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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(lǐng)域的一個重要課題，特別是在電動汽車和大規(guī)模儲能系統(tǒng)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(guān)重要。對于鋰電池熱管理模型的未來發(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，實現(xiàn)對電池溫度的實時監(jiān)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(diào)整熱管理策略。

新型材料：開發(fā)高性能的導熱材料和相變材料，提高熱管理系統(tǒng)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(tǒng)與電池包設計一體化，減少空間占用和重量，提高系統(tǒng)的整體性能。例如，設計具有內(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，為熱管理設計提供更準確的理論支持。例如，結(jié)合分子動力學模擬和宏觀熱模型，

優(yōu)化電池材料和結(jié)構(gòu)。鋰電池的熱管理模型研究對于提高電池性能、安全性和可靠性至關(guān)重要。通過開發(fā)先進的熱模型、智能控制算法和新型材料，可以實現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟的熱管理系統(tǒng)，推動鋰電池技術(shù)的發(fā)展和應用。

案例：寬溫度范圍內(nèi)變固相擴散及參數(shù)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(huán)壽命和環(huán)境友好性，已成為電動汽車的首選電源。大多數(shù)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(fā)和驗證一個高精度且參數(shù)可在寬溫度范圍內(nèi)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(xiàn)。

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(shù)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(nèi)的真實動態(tài)。

參數(shù)分類與識別：基于鋰離子電池的多時間尺度特性，模型參數(shù)被分類，并設計了特定的測試來識別參數(shù)。通過從測試數(shù)據(jù)中提取不同的動態(tài)特性，逐步識別不同類型的參數(shù)。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(tài)（SD）和快動態(tài)（FD）參數(shù)。

結(jié)論：模型精度：通過在-20℃至45℃的寬溫度范圍內(nèi)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(shù)固相擴散模型（TCSEM）相比，TCSEM*在電壓和溫度預測方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，尤其是在零下溫度。

參數(shù)識別：通過逐步參數(shù)識別方法，成功識別了模型的所有參數(shù)，并通過Arrhenius或有理方程對溫度敏感參數(shù)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(jié)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(chǎn)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(huán)境溫度下，使用恒流恒壓（CCCV）充電模式將電池充滿電。放電過程：從滿電狀態(tài)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(shù)據(jù)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(mào)（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(yōu)化及反應危害評估的專業(yè)咨詢機構(gòu)，對研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)承接工藝過程研發(fā)項目；同時提供安全咨詢，包括事故調(diào)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(yè)咨詢機構(gòu)，同時已經(jīng)發(fā)展成為一家致力于為客戶提供專業(yè)的過程工藝優(yōu)化及反應危害評估設備的國際集團企業(yè)。

關(guān)于綠綿科技

　　2001年成立的北京綠綿科技有限公司(簡稱：綠綿科技)以體現(xiàn)客戶服務價值為宗旨，以專業(yè)精神和技能為廣大實驗室分析工作者提供樣品前處理、樣品制備及分析、實驗數(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的效率和水平。

　　主要代理產(chǎn)品：GC/MS/MS,LC/MS/MS新機租賃業(yè)務/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)/冰點滲透壓儀、液相/超高壓液相色譜儀、在線SPE液相色譜儀/法國F-DGSi氮氣，超高純氫氣氣體發(fā)生器，液氮發(fā)生器/Cytiva生命科學設備/LabOS實驗室運營系統(tǒng)/MassWorks準確質(zhì)量數(shù)測定及分子式識別系統(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)量回顧性報告系統(tǒng)（QRS)/英國赫伊爾生物反應器，電池絕熱量熱、催化劑合成。

文章來自HEL微信公眾號，編號HEL2025-YJ-10/10。