【微信公众号】AESA论文推荐第10期:电池安全与电池加热
发表时间:2021-02-11     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池安全与电池加热,共10篇,包括AESA课题组优秀工作3篇,特别推荐1篇,电池安全与电池加热优秀论文6篇。AESA优秀工作内容包括:传感器故障诊断(1)、电池故障诊断(2)、电池外短路(3)。特别推荐为电池安全(4)。电池安全优秀论文包括:电池热失控(5)、电池无损快充(6)。电池加热内容包括:电池加热(7)、电池脉冲加热(8)、电池直流加热(9)。全部阅读预计用时17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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论文一:一种基于模型的电动汽车电池传感器故障诊断方法

【分类】传感器故障诊断

【题目】A Model-Based Sensor Fault Diagnosis Scheme for Batteries in Electric Vehicles

【作者】Quanqing Yu, Changjiang Wan, Junfu Li, Rui Xiong, Zeyu Chen

【单位】School of Automotive Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai, China

【下载地址】https://doi.org/10.3390/en14040829

【摘要】电池管理系统(BMS)的每一项功能的实现都依赖传感器数据。有效的传感器故障针对对电池系统的耐久性和安全性很重要。本文使用递归最小二乘(RLS)和无迹卡尔曼(UKF)算法提出了一种基于模型的传感器故障诊断方法和针对电压传感器和电流传感器的容错控制策略。故障诊断方法使用了一种开路电压残差产生器和一个容量残差产生器来生成残差。鉴于每种残差的适用SOC间隔不同,需要基于不同的SOC间隔选择不同的参数来评估残差估计过程中是否出现传感器故障。基于开路电压残差和容量残差分别分析电压和电流传感器的错误值,之后将其错误值应用于电池参数和状态估计的容错控制中。所提方法的效果通过MATLAB仿真和商用锂离子电池实验研究证实。

【关键词】电池管理系统;传感器故障诊断;容错控制;荷电状态;开路电压;多重残差

【推荐理由】本文针对电池管理系统中的电压传感器和电流传感器,提出了一种基于模型的传感器故障诊断方法和容错控制,很有意义。

【关键插图】

图1:传感器故障诊断方法框图。

图2:传感器故障辨识和容错控制。


论文二:电动载运工具电池系统故障诊断研究进展、挑战与展望

【分类】电池故障诊断

【题目】Research Progress, Challenges and Prospects of Fault Diagnosis on Battery System of Electric Vehicles

【作者】Rui Xiong, Wanzhou Sun, Quanqing Yu, Fengchun Sun

【单位】a. National Engineering Laboratory for Electric Vehicle, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China

b. School of Automotive Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai, Shandong 264209, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115855

【摘要】由于电池单体的容量和电压有限,电动载运工具用动力电池系统常包含成百上千支单体电芯并以串并联方式组成,各单体容量、电压、内阻等的不一致性及其与老化的耦合效应使得动力电池系统故障频发,安全、可靠运行面临极大挑战。本文从传感器、系统及部件、执行器探讨了动力电池系统故障及其诊断的研究进展: (1)分析了传感器故障、执行器故障,以及系统及部件中内短路故障、外短路故障、过充/放电故障、连接件故障、不一致故障、绝缘故障、冷却系统故障等故障的产生原因及影响;(2)分类讨论了当前电池系统故障研究中的主要诊断方法及其应用特点,梳理了当前电池系统故障诊断的研究动态;(3)进一步探讨了在大数据等新技术驱动下,动力电池系统故障诊断未来所面临的挑战及其潜在的研究方向,最后对全文进行总结和展望。

【关键词】电动载运工具;电池系统;故障诊断;安全

【推荐理由】这篇文章:(1)分析了电池系统中的多种故障的产生原因及影响;(2)详细介绍了面向电池系统的多种故障诊断方法;(3)综述了当前面向电池系统多种故障的诊断研究现状;(4)最后对面向电池系统的故障诊断进行了展望。

【关键插图】

图1:电池系统分解及可能的故障类型。

图2:电池系统不同故障的产生原因及耦合关系。

图3:电池系统故障诊断研究进展及展望。


论文三:动力电池外部短路故障热-力影响与分析

【分类】电池热失控

【题目】动力电池外部短路故障热-力影响与分析

【作者】熊瑞 马骕骁 杨瑞鑫 陈泽宇

【单位】北京理工大学机械与车辆学院电动车辆国家工程实验室 北京

【下载地址】http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2019.02.115

【摘要】动力电池安全性问题因电动汽车安全事故频发而备受关注,短路故障则被认为是大部分动力电池安全事故发生的主要原因。针对外部短路故障,以某圆柱形锂离子动力电池为研究对象,根据能量守恒定律,建立动力电池在外部短路情况下的三维热模型,获取动力电池单体的内外温度场分布,并在此基础上建立热-力模型,仿真分析动力电池内部热应力分布,计算结果表明:在 25 ℃下动力电池两端内部活性材料与壳体的接触部位产生最大热应力,热应力随时间变化趋势与表面温度变化一致,且处于低段初始荷电状态(State of charge,SOC)动力电池的峰值热应力较高。该模型的应用可以为同类型动力电池节约测试成本、结构优化减少热应力以增加安全性提供一定的指导作用,并提高对外部短路的动力电池响应规律的认识。

【关键词】电动汽车;锂离子电池;外部短路;热-力模型

【推荐理由】本文为电池外部短路安全研究方面提供了一种新的建模思路,外短路过程中由于大电流放电产热导致的热膨胀现象,可利用热-力模型有效分析其中热应力场动态变化规律。可以帮助读者快速了解外部短路过程中的电流、电压和温度变化,以及热模型与力学模型的耦合建模方法。此外文中引入了副反应机理相关的思考,为今后更透彻地研究动力电池外部短路故障提供了一个切入点。

【关键插图】

图1:建模逻辑框架图。

图2:相同环境温度不同初始SOC动力电池短路表面温度响应。

图3:动力电池单体外部短路故障热应力场分布。


论文四:数据驱动方法和基于物理的学习在提高电池安全性中的应用

【分类】电池安全

【题目】The Application of Data-Driven Methods and Physics-Based Learning for Improving Battery Safety

【作者】Donal P. Finegan, Juner Zhu, Xuning Feng

【单位】National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO 80401, USA

Department of Mechanical Engineering, MIT, 77 Massachusetts Ave., Cambridge, MA 02139, USA

State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.11.018

【摘要】准确预测电池故障将使电池系统更安全,并加快电池设计和制造过程,以提高一致性和可靠性。数据驱动的预测方法已显示出以较低的计算成本准确预测细胞行为的前景,但训练起来却很昂贵。此外,由于电池故障的风险已经非常低,因此收集足够的相关数据以促进数据驱动的预测非常具有挑战性。在这里,概述了设计实验以促进相对较少数量的测试,处理数据,应用数据驱动的方法以及增进我们对行为指示物理学的理解的观点。这种观点从有效的策略开始,通过有效的策略来实验性地复制罕见的故障场景,从而减少实验的数量,并继续描述获取高质量数据集,应用数据驱动的预测技术以及对导致事件的事件提取物理见解的手段。通过将物理学纳入数据驱动的方法而失败。

【关键词】

【推荐理由】本文通过有效的策略来实验性地复制罕见的故障场景,从而减少实验的数量,并继续描述获取高质量数据集,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:记录电池的电化学和物理数据,以进行数据驱动的预测和物理解释。


论文五:磷酸铁锂电池过热引发的热失控和燃烧行为

【分类】电池热失控

【题目】Thermal runaway and fire behaviors of lithium iron phosphate battery induced by over heating

【作者】Pengjie Liu, Chaoqun Liu, Kai Yang, Mingjie Zhang, Fei Gao, Binbin Mao, Huang Li, Qiangling Duan, Qingsong Wang

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

State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy & Storage Systems, China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101714

【摘要】锂离子电池广泛应用于各种电子设备中,但由于其内部易燃材料,与锂离子电池有关的事故时有发生。本文利用原位量热仪研究了22 Ah的 LiFePO4/石墨电池的热失控过程和燃烧行为。利用加热板使电池过热。利用加热板模拟模块中相邻电池的热失控触发的滥用过程。得到了燃烧特性、热释放率、电池表面和火焰的温度特性、质量损失、电压变化和气体释放。对于100%荷电状态电池,火在热失控过程中被吹灭。只有50%和100% 荷电状态电池出现喷射着火现象,50和100% 荷电状态电池的热失控平均触发温度分别为198.6和184.8℃。电池的荷电状态对峰值热释放率、总放热和质量损失有显著影响。在燃烧过程中检测到HF和H2。随着荷电状态的增加,CO和HF的产量增加,毒性更大。而100% SOC电池由于火焰被吹灭,其产量要大得多。揭示了热失控与火灾行为之间的关系。提出了两种失效模式来描述不同阶段的火灾行为。从电池的能量平衡出发,讨论了与荷电状态有关的机理和现象。从安全的角度,对其应用和防火提出了几点建议。

【关键词】锂离子电池安全;LiFePO4电池;火灾行为;热失控;气体释放

【推荐理由】本文利用原位量热仪下研究了LiFePO4/石墨电池的热失控和燃烧行为。对电池和火焰的温度、放热速率等关键参数进行了量化,分析了在高温下的热失控和火灾的关系,揭示了热失控与火灾行为之间的关系。

【关键插图】

图1:锂离子电池燃烧测试装置原理图。


论文六:基于面向控制的电化学模型的锂离子电池无损快速充电算法

【分类】电池无损快充

【题目】Non-destructive fast charging algorithm of lithium-ion batteries based on the control-oriented electro-chemical model

【作者】Zheng yu, ChuXuning Feng, Languang Lu

【单位】清华大学汽车安全与能源国家重点实验室

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.03.111

【摘要】快速充电是锂离子电池在电动汽车中应用的关键。传统的快速充电算法可能会缩短锂离子电池的循环寿命并引发安全问题,比如锂离子在负极沉积导致的内部短路。本文提出了一种新的基于无损模型的快速充电算法,该方法由两个闭环组成,第一个回路有在线观察锂沉积状态的负极过电位观测器,第二个回路包含根据锂沉积观察状态调整电流的反馈结构。该充电算法提高了充电电流,使观测到的负极过电位保持在预设的阈值电位附近。因此,快速充电算法可以减少充电时间,同时保护电池的健康。在商用大容量镍钴锰/石墨电池上对快速充电算法进行了验证,结果表明该方法可以在52秒内充电至电池容量的96.8%。对负极表面的拆解观察和衰退试验表明,本文提出的快速充电算法可以防止电池锂沉积。

【关键词】锂电池;电化学模型;锂沉积;快速充电;过电位观测器

【推荐理由】本文利用SP2D模型将正极电位保持在安全阈值以上,开发出一种具有可变电流的无损快速充电策略。结果显示,充电时间相当的CC-CV充电的电池正极上有可见的锂沉积,但利用所提的充电策略的电池上没有明显的锂沉积。

【关键插图】

图1:快速充电算法控制方案。

图2:不同初始SOC下快速充电算法的电压分布。

图3:(a)本文提出的优化充电算法和其他充电算法;(b)循环衰退试验期间的标准容量和电荷保持率对比。


论文七:零下环境锂离子电池加热策略

【分类】电池加热

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

【作者】Yan Ji, Chao Yang Wang

【单位】Electrochemical Engine Center (ECEC), Department of Mechanical and Nuclear Engineering, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16802, USA

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

【摘要】在低温环境下,由于锂离子电池的能量和功率降低以及锂离子电池的严重劣化,电动汽车的续航里程损失很大。将电池预热到室温是一个有效的电池管理系统的基本功能。本研究首次采用电化学-热耦合模型模拟了锂离子电池低温加热过程。提出并比较了三种利用电池供电的加热策略,即自内加热、对流加热和互脉冲加热,以及一种利用外部电源的交流加热策略。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。

使用电池自加热方式,在高效dc–dc转换器情况下的互脉冲加热可以在消耗5%电量的情况下,锂离子电池可以从?20℃加热到20℃。这意味着在寒冷天气条件下提高电动汽车的行驶里程具有相当大的潜力。此外,通过对流加热和互脉冲加热,提高电池输出功率,可使加热时间缩短到2min以内。对于外部电源加热来说,大幅度的高频交流信号是首选,可提供高加热功率并增加电池循环寿命。

【关键词】锂离子电池;建模;加热;低温;热管理

【推荐理由】本文提出了一种针对锂离子电池,基于电化学模型和热物理模型构建的热电耦合模型,并综合对比了自加热、对流加热、互脉冲加热和外部交流加热四种方式的容量损失,加热时间和成本等方面的优劣,有助于初学者学习锂离子动力电池的加热理论。

【关键插图】

图1: 交流加热过程中的电压、电流和温度变化(a)60 Hz时的电压和电流变化(b)不同频率下的温度变化。

图2: 使用电池供电的加热策略比较。

图3: 不同脉冲间隔下的电池SOC演化。


论文八:通过脉冲电流改善锂离子电池性能

【分类】电池脉冲加热

【题目】Performance improvement of lithium-ion battery by pulse current

【作者】Shaoqing Zhu, Chen Hu, Ye Xu, Yi Jin, Jianglan Shui

【单位】Beihang University Beihang Univ, Sch Mech Engn & Automat, Beijing 100191, Peoples R China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.jechem.2019.11.007

【摘要】周期性变化的电流称为脉冲电流。研究发现,利用脉冲电流对锂离子电池进行充放电可以提高电池的安全性和循环稳定性。本文从锂离子电池的活化、升温、快速充电和抑制锂枝晶四个方面综述了脉冲电流提高锂离子电池性能的机理。相关内容可以帮助我们利用脉冲电流提高锂离子电池的性能,进一步优化脉冲电流技术。

【关键词】锂电池;脉冲电流;加热;快速充电;锂枝晶

【推荐理由】本文提出了相关内容可以帮助我们使用脉冲电流来改善锂离子电池的性能,并进一步优化脉冲电流技术。

【关键插图】

图1: 通过脉冲和连续充电模式产生热量。

图2:不同的电流振幅和电压限制对30 Hz (a)和1 Hz (b)温度演化的影响。


论文九:低温下考虑加热时间和寿命损失的锂离子电池最优内部加热策略

【分类】电池直流加热

【题目】An optimal internal-heating strategy for lithium-ion batteries at low temperature considering both heating time and lifetime reduction

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

【单位】National Active Distribution Network Technology Research Center (NANTEC), Beijing Jiaotong University, Beijing, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113797

【摘要】电池低温预热对确保电动汽车在全气候条件下良好的性能非常重要。直流放电由于其操作简单、与交流电相比产热高,在本文用于快速预热电池。实验结果表明加热时间非常短时,容量损失会明显增加,放电加热电压也会减小。提出了一个简单的容量损失模型来描述电池容量损失并准确描述了质量放电下的容量损失。利用多目标遗传算法,获得了两个重要但互相制约的目标:加热时间和容量损失的帕尔托前沿,并讨论了有关加热性能的权重系数。电池能在103s内从-30℃快速加热至2.1℃,且在500次重复加热后容量损失仅1.4%,表面基本没有寿命恶化。在0.8的SOC下,与未加热的电池相比,加热的电池能提供8.7/32.7倍的放电/充电功率和64.26倍的放电能量,表明性能有非常显著的提升。得益于加热时间短和没有明显寿命恶化,本文所提最优加热方法对提高极寒条件下的电池性能有很大的潜力。

【关键词】锂离子电池;低温;最优加热;电池衰减模型;电池生热模型、直流放电电压

【推荐理由】本文提出了一种多目标优化加热策略,基于直流加热方法,同时考虑加热时间和容量损失这两个相互制约的优化目标。加热结果表明该策略下电池加热速率达到18.70℃/min,且500次重复加热后容量损失仅1.4%。

【关键插图】

图1:(a)加热策略优化流程图,(b)加热策略实施流程图。


论文十:汽车电池在零下温度下自发热的正弦波加热电路

【分类】电池加热

【题目】A Sine-Wave Heating Circuit for Automotive Battery Self-Heating at Subzero Temperatures

【作者】Yunlong Shang, Kailong Liu, Naxin Cui.etc

【单位】Shandong University.China

【下载地址】https://doi.org/10.1109/TII.2019.2923446

【摘要】在寒冷气候下,自热对于提高锂离子电池的可用容量和寿命至关重要。然而,在实现电动汽车电池有效的车载自热方面,鲜有尝试。本文提出了一种基于谐振式LC变换器的高频正弦波加热器,该加热器可以在不需要外部加热器的情况下实现汽车电池的低温自热。具体地说,我们引入了一种交错并联的拓扑结构,使加热速度提高了一倍,而不会对电池造成额外的损害。在此基础上,建立了相应的热电模型,为后续的加热参数优化设计提供了指导。实验结果表明,在高频正弦电流驱动下,锂离子电池能有效地利用欧姆损耗和电化学热进行自加热。此外,降低特性阻抗L/C或提高交流加热频率可显著缩短加热时间。

【关键词】交流加热;电动汽车;能量系统;锂电池;LC谐振,温度模型

【推荐理由】通过谐振式LC变换器使得电池产生高频交流电流。不需要外部加热器的情况下,实验了汽车电池的低温自热。并且建立了电池的高频等效电路模型,对电池的高频加热具有指导意义。

【关键插图】

图1:基于两个电池的互补加热装置的运行状态。(a)状态一:两节电池分别对LC回路充电 (b) 状态二:LC回路分别对两节电池放电(c) 状态三:两节电池分别对另外一个LC回路反向充电( (d) 状态四:另外一个LC回路分别对两节电池反向放电。

图2:方均根电流相同条件下,比较不同频率对电池的加热效果。


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