【微信公众号】AESA论文推荐第18期:电池加热、电池老化与电池设计
发表时间:2021-10-08     阅读次数:     字体:【

☆本期分享导读:

本期论文推荐主题为电池加热、电池老化与电池设计,共10篇。电池加热优秀论文包括:交流加热(1)、脉冲加热(2)、复合加热(3)、电池热模型(4);电池老化优秀论文包括:电化学阻抗谱与老化(5)、电池充电策略(6)、电池析锂检测(7)、电池老化轨迹提取(8)、电池充电时间预测(9);电池设计优秀论文(10)。全部阅读预计用时15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:低温环境下锂离子电池的高频交流加热建模与分析

【分类】交流加热

【题目】Modeling and analysis of high-frequency alternating-current heating for lithium-ion batteries under low-temperature operations

【作者】Yunlong Shang, Chong Zhu, Gaopeng Lu, Qi Zhang, et.al.

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

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

【摘要】在寒冷气候下,低温锂离子电池需要通过预热来提高输出功率和可用容量。许多内部交流(AC)加热方式均可用于加热低温环境下的电池,它们具有加热速度快、效率高、均匀性好的优点。然而,由于交流加热频率较低,现有的交流加热装置具有体积庞大、成本高的突出特点,导致难以实现在电动汽车上的车载使用。因此,本文提出了一种基于降压-升压转换的高频交流加热器,并开发了基于欧姆电阻发热和锂离子传输的高频热电模型。实验结果验证了所提出的高频交流加热拓扑和热电模型在不同交流加热频率和均方根(RMS)电流下的有效性。该研究表明,在相同的RMS电流下增加交流加热频率可以显著提高加热速度和效率,并且因为欧姆电阻和锂离子传输产生的热量增加,不会对电池造成进一步的损坏。

【关键词】电池加热器;降压-升压转换;高频交流加热;加热模型;电动汽车

【推荐理由】本文主要对锂离子电池的高频交流加热进行研究,提出了一种高频加热策略和热电模型可以准确预测电池加热速度,可以指导读者进行高频交流加热电感以及开关频率等的设计。

【关键插图】

图1:基于降压-升压转换的车载交流加热器。(a) 两个串联电池的半桥结构拓扑。(b) 三个串联电池的全桥结构拓扑。

图2:(a) 加热时间与交流加热频率的关系。(b) 加热时间与 RMS 加热电流的关系。随着交流加热频率或RMS加热电流的增加,加热速度急剧增加。加热速度的增量随着交流加热频率或RMS加热电流的增加而减小。


论文二:一种基于双向脉冲电流的锂离子电池快速加热方法:加热效应及对电池寿命的影响

【分类】脉冲加热

【题目】A rapid lithium-ion battery heating method based on bidirectional pulsed current: Heating effect and impact on battery life

【作者】Yudi Qin, Jingyu Du, Minggao Ouyang, et al.

【单位】School of vehicle and Mobility, State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Tsinghua University, Beijing 100084, PR China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115957

【摘要】低温充电可能导致性能急剧下降和潜在的安全问题,因此是锂离子电池面临的主要挑战。通常采用预热过程来克服上述问题。采用脉冲操作作为既定的内部预热方法之一,具有良好的温度一致性。本文通过实验方法研究双向脉冲电流的预热,从而得到热作用的主要数据,综合分析发热特性,并基于二阶RC电路的热电耦合模型验证基本原理。然后通过连续加热测试方法进行电池耐久性研究,该方法能够快速测试容量衰退。结果表明,从长期应用的角度来看,所提出的脉冲加热不会显着损害寿命:在以 11℃/min 的加热速率连续加热 170 小时后,电池仅具有 1% 的容量衰减。进一步研究发现对加热速率有利的参数对容量衰退有害,反之亦然。然而,根据这项研究的结果,建议使用周期较短、振幅较高的脉冲波形来实现较高加热速率和较低容量衰退的最佳组合。这种脉冲加热方法可应用于包括至固定存储系统的多个潜在的应用场景。

【关键词】锂离子电池;内部加热;脉冲操作;衰退规则;加热机理

【推荐理由】本文通过实验的方法,研究了双向电流脉冲的加热特性以及各参数对容量衰退的影响。根据研究结果,推荐周期较短、振幅较高的脉冲波形为实现较高加热速率和较低容量衰退的最佳组合。本文的研究成果为脉冲加热的应用提供参考。

【关键插图】

图1:加热探究实验平台。

图2:实验设备和脉冲加热测试SOH的方法。

图3:SOH实验分析(a)温度对SOH的影响 (b)脉冲幅值对SOH的影响 (c)周期长度对SOH的影响 (d)各参数对加热效果和寿命的影响。可以看出:相同脉冲参数下,温度越低,SOH衰减越大,且该参数对SOH影响不明显;脉冲幅值越大,周期越长,SOH衰减越快,且周期和幅值对SOH降低影响比温度更明显。导致生热速率更快的参数必然导致容量衰退更快,且周期缩短对容量衰退更敏感,幅值增加对生热增多的更敏感。


论文三:一种低温下的电池复合自加热方法

【分类】复合加热

【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】the State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi’an Jiaotong University, China

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

【摘要】电池性能在低温下会显着降低。为了解决这个问题,本文提出了一种用于低温电池的复合自加热法(HSHM)。该方法具有成本低、升温速度快、能量损失小等特点,具有广泛应用于电池加热的潜力。设计复合自加热法的物理和电气配置,并分析了其工作原理。然后介绍复合自加热法的加热策略来说明其加热性能。为了验证所提出的方法,建立了实验工作台。实验结果表明,即使加热电流更小,该方法的加热速度也更快,加热电池所需的能量也更少。与传统的自加热方式相比,复合自加热法的温升率提高了1.3倍,同时能量损失率降低至原来的55.6%。

【关键词】电池;电池加热;能量损失;低温;自加热;温升速率

【推荐理由】本文提出了一种同时利用电池自身产热和外部电路加热的电池自加热方法,实现了较快的加热速率与较高的效率,对电池低温加热电路设计具有参考意义。

【关键插图】

图1:提出的复合自加热方法:(a)物理结构 (b)自加热电路。

图2:复合自加热法(HSHM)与传统自加热法(TSHM)及其他加热方法之间的比较,(a)温升速率(b)能量消耗率(c)最大加热电流。可以看出,相比于其他加热方法,复合自加热法具有较高的温升速率与较低的能量消耗,以及较低的最大电流。


论文四:大型棱柱状锂离子电池热建模与实验验证

【分类】电池热模型

【题目】Thermal modeling and experimental validation of a large prismatic Li-ion battery

【作者】Nicolas Damay, Christophe Forgez, Marie-Pierre Bichat, Guy Friedrich, Alejandro Ospina

【单位】Laboratoire d'Electromécanique de Compiègne, Université de Technologie de Compiègne, Compiègne Cedex, FRANCE; E4V, Le Mans, FRANCE

【下载地址】https://doi.org/10.1109/IECON.2013.6699893

【摘要】本文对大型棱柱状锂离子电池进行了热建模和实验验证。提出了一种能够表征电池壳内部与外部主要热现象的集总模型,其中的大部分参数是利用物理和几何性质解析确定的,并通过实验确定了热容、内部热阻和处于电池和冷却系统之间的表面热阻。经过验证,模型精度为1℃。

【关键词】电池;锂离子;热模型;系统识别

【推荐理由】该论文为我们建立方形大电池的热模型提供了一种思路,提出的集总热模型在方形大电池上的应用方法能够表征动力电池组内的电池热行为,估计电池内部温度,且足够简单可以应用于板载控制器。

【关键插图】

图1:电池集总热模型。

图2:一个充放电循环内的(a)产热量,(b)仿真温度与测量值的对比。


论文五:铅酸电池健康状态的时间相关分析:一项EIS研究

【分类】电化学阻抗谱

【题目】Time-dependent analysis of the state-of-health for lead-acid batteries: An EIS study

【作者】Teodora Murariu, Cristian Morari

【单位】National Institute for Research and Development of Isotopic and Molecular Technologies, 67-103 Donat, 400293, Cluj-Napoca, Romania

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2018.11.011

【摘要】本文提出了一种预测铅酸蓄电池在可控老化条件下健康状态演变的方法,结果基于电化学阻抗谱数据。本文表明,通过收集两种荷电状态(分别为满充和75% SOC)下电池的阻抗数据,可以高精度地预测电池的寿命。我们的结论是基于老化过程中电池等效电路中常相位角元件值的线性衰减效应。为了验证我们的结论,我们对三个独立的电池进行了分析,结果表明作为循环指数函数的线性衰减是一个稳健的特征,表现在所有样本中。该方法的潜在应用包括工业产品的快速评估、测试技术变化对电池质量影响以及电池管理系统的优化开发。

【关键词】铅酸;EIS;可控老化;电池寿命预测

【推荐理由】本文提出了一种预测铅酸蓄电池在可控老化条件下健康状态演变的方法,通过收集两种荷电状态下电池的阻抗数据,可以高精度地预测电池的寿命。该方法的潜在应用包括工业产品的快速评估、测试技术变化对电池质量影响以及电池管理系统的优化开发。

【关键插图】

图1:SOC=100%时电池的循环次数对所选取的拟合参数的依赖性。

图2:Q2参数的拟合结果(SOC=75%),显示了整个老化步骤范围的线性拟合(黑虚线)以及曲线的线性部分(大约是老化序列的后一半)。


论文六:基于全电池组模型的锂离子电池组充电策略优化

【分类】电池充电策略

【题目】Optimization of charging strategy for lithium-ion battery packs based on complete battery pack model

【作者】Yunjian Li, Kuining Li, Yi Xie, Bin Liu, Jiangyan Liu, Jintao Zheng, Wei Li

【单位】Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technologies and Systems, Chongqing University, Ministry of Education, Chongqing, 400044, PR China

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102466

【摘要】由于电池组的充电控制是电池管理系统的关键,因此本研究着重研究电池组的充电策略。首先,提出了一种基于电热老化耦合的电池单体模型;随后,将电池组冷却模型和电池组平衡管理模型相结合,形成完整的电池组模型,该模型描述了电池组的状态参数以及电池组中各单体电池之间的相互作用。然后,提出了一种考虑充电时间、老化和能量损耗的多目标最优充电策略,并对平衡管理、温度和电池参数进行了限制。采用遗传算法对自适应多阶恒流恒压充电策略进行了优化,提出了一种基于最短充电时间的快速充电策略。研究结果表明,快速充电策略能显著缩短充电时间,但会导致电池老化,增加能量损耗。揭示了充电时间与老化之间的矛盾关系以及充电时间与能量损失之间的相互作用。平衡优化充电策略出现在帕累托曲线的左侧。最后,给出了一种考虑充电时间、老化和能量损耗的平衡充电策略。由于电池组状态参数和均衡管理的影响,恒流相序较单一电池平均初始充电时减小,导致充电策略不同。

【关键词】锂离子电池;多目标优化充电;电池热管理;电池组型号

【推荐理由】由于电池组中单体的热、电气等不一致性,导致基于单体模型制定的充电策略并不能完全适用于电池组,本文提出了一种以电池组的充电时间、老化、能量损耗为优化目标的自适应多目标优化电池组充电策略,可为了解基于单体模型的充电策略的读者延伸至电池组层面。

【关键插图】

图1:考虑充电时间和SOH的充电策略:(a)不同加权因子下优化的充电电流曲线 (b)不同加权因子下的温升 (c)不同权重因子下的SOH。

图2:考虑充电时间和充电损耗的充电策略 (a)不同加权因子下优化的充电电流曲线 (b)不同加权系数下的充电损耗。

图3:(a)考虑充电时间、SOH 衰减与充电损耗的帕累托前沿 (b)采用均衡充电策略的电池电流。


论文七:锂离子电池负极析锂的检测方法综述

【分类】电池析锂检测

【题目】Detecting undesired lithium plating on anodes for lithium-ion batteries – A review on the in-situ methods

【作者】Yu Tian, Cheng Lin, Hailong Li, Jiuyu Du, Rui Xiong

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

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117386

【摘要】锂离子电池在快速充电、低温充电和长期循环过程中,负极析锂对锂离子电池的老化起着至关重要的作用,会导致不可逆的容量衰减和严重的安全隐患。本研究系统地综述了析锂原位检测方法的最新进展,为选择合适的方法提供指导。一般来说,析锂可根据损伤程度分为三个阶段。可用于检测析锂的方法有电化学方法和物理方法两大类,本文对其原理、特点和局限性进行了深入分析,并对新技术的发展趋势进行了讨论。

【关键词】锂离子电池;析锂;老化;原位检测;电化学方法;物理方法

【推荐理由】本论文是首次针对车载应用研究不同镀锂检测方法的综述工作,以满足电动汽车行业对快速安全充电的迫切需求,尤其是在低温环境下。系统分析了之前文献中未提及的与车载应用程序相关的功能。

【关键插图】

图1:各析锂检测方法的原理 (a)负极电位测量 (b)差分电压分析 (c)电压弛豫曲线 (d)平均电压检测 (e)增量容量分析 (f)库仑效率。

图2:两种析锂检测方法的雷达图概述。雷达图的每个轴表示该方法的一个特点,包括BMS实现、环境适用性、实时检测、定量检测、快速检测、无需额外仪器、不限制电池类型。


论文八:考虑老化现象的数据驱动电池建模与管理方法

【分类】电池老化轨迹提取

【题目】Data driven battery modeling and management method with aging phenomenon considered

【作者】Shuang-qi Li, Hong-wen He, Chang Su, Peng-fei Zhao

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

【下载地址】https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115340

【摘要】电池是电动汽车(EV)最重要的部件之一,建立准确的电池状态估计模型对于改进电动汽车的管理策略具有重要意义。然而,电池随着电动汽车的运行而退化,这给电池建模问题带来了很大的困难。本文利用云电池数据提出了一种新的考虑车辆电池老化现象的建模方法。首先,基于Rain-flow Cycle count(RCC)算法,开发了一种电池老化轨迹提取方法,对电池老化现象进行量化,并为云端电池数据生成老化指数。然后,采用深度学习算法挖掘电池的老化特征,并基于挖掘的老化特征,建立考虑老化现象的电池模型。郑州市电动公交车的实际运行数据用于验证所提出方法的实际性能。结果表明,所提出的建模方法能够准确地模拟电池的特性。端电压和 SoC 估计误差可以分别限制在2.17% 和1.08% 以内。

【关键词】考虑老化的电池模型;电池退化量化;电池储能;电池管理系统;深度学习;电动汽车

【推荐理由】本文将深度学习算法应用于考虑电池模型的老化现象的研究,开发了一种基于RCC算法的电池老化轨迹提取方法,并为云端电池数据生成老化指数。提高了云端电池模型的准确性。文中介绍了所提出的电池老化轨迹提取方法和电池老化指数生成模型,并产生了结果和讨论。

【关键插图】

图1:基于RCC算法的电池老化轨迹提取结果。(在图示的例子中,电池经历了 4 个半循环和 4 个全循环,上面提取的电池循环可以反映电池老化信息。提取的电池循环数经过电池老化指数生成模型进一步处理,作为云端电池模型的输入,提高精度)

图2:工作中使用的电动公交车的电池运行数据。 (a) 电压数据、(b) 电流数据、(c) SoC 数据、(d) 温度数据和 (e) 600 次循环内的电池剩余容量。


论文九:考虑充电精度和充电曲线预测的电动汽车电池剩余充电时间估算

【分类】电池充电时间预测

【题目】Electric Vehicle Battery Remaining Charging Time Estimation Considering Charging Accuracy and Charging Profile Prediction

【作者】Jun-zhe Shi, Tian Min, Sangwoo Han, et al.

【单位】UC Berkeley, USA.

【下载地址】https://arxiv.org/abs/2012.05352

【摘要】近年来,电动汽车 (EV) 迅速普及,并已成为未来趋势。准确地了解电动汽车的剩余充电时间 (RCT) 是用户体验的一个重要方面。 然而,在当前的电动汽车市场中,很难找到一种能够准确估计车辆 RCT 的算法。 以直流 (DC) 充电时,特斯拉 Model X 从 10% 到 99% 的荷电状态 (SOC) 的最大 RCT 估计误差可高达 60 分钟。 一种用于电动汽车的高精度 RCT 估计算法的需求量很大,并且随着电动汽车变得越来越流行,这种算法需求将继续存在。目前要获得准确的 RCT 估计有两个挑战。 首先,大多数商用充电器无法在恒流 (CC) 阶段提供所需的充电电流。其次,很难预测恒压 (CV) 阶段的充电电流曲线。针对第一个问题,本研究提出了一种RCT算法,通过考虑历史充电精度和实时充电精度数据之间的置信区间,在CC阶段在线更新充电精度。为了解决第二个问题,本研究提出了一种电池电阻预测模型,使用径向基函数 (RBF) 神经网络 (NN) 来预测 CV 阶段的充电电流曲线。测试结果表明,本研究提出的RCT算法在CC和CV阶段分别比传统方法的容错率率提高了73.6%和84.4%。

【关键词】电动汽车;锂离子电池;剩余充电时间估计;直流快充;电池模型;神经网络

【推荐理由】本文是一篇针对剩余充电时间(RCT)预测较为代表性的文章,可以帮助读者理解充电时预测难点,学习如何提高充电时间预测容错率的方法,其中针对CC和CV两种常见的充电形式分别提出了预测方法,提高电池充电时间预测的准确度。

【关键插图】

图1:恒流和恒压充电过程中的电压曲线。

图2:RCT 估计的三种充电场景:(a) 场景11当前SOC和目标SOC均在CC范围内;(b)场景2当前SOC在CV范围内;(c)场景3当前SOC 处于CC范围内目标SOC在CV范围内。

图3:在没有关于电池组的先验知识的情况下,所提出的方法的剩余充电时间估计结果:(a)第一次充电周期;(b)第二次充电周期;(c)第三次充电周期。


论文十:汽车电池生产技术的现状与挑战

【分类】电池设计

【题目】Current status and challenges for automotive battery production technologies

【作者】Arno Kwade, Wolfgang Haselrieder, Ruben Leithoff

【单位】Braunschweig University of Technology Tech Univ Carolo Wilhelmina Braunschweig, BLB, Braunschweig, Germany.

【下载地址】https://doi.org/10.1038/s41560-018-0130-3

【摘要】汽车锂离子电池(LIB)和电池组生产技术在过去的五年中有了显著的提升。然而,由于大量连续的工艺步骤以及材料特性、电极组成和电池设计对工艺流程的重要影响,材料、电池设计和工艺从实验室规模到生产规模的转移仍然是一个挑战。这需要深入了解单个生产过程及其相互作用,并对工艺参数选择和原型电池生产进行中试规模的调查。此外,新兴工艺概念必须在实验室和中试规模开发,以降低生产成本和提高电池性能。在这里,我们介绍了汽车锂离子电池的最新生产技术,然后我们讨论工艺、质量和性能之间的关键关系,以及探索材料和工艺对规模和成本的影响。最后,提出了旨在克服主要挑战的未来发展和创新。

【推荐理由】本文主要介绍了锂离子电池的最新生产技术,讨论了工艺、质量和性能之间的关系,并探索材料和工艺对成本的影响,并提出了生产技术未来的发展。

【关键插图】

图1:通用的电池工艺链。工艺包括电极和电池生产,单体调节,模组和电池包装配。灰色箭头表示转移到下游的中间产品,其最重要的产品特性在右边的方框中表示。虚线框突出了根据水分含量的高标准电池生产工艺。

图2:电极和电池生产技术的前瞻性概念,(a)工艺强化和集成:可选择的干燥方法、挤压和干涂层方法 (b)在替代工艺中,半固态电池概念不需要干燥工艺。(c)一种利用电场增强动力学的电极结构方法 (d)切割与放置模组有益地利用了切割过程中的电极位置和方向,以便在堆叠过程中立即精确放置 (e)在连续Z形折叠中,离散电极被交替放置在连续馈入的分隔带的上方和下方,然后被圆周夹持器锯齿形折叠 (f)阳极和阴极同时放置在分隔条的不同侧面,整个翻转180度。

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