wen Sun, Fengqi You

【单位】Key Lab of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115243

【摘要】锂离子电池被认为是实现现代文明和可持续发展,推动无线革命和高效储能的有效技术。尽管在材料和制造方面取得了重大进展,但随着操作安全性和可靠性的认识不断提高,需要更有效的电池管理系统。内核温度,作为电池管理的基本变量,是很难测量的,必须通过其他可测量进行在线估算。当可测量变量存在传感器偏差、模型误差和传感器噪声时,估计内核温度将变得更具挑战性。为此,本文将辐射散热引入常规线性集总热模型中,以提高模型的精度。基于多目标优化,确定了非线性模型的未知参数,实验结果证实了所提出模型的优越性。传感器偏置被视为待估计状态之一。本文开发了扩展的无迹卡尔曼滤波器来处理非线性、测量噪声和传感器偏置。仿真和实验验证了该方法的有效性,结果表明:当表面温度或电流测量中存在偏差时,该方法仍可准确估算内核温度。

【关键词】锂离子电池;内核温度;扩展无迹卡尔曼滤波

【推荐理由】 该文章将原来省略的辐射热加入至集总热模型中,提高了模型精度,但引入了非线性量,而通过UKF进行非线性方程的处理。本文的重点是对于噪声的处理,将温度偏置视为状态量进行观测,解决了温度测量漂移的问题。这是对当前内部温度估计方法的补充。

【关键插图】

图1 锂离子电池模型辨识实验平台

图2 基于NSGA-II 算法的内外部温度多目标帕累托边界

图3 UKF和EUKF内部温度估计结果比较


论文二:一种面向锂离子电池低温自加热的紧凑型谐振开关电容加热器

【分类】电池自加热

【题目】A Compact Resonant Switched-Capacitor Heater for Lithium-Ion Battery Self-Heating at Low Temperatures

【作者】Shang, Yunlong. Liu, Kailong. Cui, Naxin. Wang, Nan. Li, Ke. Zhang, Chenghui

【单位】School of Control Science and Engineering, Shandong University, Shandong 250061, China

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TPEL.2019.2954703

【摘要】锂离子电池在寒冷的环境下会导致较大的能量损失和功率衰减,在电动汽车正常启动前需要对其进行加热。当前,许多由电池供能的内部交流加热方法实现了快速、高效率、均一性的加热。但是,由于体积大,成本高和交流频率低,现有的交流加热设备通常不适用于电动汽车。有鉴于此,本文提出了一种紧凑的谐振高频加热器实现了锂离子电池的有效自加热。具体而言,该加热器以谐振开关电容(RSC)核心,由车载电池组供电,易于实现。本文还详细推导了加热电流和效率的解析式,并通过不同的实验进行了验证。结果表明,所提出的RSC加热器无需使用外部设备就能有效地实现电池自加热。特别是,通过使用两个或多个并联的加热器,权衡了快速加热(2.67°C / min)和高效率(96.4%)。由于体积小,价格低,效率高和可靠性好,因此所提出的加热器还可以扩展到无人机,机器人,电话等电池领域。

【关键词】电动汽车;锂离子电池;谐振开关电容器加热器;自加热;零电流开关

【推荐理由】 该文章提出了一种基于LC震荡的加热器,解决了交流加热电源成本高体积大,应用潜力受限的问题。本文不仅给出了加热器的原理设计,还从建模方面给出了加热电流和加热效率的表达式,为后续的研究提供了基础理论参考。

【关键插图】

图1 面向n个电池模组的RSC加热器(a)基础加热器;(b)并联结构加热器

图2 电感电流和电容电压波形(L=5.68μH,C=1μF,40kHz)

图3 不同参数下加热效果比较


论文三:一种基于恒极化电压的锂离子电池最优频率快速低温内部加热策略

【分类】电池交流加热

【题目】A rapid low-temperature internal heating strategy with optimal frequency based on constant polarization voltage for lithium-ion batteries

【作者】Haijun Ruan, Jiuchun Jiang, et al.

【单位】National Active Distribution Network Technology Research Center (NANTEC); Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Beijing Jiaotong University, Beijing, China

【下载地址】http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.05.151

【摘要】基于电热耦合模型,恒极化电压被成功用于电池加热来实现在实现短加热时间和小电池寿命损伤直接的平衡。本文计算了在某一温度下最大生热速率的最优频率,这个频率与最小总阻抗的频率是不同的。就加热时间和效率而言,变频下的加热与恒频率基于相同。然而,变频的工程实现更困难,说明恒频率更具有前景。整个加热过程的最优频率总是低于初始温度下的频率,且可以用较低的计算量通过中间温度计算。实验结果表明与整个加热过程最大产热相关的最优频率下的加热时间是最短的且效率很高。电池从-15.4 ℃加热到5.6 ℃用时338s,平均温升速率3.73 ℃,且温度分布均匀。所提的加热策略通过实验验证没有对电池健康造成明显损失,对在寒冷天气下快速提高电动汽车性能有重要潜力。

【关键词】锂离子电池;低温;恒极化电压;最优频率;内部加热

【推荐理由】本文提出了一种基于恒极化电压的快速加热策略,加热最优频率通过最大生热速率计算得到,在没有对电池造成明显寿命损伤的基础下实现了电池低温快速加热,且加热效率较高。

【关键插图】

图1 使用的热电耦合模型

图2 内部加热过程五个温度点的温度变化


论文四:自加热锂离子电池计算设计与改进

【分类】电池热模型

【题目】An improved resistance-based thermal model for a pouch lithium-ion battery considering heat generation of posts

【作者】Yi Xie,Xiao-jing H, et al.

【单位】School of Automotive Engineering, Chongqing University, Chongqing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.114455

【摘要】建立了一种改进的方块(袋装)电池三维热模型,该模型将电池本体和集流柱的两个热子模型无缝集成,同时考虑了电池和集流柱产生的热量。电池主体的热子模型考虑了充电状态、电池温度和电流率对发热的影响。柱的热子模型基于识别的柱电阻和接触电阻,用于计算柱的温度演变。然后,应用热模型预测了不同环境温度和放电速率下方块锂离子电池的热演化。大量实验证明,该模型能够准确捕捉不同条件下的热行为,最大平均误差为1.23 K。此外,对比研究表明,该模型明显优于现有的典型模型,即发热估计仅依赖于充电状态的模型。

【关键词】方块(袋装)锂离子电池;热模型;产热;电阻模型;集流柱

【推荐理由】本文改进了原有的模型,采用新的热建模方式,误差低。

【关键插图】

图1 热电耦位置和电池尺寸(a)热电耦排列;(b)电池尺寸

图2 在环境温度为273.15 K和不同放电倍率下,放电结束时的温度分布图:(a)1C (b)2.5C和(C)3.5C


论文五:低温下锂离子电池脉冲预热的容量衰退最小化优化

【分类】电池交流加热

【题目】Capacity degradation minimization oriented optimization for the pulse preheating of lithium-ion batteries under low temperature

【作者】Xiaogang Wu, et al.

【单位】School of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101746

【摘要】预热锂离子电池可以有效解决其低温下性能较差的问题。脉冲加热被认为是预热的可行解决方案。但是,如果使用脉冲电流加热电池,则当采用不合适的频率和幅度值时,可能会导致容量显着下降。因此,应优化脉冲预热策略以减少容量下降。这项研究的重点是预热锂离子电池所需脉冲加热电流的频率和幅度的影响效果。基于其在不同温度下的电化学阻抗谱(EIS),建立了锂离子电池的电热模型。基于所提出的模型,获得了在不同频率和不同温度下脉冲电流的最大允许幅度,以减少析锂。此外,通过比较实验验证了该最佳策略,该实验以EIS和差分电压为指标。总体而言,结果表明,所提出的策略可以在308 s内将锂离子电池从-20°C加热到5°C,在30个循环后容量仅降低0.035%。

【关键词】锂离子电池;容量降低;电化学阻抗谱;低温预热

【推荐理由】基于不同温度下的电化学阻抗谱,获得电池热模型,并基于此模型提出不同温度和频率下的脉冲电流最大幅度。

【关键插图】

图1 研究框架

图2 基于电路等效模型仿真


论文六:低温下电池的复合自加热方法

【分类】电池复合自加热

【题目】A Hybrid Self-Heating Method for Batteries Used at Low Temperature

【作者】Jun Xu, Xuesong Mei, Haitao Wang, Junping Wang

【单位】Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TII.2020.3020302

【摘要】电池性能在低温下会显著降低。针对这一问题,提出了一种低温电池复合自加热方法(HSHM)。HSHM具有成本低、温升率高、能耗低等特点,在电池加热方面有着广泛的应用前景。设计了HSHM的物理结构和电气结构,分析了其工作原理。然后介绍了HSHM的加热策略,以此说明其加热性能。为了验证所提出的加热方法,搭建了实验台架。实验结果表明,即使在较小的加热电流下,HSHM的加热速度也足够快,加热所消耗的能量也较少。与传统的自加热方法相比,其温升速率提高了1.3倍,能量损失减少了55.6%。

【关键词】电池加热;低温;自加热;温升速率;能量损失;电池

【推荐理由】本文为电池低温自加热方法领域比较有代表性的一篇文章,可以帮助读者快速了解MOSFET的导通原理、在低温情况下的利用MOS发热的新型加热思路及其硬件平台,并通过控制电池放电电流以保证加热安全。最后对比了现有的各类加热方案的加热时间、温升速率以及能量损失。此外文中有加热平台的组件参数,可以快速学习其加热思路并复现。

【关键插图】

图1 所提出的复合自加热方法(a)物理结构;(b)自加热电路

图2 自加热电路的分析(a)MOSFET的导通特性(b)自加热电路的等效电路


论文七:功率型电池热能管理综述

【分类】电池热管理

【题目】A review of power battery thermal energy management

【作者】Zhonghao Rao, Shuangfeng Wang

【单位】Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.096

【摘要】本文综述了清洁汽车的发展,主要部分包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车,以及金属氢化物镍、锂离子和质子交换膜燃料电池等高能动力电池。

描述了电池的数学模型和热行为。详细讨论了各种热管理技术,特别是PCMs电池热管理系统和材料的热导率,并进行了比较。结果表明,电动汽车、混合动力汽车和燃料电池电动汽车是减少温室气体和污染物排放、节约能源的有效途径。在压力和滥用条件下,特别是在高放电率和高工作温度或环境温度下,传统的电池热能管理系统(如空气和液体)可能无法满足要求,热管可能更有效,但需要精心设计。此外,开发新的高温材料也很困难。PCM电池热管理是一个更好的选择,然而石蜡等相变材料的导热系数较低,采用了一些方法来强化相变材料的传热。改进后的PCMs在电池热管理系统中的性能和热机械性能有待实验研究。从节能、高效的角度探讨集热回收的可能性。

【关键词】节能;电动汽车;功率型电池;热能管理;相变材料

【推荐理由】本文基于有限元的方式提出的模拟方法,可以作为电池倍率放电时其本身温度场的分布,对可大倍率放电的软包电池温度分布预测及电动汽车电池模组热管理具有一定的借鉴意义。

【关键插图】

图1 使用气体的热管理

图2 使用液体的热管理

图3 锡箔电池组的结构

图4 铝制闭环PHP


论文八:锂离子电池的电化学阻抗谱分析

【分类】电池衰退分析

【作者】庄全超,徐守冬,邱祥云,崔永丽,方亮,孙世刚

【单位】中国矿业大学材料科学与工程学院,徐州

【下载地址】https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?FileName

【引用】庄全超,徐守冬,邱祥云,崔永丽,方亮,孙世刚.锂离子电池的电化学阻抗谱分析[J].化学进展,2010,22(06):1044-1057.

【摘要】电化学阻抗谱( EIS) 是研究电极/电解质界面发生的电化学过程的最有力工具之一, 广泛应用于研究锂离子在锂离子电池嵌合物电极活性材料中的嵌入和脱出过程。本文从分析嵌合物电极的 EIS 谱特征入手, 探讨了电化学阻抗谱中各时间常数的归属问题, 重点讨论了与锂离子嵌脱过程相关的动力学参数,如电荷传递电阻、活性材料的电子电阻、扩散以及锂离子扩散迁移通过固体电解质相界面膜( SEI 膜) 的电阻等,对电极极化电位和温度的依赖关系。

【关键词】锂离子电池;电化学阻抗谱;SEI膜;电子电导率;电荷传递电阻

【推荐理由】电化学阻抗谱是分析电池内部多个点化学反应过程的有力工具,本文详细介绍了嵌合物电极的电化学阻抗谱特征以及电化学阻抗谱的解析方法,十分有助于加深对电化学阻抗谱的认识以及应用。

【关键插图】

图1 锂离子在嵌合物电极中脱出和嵌入过程的典型电化学阻抗谱

图2 实用化嵌合物电极中嵌锂过程物理机制模型示意图


论文九:锂离子电池高温行为的联合建模和实验研究:差示扫描量热法、加速量热法和外部短路

【分类】电池热电耦合模型

【题目】Combined modeling and experimental study of the high-temperature behavior of a lithium-ion cell: Differential scanning calorimetry, accelerating rate calorimetry and external short circuit.

【作者】Christian Kupper, et al.

【单位】Institute of Energy Systems Technology (INES), Offenburg University of Applied Sciences, Germany

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.03.079

【摘要】本文通过差示扫描量热法(DSC)、加速量热法(ARC)和外部短路测试法(ESC)研究了圆柱形磷酸铁锂/石墨锂离子电池的高温行为。采用多物理场多尺度(1D + 1D + 1D)模型进行仿真。并且假设了两步电/热化学SEI形成机制,该模型能够定性地再现温度高达200℃的实验数据。模型假设和参数可以通过与实验结果的比较来评估,其中三种类型的实验(DSC、ARC、ESC)对模型参数表现出互补的敏感性。

【关键词】锂离子电池高温行为;联合建模;外部短路;SEI形成机制

【推荐理由】本文主要针对锂离子动力电池在高温状态下的特性,提出了外短路过程中SEI的生长模式,并以DSC、ARC和ESC为实验验证手段,建立了完整的热电耦合的仿真模型。通过三种实验下的电池高温行为,证实了SEI的生长假设的有效性。值得一提的是,三种实验条件(DSC、ARC、ESC)在模型参数相同的情况下,均可以成功实现模拟。

【关键插图】

图1 DSC实验与仿真结果(a)三种初始SOC下热流随温度的变化曲线;(b)阳极中各组分的体积分数变化(100%初始SOC);(c) 两种SEI膜反应在100%初始SOC下的反应速率

图2 ARC实验与仿真结果(a) 三种初始SOC下温度随时间的变化曲线;(b) 阳极中各组分的体积分数变化(100%初始SOC);(c) 两种SEI膜反应在100%初始SOC下的反应速率

图3 100%初始SOC下,三种不同截止条件的ESC实验与仿真结果(a) 电流随时间的变化曲线;(b) SOC值随时间的变化曲线


论文十:利用锂金属电池中的自热进行枝晶愈合

【分类】电池自热进行锂枝晶愈合

【题目】Exploiting self-heat in a lithium metal battery for dendrite healing

【作者】Prateek Hundekar, Swastik Basu, et al.

【单位】School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227435

【摘要】在过去的几十年里,锂离子电池主导了可充电电池的发展。这些LiB基于摇椅概念,锂(Li)离子在电极之间穿梭,电极在充电和放电期间充当离子的宿主。锂金属,理论比容量3860 mAh g-1是锂电池正极的理想选择。然而,锂金属作为阳极的使用受到电化学循环中不可避免的枝晶形成的困扰。这些枝晶与许多问题有关,包括不可逆的容量损失、降低的铌效率、电解质的干燥和降解以及电池的电短路和热失控。在这里,我们表明锂枝晶可以在锂金属电池中原位愈合,该锂金属电池具有基于磷酸铁锂的阴极和锂金属阳极。愈合是由电池的电流控制自加热触发的,这导致表面原子从枝晶尖端迁移,从而使枝晶表面平滑。计算热模型结合第一性原理密度泛函理论计算用于本研究,以了解锂原子在枝晶表面的扩散特性。锂枝晶的这种原位愈合可以消除短路的风险,并且能够为下一代高性能能量存储装置安全地部署锂金属电池。

【关键词】锂枝晶;锂枝晶愈合;电池自热

【推荐理由】本文证明了由磷酸铁锂/碳复合阴极和锂金属阳极组成的电池中锂枝晶通过自热成功愈合。

【关键插图】

图1 锂-锂对称电池中的枝晶形态(a)对称锂-锂电池示意图;(b)在低和高电流密度下运行的锂-锂对称电池的电位-时间曲线。描述在不同电流密度下循环的锂-锂对称电池中的锂金属电极的表面形态的扫描电镜图像;(c)~0.5mAcm-2(d) ~0.75mAcm-2

图2 计算热模型(a)锂枝晶和(b)电解质在较大枝晶密度范围内的平均温度以及电解质和锂之间的界面热导(图例显示界面电导单位为Wm-2K-1).该模型假设热量产生(焦耳加热)被限制在电解质内,并且该热量通过枝晶消散到集电器基板。电流密度对(c)枝晶和(d)电解液温升的影响(图例显示电流密度单位为mAcm-2).只有在电流密度高于10mAcm-2时,温度才有可能显著上升

图3 锂枝晶通过自热成功愈合

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