【微信公众号】AESA论文推荐第9期:电池老化与电池安全
发表时间:2021-01-20     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池老化与电池安全,共10篇。电池老化内容包括:电池老化机理(1,2)、电极SOC、SOH估计(2)、电池组老化建模(3)、电池寿命预测(4)、电池老化机理建模与应用(5)、融合超声特征的SOC和SOH状态估计(6);电池安全内容包括:电池滥用安全(7,8)、电池滥用安全模型(9)、电池低温加热(10)。全部阅读预计用时18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。

微信公众号推送


论文一:大容量磷酸铁锂电池不同充电模式的低温老化机理识别及锂沉积

【分类】电池老化

【题目】Low temperature aging mechanism identification and lithium deposition in a large format lithium iron phosphate battery for different charge profiles

【作者】Ouyang, Minggao; Chu, Zhengyu; Lu, Languang; Li, Jianqiu, et al.

【单位】State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.03.178

【摘要】由于锂离子在负极上的沉积,低温下的充电过程严重缩短了锂离子电池的循环寿命。本文通过循环寿命试验,研究了充电电流率和截止电压对大容量磷酸锂电池低温(-10℃)老化机理的影响。当充电电流达到0.25C或截止电压达到3.55V时,容量衰减速度加快,因此应重新考虑低温充电时的预定电流和电压,以避免容量衰减。锂离子沉积是导致电池低温老化的一个重要原因,拆解老化的电池后,我们发现负极表面会出现针状的锂离子沉积。为了证实我们的解释,我们进行了增量容量分析(ICA)以确定锂沉积引起的电池老化机制的特征。此外,采用机理模型对老化机理进行量化,并用粒子群优化算法(PSO)对老化机理进行参数估计。二次SEI形成和死锂导致的可逆锂的损失被证实是导致老化的原因。

【关键词】锂离子电池;低温老化;低温充电;析锂;容量增量分析

【推荐理由】本文开展了低温条件下的磷酸铁锂电池的老化试验,揭示了电池低温老化原理与充电倍率及截止电压的关系。本文对理解电池低温老化和快充间的矛盾关系具有重要意义。

【关键插图】

图1:不同充电参数40次循环后容量损失率的转折点:(a)充电倍率;(b)充电截止电压。


论文二:基于局部体积膨胀准则的锂离子袋状电池最佳快速充电

【分类】电池老化

【题目】Optimum fast charging of lithium-ion pouch cells based on local volume expansion criteria

【作者】Spingler, Franz B, Wittmann, Wilhelm, Sturm, Johannes, Rieger, Bernhard, et al.

【单位】Institute for Electrical Energy Storage Technology, Technical University of Munich (TUM), Arcisstr. 21, 80333 Munich, Germany.

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.04.095

【摘要】高能量锂离子电池的快速充电在许多应用中都是需要的,但目前缺乏简单的方法来确定电池在不受损伤的情况下所能接受的最大充电电流。本文探讨了锂离子电池石墨负极局部体积膨胀与锂沉积之间的联系,提出了一种利用这一关系设计快速充电策略的方法。商业镍锰钴锂氧化物/石墨袋电池在各种条件下运行时,我们使用激光三角测量法在短时间间隔内测量整个表面的膨胀,发现不可逆膨胀和膨胀过冲与电压弛豫曲线、拆解分析和容量损失有关。利用所提出的方法,我们推导了一个快速充电工况,并在1000个循环的循环研究中进行了验证。与1C恒流恒压充电相比,快速充电工况使每循环的充电时间减少11%,容量损失减少16%。

【关键词】锂离子电池;电池老化;局部膨胀;快速充电;析锂

【推荐理由】本文使用激光测量电池充电过程中的局部膨胀,以反映析锂,设计电池快充方法。本文的实验研究对理解电池的局部老化与快充具有重要意义。

【关键插图】

图1:二维厚度扫描试验台示意图。两个激光头在平行于电池表面移动的同时进行连续的垂直线扫描,覆盖整个电池。在预处理步骤中,厚度数据在空间上离散成99个矩形

图2:在不同充电倍率下从0%荷电状态充电至100%荷电状态时电池膨胀。a) 显示在1.5C和2.0C时,电池表面的平均膨胀和严重的膨胀过冲。在CC-CV充电结束时,倍率较高的电池显示出更大的平均电池厚度,即并非所有的膨胀过冲都是可逆的。过冲可能是由镀锂引起的,随后大部分(但不是全部)镀锂的剥离(b-d)显示,在不同的倍率下,局部过冲高达50μm。


论文三:电动汽车锂离子电池组寿命分析的多物理场建模

【分类】电池组老化建模

【题目】Multiphysical modeling for life analysis of lithium-ion battery pack in electric vehicles

【作者】Quan Xia, Dezhen Yang, Zili Wang, Yi Ren. et al.

【单位】School of Reliability and Systems Engineering, Beihang University, Beijing, 100191, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109993

【摘要】随着电池寿命要求的不断提高,电池组寿命的建模、分析和管理已成为电动汽车设计中的重要课题。本文提出了一种更现实、通用的建模方法,耦合了电池的电化学、热、单体SEI形成模型、流体动力学和串并联电路模型,以准确描述耦合关系并量化包括温度和电流在内的不一致性,建立了包括容量衰减和可靠性的寿命模型,以评估锂离子电池组系统(LIBP)的寿命。建立了提高模型计算精度和效率的模型实现方法,并从电化学、衰退、热性能和耦合效应等方面进行了实验验证。此外,还分析和预测了LIBP在不同情况下的多物理场行为和寿命,然后分析了耦合效应、不一致、可靠性和经济性。结果表明,LIBPs的衰退速率在整个生命过程中先降低后加速。此外,添加串联电池对于延长LIBP的寿命是不经济的。最后,提出了一种改变气流方向的SoH平衡管理方法,以延长LIBP的寿命,并获得针对不同SoH不一致的最优策略。

【关键词】多物理场建模;可靠性寿命;电池组;热不一致;电流不一致;SoH平衡

【推荐理由】本文详细描述了考虑电-热-老化动力电池模组建模和策略研究的全过程,是一篇具有参考价值的动力电池成组建模研究论文。

【关键插图】

图1:模型实施方法示意图

图2:老化结果(3*5和3*8模组)

图3:不同热管理方案的仿真结果


论文四:基于混合模型的电池早期循环寿命预测

【分类】寿命预测

【题目】Prognostics of battery cycle life in the early-cycle stage based on hybrid model

【作者】Yu Zhang, Zhen Peng, Yong Guan, Lifeng Wu

【单位】College of Information Engineering, Capital Normal University, Beijing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119901

【摘要】准确预测锂离子电池在早期循环阶段的剩余使用寿命(RUL)可加快电池的改进和优化。然而,特征量在早期阶段的缓慢变化和较弱的可预测性使其难以预测RUL。为了克服这个问题,本文提出了一种混合预测模型,该模型将随机森林(RF)、人工蜂群(ABC)和通用回归神经网络(GRNN)集成在一起,称为RF-ABC-GRNN。首先,通过对在放电初期,放电容量、端电压、放电电流和内部电阻等变化较慢的原始特征进行线性和非线性变换,获得新特征空间。第二,RF用于测量和评估这些新特征的重要性,以筛选出高度重要的功能组合。第三,构建了基于GRNN的预测模型。考虑到模型的平滑参数对预测性能有很大影响,因此采用ABC进行参数优化。最后,为了验证模型的性能,使用了尚未表现出明显退衰退的初始循环数据。比较结果表明,所提出的模型可以有效地筛选出重要特征,并能更早地做出准确的预测。

【关键词】锂离子电池;剩余寿命;早期循环阶段;随机森林;人工蜂群;通用回归神经网络

【推荐理由】早期寿命预测是当前动力电池寿命预测领域的热点问题,本文是一种基于多种机器学习方法的早期动力电池寿命预测尝试,具有学习和参考价值。

【关键插图】

图1:基于RF-ABC-GRNN模型的RUL预测框架图

图2:实验平台

图3:所有特征量的重要性排名


论文五:基于电化学阻抗谱预测NCA电池过充导致的“容量跳水”

【分类】电池老化机理建模与应用

【题目】Prediction of overcharge-induced serious capacity fading in nickel cobalt aluminum oxide lithium-ion batteries using electrochemical impedance spectroscopy

【作者】Norihiro Togasaki, Tokihiko Yokoshima, Yasumasa Oguma, Tetsuya Osaka

【单位】Research Organization for Nano and Life Innovation, Waseda University, 513 Waseda-tsurumaki-cho, Shinjuku-ku, Tokyo, 162-0041, Japan

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228168

【摘要】锂离子电池的老化预测是保证电池安全的关键。本研究首次提出可以利用电化学阻抗谱(EIS)来预测锂离子电池在过充电过程中的容量迅速衰减现象。镍钴铝氧化物(NCA)锂离子电池的上截止电压(UCV)为4.4 V,在过充条件下会出现两个阶段的容量衰减。在第一阶段,容量衰减较为缓慢,在 UCV=4.2V和UCV=4.4V下循环的电池容量大致相同,电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)表明过充电会导致镍(Ni)和钴(Co)在负极表面沉积。利用EIS将部分正极材料溶解沉积现象模拟成增强的阻抗信号,代表第一阶段的电荷转移阻抗和负极界面电容,从而可以提前预测第二阶段剧烈的容量衰减,以防止电池进一步损坏。

【关键词】电化学阻抗谱;锂离子电池;过充电;等效电路;容量衰减预测

【推荐理由】本文针对电池过充,从EIS的角度结合适当的等效电路模型,将容量缓慢衰减阶段负极出现的金属沉积对应为电荷转移阻抗和界面电容的增强阻抗信号,进而实现对第二阶段的“容量跳水”现象的提前有效预测,提供了一个很好的思路。

【关键插图】

图1:NCA电池在3.7V-不同上截止电压下(UCV=4.2V, UCV=4.4V)循环的充放电容量。当UCV=4.4V时,电池过充,存在两阶段的容量衰退现象,且在第一阶段,两种上截止电压下的容量变化几乎相同。

图2:对NCA正极的(a)电荷转移阻抗,(b)界面电容;(c)石墨负极的电荷转移阻抗,(d)界面电容的拟合结果。电池分别在3.47V~4.20V和3.47V~4.40V下进行充放电循环。注意到,当UCV=4.4V时,负极电荷转移阻抗在很早的阶段就发生了变化,即该阻抗可以表明此时过渡元素开始在负极沉积,可以作为第二阶段容量迅速衰减的一个预警指标。


论文六:基于电化学声学传播时间的SOC和SOH状态估计

【分类】融合超声特征的SOC和SOH状态估计

【题目】State of Charge and State of Health Estimation Using Electrochemical Acoustic Time of Flight Analysis

【作者】Greg Davies, Kevin W. Knehr, Barry Van Tassell

【单位】Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Princeton University, Princeton,USA

【下载地址】https://doi.org/10.1149/2.1411712jes.

【摘要】超声分析可用于预测锂离子软包电池的荷电状态和健康状态。将可重复的超声信号提炼为两个关键指标:飞行位移时间和总信号幅度,然后在机器学习技术中与电压数据一起建立SOC预测模型。通过此预测模型钴酸锂和磷酸铁锂电池的SOC预测精度都可以降到1%。利用弹性波传播理论解释了超声波信号的变化与循环过程中活性材料的材料性质(即弹性模量和密度)的变化有关。

【关键词】锂离子电池;超声检测;支持向量机

【推荐理由】超声作为一种无损表征手段,具有灵敏度高、成本低、使用方便、速度快等优点,对于电池特性表征领域具有巨大的应用潜力。本文采用机器学习算法-支持向量机(Support Vector Machine,SVM),结合超声信号和电信号实现SOC和SOH准确估计,预测精度小于1%。

【关键插图】

图1:超声检测系统概念图。在电池充放电时,将一对压电换能器固定在通过锂离子电池两侧,信号发生器发射电信号,通过一端压电换能器高频振动产生超声波在电池内传播,另一侧接收超声信号并转化成电信号传播到接收器进行信号处理并分析。

图2:(a)LCO软包电池以C/20充放电速率在相邻循环周期内的超声信号波形变化。TOF分别以红色和蓝色显示最大和最小波形振幅。(b)将相同的超声波数据计算出飞行时间和幅度。蓝线和红线分别表示单个TOF偏移和幅度测量。可以看出在小倍率恒流充放循环下TOF与SA呈规律性变化,且TOF与SOC趋近线性关系。

图3:比较电压(V)、飞行时间(T)和振幅(A)组合输入的SOC估计精度(a)LCO电池;(b)LFP电池。结合超声特征可以明显提高SOC的预测精度,如果结合更多的声信号和电信号,更复杂的方法,精度可以进一步提高。


论文七:轻微的过度充电循环引起的老化商用18650锂离子电池的老化机理和热稳定性

【分类】电池滥用安全

【题目】Aging mechanisms and thermal stability of aged commercial 18650 lithium ion battery induced by slight overcharging cycling

【作者】Jialong Liu, Qiangling Duan, Mina Ma, Chunpeng Zhao, Jinhua Sun, Qingsong Wang

【单位】State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei, 230026, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227263

【摘要】由于电池组的不一致性和充电装置的故障,锂离子电池会出现轻微的过度充电,甚至导致热失控。基于增量容量分析和电化学阻抗谱,对锂离子电池在轻微的过度充电循环下的老化行为和机理进行了定性和定量研究。结果表明,由于失去活性物质,轻微的过度充电会加速电池老化。同时,传导损耗对容量衰减的影响较小。锂密度损失的影响处于中等水平。因此建议将增量容量分析和阻抗估计用于在线检测过度充电循环。此外,使用扩展体积加速率量热仪研究了老化电池的热稳定性。结果表明老化电池的稳定性变差。由于过充电下的锂电镀,阳极在热稳定性变化中起关键作用。由于阴极的结构损坏,在70%SOH后,阴极决定了稳定性。

【关键词】锂离子电池;轻微过充;老化;容量增量

【推荐理由】本文提出了一种新的电池安全诊断思路,针对实车中容易出现的轻微过充现象,开展了检测研究,证明了容量增量分析和阻抗估计的有效应用。

【关键插图】

图1: 轻微过充锂离子电池EIS测试结果


论文八:加速量热测试中老化路径对锂离子电池热失控特性的影响

【分类】电池滥用安全

【题目】Influence of aging paths on the thermal runaway features of lithium-ion batteries in accelerating rate calorimetry tests

【作者】Xuning Feng, Dongsheng Ren, Shunchao Zhang, Xiangming He, Li Wang, Minggao Ouyang

【单位】Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing, P R China

【下载地址】https://doi.org/10.20964/2019.01.14

【摘要】在使用锂离子电池期间不可避免地会出现老化。但是,老化路径对锂离子电池安全性的影响仍然不清楚,从而在整个生命周期内仍存在安全运行的不确定性。本文研究了使用ARC的老化路径对锂离子电池热失控特性的影响。定义特征温度以量化锂离子电池的热稳定性。设计了两种老化测试,高温存储和低温循环。已经研究了老化对特征温度变化的影响,从而对老化期间电池安全性能的演变进行了定量分析。低温循环后的电池的热稳定性比新鲜电池差,并且比通过高温暴露处理的电池的热稳定性差。尽管通过高温暴露和低温循环老化的电池的容量保持率可以相似,但是它们的热稳定性却大不相同。阳极表面消耗活性锂以生成新的SEI层将导致通过高温暴露处理的电池具有更好的热稳定性。然而,如果在阳极的表面上沉积有锂,则锂离子电池的热稳定性将变差。本文的定量讨论和结论可以为评估整个生命周期的安全性提供指导。

【关键词】锂离子电池;储能;电池安全;热失控;老化

【推荐理由】本文针对电池老化路径不清楚的难题,主要分析了高低温存储对电池老化的影响,并对其开展了定量分析,为电池的安全性分析提供了巨大的指导作用。

【关键插图】

图1: 高温暴露下的老化特征。

论文九:机械滥用下基于结构损伤的锂离子电池多物理安全模型

【分类】电池滥用安全模型

【题目】Multi-physics safety model based on structure damage for lithium-ion battery under mechanical abuse

【作者】Li Yiding,Wang Wenwei,Lin Cheng,Yang Xiaoguang, Zuo Fenghao

【单位】National Engineering Laboratory for Electric Vehicles, Beijing Institute of Technology, Beijing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.124094

【摘要】机械滥用下的锂离子电池失效是一个涉及机械失效、电化学衰退、内部短路、热失控和结构损伤的多物理过程。为了获得一个基本的失效机理,我们提出一种基于结构损伤机械-电化学-热耦合模型来研究锂离子电池在机械滥用硬短路阶段真正的三维结构和整个电池的水平。将力学模型中的失效元素转化为失效几何,并与变形的圆柱形锂离子电池相结合。然后通过短路模型计算出短路热功率并输入到热模型。电化学模型分别向短路模型和热模型输入端电压和电化学产热速率。热模型计算电池温度反馈给电化学模型。耦合模型指出,在机械故障下的短时间硬短路阶段,内部短路热量是主要的热源。此外,该耦合多物理模型为研究机械滥用条件下电池失效机理提供了基础思路,可加快分析过程,有助于未来研究对电池失效现象的理解。

【关键词】机械-电化学-热耦合模型;结构损伤;圆柱形锂离子电池;机械滥用;电池安全

【推荐理由】本文提出了一种新颖的基于二阶振荡力学模型与电化学和热模型相结合的基于结构损伤的锂离子电池多物理耦合模型。利用二阶振荡力学模型和破碎-泡沫材料模型计算了电池在机械滥用条件下的失效结构。且该耦合模型基于整个电池的三维结构,可以全面分析电池在机械滥用下的失效行为,可以合理地捕捉圆柱形锂离子电池在机械滥用下的关键特征,并从力学角度解释其失效机理。

【关键插图】

图1:基于二阶振荡特征的等效力学模型

图2:耦合模型的过程


论文十:应用于低温的锂离子加热策略

【分类】电池低温加热

【题目】Heating strategies for Li-ion batteries operated from subzero temperatures

【作者】Yan Ji,Chao Yang Wang

【单位】Department of Mechanical and Nuclear Engineering and Electrochemical Engine Center (ECEC), The Pennsylvania State Univeristy, USA

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.03.147

【摘要】由于在低温环境下锂离子电池的能量和功率降低,且析锂导致锂电池的寿命严重衰退,使得电动汽车的续航里程明显减少,因此将电池预热到室温应是电池管理系统的基本功能。本文采用电化学-热耦合模型模拟了锂离子电池低温加热过程,对三种利用电池自身供电的加热策略,电池放电自加热、对流加热以及互脉冲加热和和外部供电的交流加热进行比较。从容量损失、加热时间、系统耐久性和成本等方面讨论了它们的优缺点。模型预测结果显示,锂离子电池从-20℃加热到20℃,使用高效dc-dc转换器的互脉冲加热只会造成5%的电池容量损失,这是一种在寒冷天气条件下提高电动汽车行驶里程具有巨大潜能的加热方法。此外,通过提高电池输出功率的对流加热和互脉冲加热方法可使加热时间缩短到2min以内。对于外部电源加热,大幅度的高频交流信号是首选,可提供高加热效率并提高电池循环寿命。

【关键词】锂离子电池;建模;加热;低温;热管理

【推荐理由】本文使用耦合的电化学热模型比较了四种加热方法的性能:电池放电自加热、由电池供电的电扇和电阻加热器对流加热、互脉冲加热和交流加热。结果表明互脉冲加热方法的效率较前两者要高得多,主要受到所用dc-dc转换器效率的限制。该加热方法的仿真结果表明,将2.2Ah 18650电池的温度从-20℃提高到20℃只需120s。交流加热可以达到更高的加热速度,在频率为1000Hz的10mV正弦波下,能在80s内达到相同的温升。本文的研究结果可供需要选择加热方法的学者提供参考。

【关键插图】

图1:互脉冲加热过程中的电压和温度变化(a)整个加热过程 (b)电池1的前20秒 (c)电池2的前20秒

图2:三种电池自身供电的加热策略的容量损失比较。加热时间对电压水平的关系表明,只要电池正常工作而不引起明显的损坏和寿命衰减,在放电过程中采用较低的电压水平可以显著缩短加热时间。


上一篇:【微信公众号】AESA论文推荐第10期:电池安全与电池加热
下一篇:【微信公众号】AESA论文推荐第8期:电池状态估计与复合电源
0
联系地址:北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学   Copyright  ©  2020-   先进储能科学与应用课题组  All Rights Reserved.网站地图
友情链接: 新能源与智能载运期刊    北京理工大学    ICEIV2022会议    机械与车辆学院    机械工程学报    Applied Energy期刊