【微信公众号】AESA论文推荐第13期:电池加热与电池安全
发表时间:2021-04-05     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文及专利推荐主题为电池加热与电池安全,共8篇,包括优秀论文5篇,AESA课题组优秀工作3篇。电池加热优秀论文包括:动力电池热管理(1)、电池加热(2);电池安全优秀论文包括:电池快充(3)、电池机械滥用(4)、电池过充(5)。AESA优秀工作内容包括:电池主动管理及加热(6)、电极老化及OCV重构(7)、电池充电方法优化(8)。全部阅读预计用时10分钟,或按照对应标号阅读感兴趣的论文。更多优秀论文可回顾往期论文推荐。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:综述:锂离子电池热问题和电池热管理系统的进展

【分类】动力电池热管理

【题目】Thermal issues about Li-ion batteries and recent progress in battery thermal management systems: A review

【作者】Huaqiang Liu, Zhongbao Wei, Weidong He, Jiyun Zhao

【单位】Department of Mechanical and Biomedical Engineering, City University of Hong Kong, 83 Tat Chee Avenue, Kowloon, Hong Kong Special Administrative Region

Energy Research Institute, Nanyang Technological University, Singapore 637459, Singapore

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.08.016

【摘要】电动汽车是应对能源危机和环境污染威胁的重要手段。本文简要介绍了锂离子电池作为一种很有前景的汽车储能解决方案的结构与原理。随后阐述了低温对电池性能的影响,包括性能下降、潜在的热失控、温度不均匀性等。详细阐述了电池的热模型、电化学模型、等效电路模型以及电化学/电-热耦合方法,以实现电池的精确建模。重点综述了近年来电池热管理系统(BTMSs)的研究进展,包括空气热管理、液体热管理、热管热管理和固液相变热管理。阐述了不同BTMSs的影响因素和发展重点。利用相变过程中潜热的被动冷却系统比传统的单相空气和液体冷却方法更具吸引力,然而在商业化之前,仍然存在一些挑战需要解决。此外,不同的方法可以结合,以满足各种应用的要求。为了提高锂离子电池的性能和安全性,对现有的BTMSs的改进应引起更多的关注。

【关键词】锂离子电池;温度效应;电池建模;热管理系统;相变

【推荐理由】本文主要综述了锂离子电池的热问题及热管理系统的研究进展;对于现有的车载动力电池管理系统做了比较详尽的对比分析,同时对锂离子电池的常用模型进行了整合,对了解电池热管理系统前沿进展有一定帮助作用。

【关键插图】

图1:不同电池配置示意图:(a)方形电池;(b) 圆柱形电池;(c)电池模块;(d)电池包。

图2:电化学模型的表示:(a) P2D模型;(b) SP模型。

图3:双向气流通道结构。

图4:在特斯拉中使用的液体BTMS:(a)冷却管与电池片相互作用;(b)冷却管设置;(c)冷却管;(d)进风口和出风口的侧视图和端视图。

图5:pcm -热管联合热管理系统。


论文二:基于模型预测的极冷温度工作的串联锂离子电池组电池供电加热方法

【分类】电池加热

【题目】Model prediction-based battery-powered heating method for series-connected lithium-ion battery pack working at extremely cold temperatures

【作者】Huang Deyang; Chen Ziqiang; Zhou Shiyao

【单位】State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.119236

【摘要】锂离子电池在低温下的性能退化是极冷环境下电池储能系统发展的主要障碍。因此,本文提出了一种基于模型预测的加热方法来支持电池组的低温运行,而不需要额外的电源。电池组模型是在戴维宁等效电路模型的基础上发展起来的。利用自适应递推最小二乘法和扩展卡尔曼滤波器,建立了在线更新模型参数和荷电状态的联合估计器。基于多重约束预测电池组的允许放电电流,以防止过放电。然后,设计了电池供电的加热结构、控制电路和加热策略。该策略包括冷启动的预热过程和稳定电池温度的保持过程。该方法通过在-40℃环境温度下的系统回路电池测试进行了实验验证。结果表明,该方法可在330秒内将所有组内电池从40℃均匀预热至20℃,消耗4.7%的标称容量。在保持过程中,连续提高电池温度,然后保持在5℃是节能的,这使得在加载修改后的联邦城市驾驶计划时,可提供68.3%的标称容量。

【关键词】锂离子电池组;极冷温度;电池供电;模型预测;电池热管理

【推荐理由】本文提出了一种利用有限的电池功率来恢复电池组在极低温度下性能下降的加热方法。采用戴维南模型对电池进行建模,并利用基于模型的多约束联合估计结果对允许放电电流(PDC)进行了预测以评估电池的功率能力。此外还针对棱柱型电池组组成的串联电池组提出了加热结构、控制电路和加热策略。

【关键插图】

图1:基于模型的PDC预测的框架。

图2:电池供电的加热电路示意图。为了防止电池预热过程中电池过放电,基于Buck电路的DC/DC变换器在控制电池组加热电流方面起着关键作用。温度控制模块(TCM)与由5个固态继电器(SSR)组成的固态继电器模块配合使用来控制加热膜的温度。


论文三:锂离子电池快速充电综述

【分类】电池快充

【题目】Lithium-ion battery fast charging: A review

【作者】Anna Tomaszewska,Zhengyu Chu,Xuning Feng,Simon O'Kane,Xinhua Liu,et al.

【单位】Dyson School of Design Engineering, Imperial College London, Exhibition Road, London, SW7 2AZ, UK

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.etran.2019.100011

【摘要】近年来,锂离子电池已成为便携式设备、电动汽车和电网存储的首选。尽管越来越多的汽车制造商在其产品中引入了电模型,但里程焦虑和长充电时间仍然是一个普遍关注的问题。众所周知,加速充电过程所需的大电流会降低能效,并导致加速容量和功率的衰减。快速充电是一个多尺度问题,因此需要从原子到系统级别来理解和提高快速充电性能。本文回顾了有关限制电池充电速度的物理现象、大电流充电导致的退化机制以及已提出的解决这些问题的方法的文献。特别注意低温充电。提出了快速充电协议并严格评估,探讨了安全性的影响,包括快速充电对热失控特性的潜在影响。最后,指出机理的不同,并对未来的研究方向提出建议。强调需要开发可靠的车载方法来检测析锂和机械退化,基于模型的充电优化策略被认为是在所有条件下实现快速充电的关键,在充电过程中冷却电池和在寒冷天气中预热电池的热管理策略被认为是至关重要的,特别关注能够实现高速和良好温度均匀性的充电技术。

【关键词】锂离子电池;快速充电;析锂;充电协议;电动汽车

【推荐理由】本文从原子到系统级别解释影响电池充电速度的因素,罗列了目前所使用的快速充电策略,并且讨论了对热失控特性的影响,可以帮助读者系统性的从机理到策略理解锂离子电池快速充电。

【关键插图】

图1:不同尺度下影响锂离子电池快速充电的关键因素。

图2:快速充电引起电池热失控过程的连锁反应。


论文四:锂离子电池对机械滥用的响应:三点弯曲

【分类】电池机械滥用

【题目】Lithium-ion cell response to mechanical abuse: Three-point bend

【作者】Johanna K. Stark Good, Jay T. Miller, Steven Kreuzer,Joel Forman, Sungun Wi, Jae-man Choi, Bookeun Oh, Kevin White

【单位】a. Exponent, Inc., 1075 Worcester St., Natick, MA 01760, USA;

b. Samsung Electronics Co., Ltd., 129, Samsung-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16677, Korea

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101244

【摘要】先前的研究已经发现了立即启动热失控所需的条件,然而,很少有关于被滥用的电池内部缺陷的演化,这些缺陷由于持续循环导致电池热失控或失效。在这项研究中,电池受到三点弯曲滥用,其程度会对电池造成物理损伤,但不会立即导致热失控。被滥用的电池然后在多个温度下循环多达1000个。使用包括电分析、计算机层析X射线成像、破坏性物理分析和截面分析在内的技术对样品进行在100、200、500和1000个循环的检查。被滥用电池的电性能(容量、阻抗)与对照组无显著差异。滥用施加的损害并没有导致在本研究中使用的电池热失控;相反,失效表现为高阻短路,有时在电池循环中并不明显。据推测,这些短路是在循环过程中电极自然膨胀和收缩的结果。

【关键词】锂离子电池;循环;机械滥用;缺陷;短路

【推荐理由】本文系统地研究了机械滥用对锂离子电池性能的潜在影响,作为循环寿命和机械损伤水平的函数。通过电化学、非破坏性和破坏性分析,表征了三点弯曲变形对电池性能的机械损伤影响。

【关键插图】

图1:左图为机械损伤之前(蓝色条)和之后(绿色条)的电池容量基线。右图为压力在控制,低压力和高压力条件下,以及温度在室温,高温,和最高温度条件下的电池循环容量。

图2:a) 所有高压力电池的容量与周期,不合格品BHM4、BHM5、BHM6、BHM7被突出显示;b) 所有高应力最高温度电池的充电容量;c)电池BHM7 s最后充电循环中恒压阶段的电流与时间曲线图;d) 电池BHM5在短时间内、期间和之后的恒压充电部分。


论文五:研究锂离子电池过充电引起析锂的实验和数值方法

【分类】电池过充

【题目】Experimental and numerical methods to investigate the overcharge caused lithium plating for lithium ion battery

【作者】Wenxin Mei, Lin Zhang, 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.ensm.2020.06.021

【摘要】析锂会威胁到锂离子电池的安全性,这可能是由过度充电引起的。析锂的检测在电池管理系统(BMS)中至关重要。对商用26650型LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3(NCM)/石墨电池由过充电引起的析锂的检测使用了实验方法和数值方法。进行差分分析以监测锂的剥离容量和电压,形貌观察也为析锂检测提供了坚实的基础。通过数值模型对析锂进行了更深层次的检测,并在不同情况下通过实验进行了验证。析锂首先发生在负极-隔膜界面,并继续在集流体-负极界面发生,便会出现完整的析锂。如果析锂无法继续进入集流体-负极界面,而处于负极集流体之前的某处,则被视为不完全析锂。定义析锂深度(DLP)以量化不完全析锂的程度,结果表明在4.5-4.586 V的过充电电压范围内可能发生不完全析锂。另外,在0.2C和0.5C下观察到析锂时间和容量与过充电电压之间的具有良好线性关系。进一步考虑通过在合理的N / P比基础上增加负极厚度来减轻析锂。研究发现,在4.6 V之前略微过充电的情况下,增加6.57%的负极厚度,可有效缩短析锂时间并实现“完全不析锂”。

【关键词】锂离子电池安全性;析锂检测;过充电;负极厚度增加

【推荐理由】本文为电池析锂研究比较有代表性的一篇文章,可以帮助读者快速了解电池析锂的基本机理。文章中对电池由过充滥用导致负极析锂的数值模型进行了完整的介绍,并提供了模型计算所需的电化学参数。对于指导电池在抑制析锂的设计工作方面以及安全性使用提出了极富建设性的建议。

【关键插图】

图1:(a)负极电位和析锂电流密度,(b)析锂时间和非析锂时间占总充电时间的比例。以上两图可反映不同负极厚度对负极-隔膜界面析锂的抑制作用。随着负极厚度的增加,负极电位会整体上移(逐渐远离析锂区域),且析锂时间在总充电时间中所占比例下降。

图2:对于不同负极厚度以及不同截止电压,析锂时间与总充电时间的比例(蓝色表示没有发生析锂)。当电池在4.6 V前轻微过充时,通过增加负极厚度可以完全消除析锂。但通过增加负极厚度手段来抑制析锂的效果是有限制的。


专利六

【专利分类】电池主动管理及加热

【专利名称】[1] 动力电池性能主动管理方法及系统;[2] 一种动力电池低温快速自加热方法和装置

【推荐理由】当前的动力电池管理系统采用的测量和管理主要属于被动式的管理思路,在低温环境下限制电池的充放电功率,严重限制了电池的性能。为了充分发挥电池的性能潜力,同时考虑电池的寿命,主动式的电池管理很有必要。同时,考虑不同工况和不同电池状态,主动管理可以调节加热频率、周期、阻值,实现高效、均匀、快速的动力电池系统加热。

【申请人】北京理工大学

【引用】[1] 熊瑞,雷浩,王榘,“动力电池性能主动管理方法及系统”,中国,ZL201911310286.2,2019.12.08.

[2] 熊瑞,陈泽宇,何洪文,孙逢春,“一种动力电池低温快速自加热方法和装置”,中国,ZL201910275815.3,2019.04.08.

【摘要】[1] 本发明提供了动力电池主动管理方法与系统,通过主动式的电池性能管理与控制方式,摆脱了现有技术中对电池充、放电功率等的限制,充分发挥了电池的性能潜力,同时综合考虑了电池寿命、一致性等多方面的因素,具有现有技术所不具备的诸多有益效果。

[2] 本发明涉及一种动力电池低温快速自加热方法和装置,利用一种主动可控的大电流无损短路自加热配合外部加热器实施快速复合加热,使电池在低温环境下快速加热并控制在最优工作温度区间,提高电池能量利用率、增强电池系统耐久性。启动之前先判断电池温度,当温度低于阈值时首先主动触发外短路,产生大电流实施电池内部自加热,公开了一种大电流无损短路时间阈值的确定方法,根据短路临界时间与电流二次峰值构建电池外部短路的无损时间阈值,确保在短路快速加热过程中,电池安全性与寿命不会受到影响,进而依据模型预估电池无损短路自加热的温升,如果温升达不到目标温度,则启用外部加热器协同工作,使电池系统升温并维持在最优工作温度区间。该方法简单、易于实现、且安全可靠,可有效解决电动汽车在低温严寒工况下容量衰退大、工作性能差的问题。

【关键插图】

图1:所述动力电池系统主动管理加热方法[1]。首先根据动力电池在不同温度下的峰值功率、寿命、一致性因素,确定电池最佳工作温度范围;之后实时采集电池温度,若高于最佳工作温度范围上限,则执行主动散热,若低于最佳范围下限,则执行主动加热。

图2:所述锂离子电池的吃系统主动加热控制方法[2]。首先进行系统初始化,判断电池当前状态;基于当前SOC,决定使用外部加热还是内外联合加热;基于加热目标需求,选择最优的加热频率、周期、加热膜阻值;开始执行外部或内外联合加热,当温度到达预设目标温度后停止加热。


论文七:AI赋能动力电池开路电压快速识别、构建与老化多维评估

【分类】电极老化及OCV重构

【题目】Electrode ageing estimation and open circuit voltage reconstruction for lithium ion batteries

【作者】Jinpeng Tian, Rui Xiong, Weixiang Shen, Fengchun Sun

【单位】Department of Vehicle Engineering, School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, No. 5 South Zhongguancun Street, Haidian District, Beijing 100081, China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.018

【摘要】开路电压(OCV)测试是锂离子电池老化针对的一种有效方法,也是电池SOC估计的基础、然而,实车OCV测试由于其费时的本质很难实现。本文中,我们提出一种离线OCV估计方法,基于老化诊断,包括电极容量和初始SOC,称为电极老化参数(EAPs)。这种方法中,部分日常充电曲线被采集并直接用于训练一个卷积神经网络来在没有特征提取下估计EAPs。对8个电池的验证结果表明EAPs的估计与使用离线OCV测试的结果非常接近。因此,本方法能在电极层面实现快速老化诊断。此外,我们使用了估计的EAPs重建了全电池寿命阶段不同老化程度下的OCV-Q(充电量)曲线。OCV-Q重建的误差与实际的OCV-Q曲线相比在15mV以内。基于OCV-Q曲线,我们展示了电池容量可以在1%以内的精度过得,尽管没有明确地将其视为目标。电压范围对估计结果的影响也进行了讨论。

【关键词】锂离子电池;健康状态;开路电压;老化诊断;电动汽车

【推荐理由】本文基于日常的充电信号,结合深度学习算法,实现对正负极容量和正负极初始SOC参数的估计,基于这些估计结果重构出电池完整的OCV曲线,从OCV曲线中导出了一些传统的状态估计的信息,比如容量、剩余电量等等。根据重构出的OCV曲线的结果去确定了正负极的工作电压区间,从而确定了电池的工作电压区间,能够最大化电池的能力,并且防止容量的加速衰退,并实现动力电池老化多维评估与寿命快速评估。在电极层面,使用卷积神经网络估计电极相关参数,实现了电池全寿命周期内的OCV曲线重构,且误差在15mV以内。

【关键插图】

图1:本文所提方法。

图2:测试-1电池圈寿命周期内的4个循环的OCV重构结果。建模OCV指使用第3节中用EAPs获取的OCV-Q曲线。估计的OCV指使用CNN估计的EAPs获取的OCV-Q曲线。红色圆圈表明内嵌图获取的位置。


论文八:面向智能化电池管理系统:锂离子电池的优化充电方法综述

【分类】电池充电方法优化

【题目】Towards a smarter battery management system: A critical review on optimal charging methods of lithium ion batteries

【作者】Qian Lin, Jun Wang , Rui Xiong , Weixiang Shen , Hongwen He

【单位】北京理工大学电动汽车国家工程实验室

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.128

【摘要】电池的充电性能直接影响消费者对电动汽车的认可和接受程度,研究电池优化充电方法对于未来开发更智能的电池管理系统和智能电动汽车至关重要。本文从简单充电方法的工作原理和存在问题入手,进一步阐述基于基本充电方法的各种优化充电方法的特点和应用。结果表明优化充电方式能有效地提高充电效率,与常规充电方法相比,缩短了充电时间、提高了充电性能并延长了电池寿命。最后本文还提出了锂电池最佳充电方法的四步设计法:确定优化目标,建立优化方案,开展匹配设计,实施并推广优化充电方法。

【关键词】锂离子电池;优化充电方法;充电时间;循环寿命

【推荐理由】本文对现有的优化充电方法进行了完整详细的综述,提出了优化充电方法的新视角和设计最佳充电方法的四步设计法,最后提供了现有充电方法的发展前景和方向,适合需要学习锂电池充电方法同学的快速入门。

【关键插图】

图1:充电方法的分类。

图2:锂离子电池优化充电策略的设计建议。

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