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用于城市能源系统应用的方形锂离子电池热建模

摘要

随着电动汽车的日益普及，以及全球范围内开发低碳可持续城市的努力，城市环境中的能源生成与消耗方式正经历着重大变革。在此背景下，锂离子电池的热管理对于电动汽车的安全性和能源效率至关重要。本研究调查了50 Ah方形LiFePO4电池的热行为₄电池采用2RC电模型与三维热网络模型耦合。该方法扩展至五个串联电池组成的模块。开路电压、阻抗参数和熵系数通过实验获得，而热阻和热容则在合理假设下使用简单且具有成本效益的方法进行估算。所开发的电热模型结合表征的电学和热学参数，用于预测在代表电动汽车高强度使用的运行工况下的温度演变。所开发的单电池和电池模块模型均表现出强大的预测能力，在所应用的场景中，单电池的温度偏差限制在约1.5 °C和1 °C，模块的温度偏差约为3.5 °C，其中电池在整个应用场景中经历了显著的温度升高。

城市能源系统正在经历快速转型，以响应全球向低碳和可持续城市的转变[1]。在这方面，可再生能源、电气化交通和储能系统日益融合，正在重塑城市环境中能源的生产与消费方式。在这些发展中，电动汽车（EV）因其减少温室气体排放和降低对有限化石燃料依赖的潜力，已成为可持续城市交通的关键组成部分。
过去几年中，锂离子（Li-ion）电池因其高能量密度、优异效率和长寿命，已成为大多数电动汽车（EV）的主要动力源，优于其他类型的电池[2,3]。然而，该技术对工作温度高度敏感，任何偏离推荐范围的情况都可能加速电池老化并带来安全风险，尤其是在极端条件下。因此，需要有效的电池热管理系统来调节整个运行过程中的温度[4,5].
准确预测电池温度对于确保其在不同运行阶段的安全和最佳性能至关重要。然而，在研究电池的热行为时，必须解决两个主要挑战。第一个挑战在于选择合适的建模方法，以平衡温度预测的精度和所需的计算时间，而第二个挑战在于识别锂离子电池的热参数，这些参数属于机密信息，制造商很少分享，且其表征需要专门的实验方案。
从模型选择开始，针对锂离子电池热分析已提出了多种建模方法，其中有限元模型和解析集总热阻模型被广泛采用[6]。有限元模型以其捕捉电池内部详细空间温度的能力而闻名，使其特别适合研究具有不同化学成分和形状的单体电池[7,8,9,10]以及由多个串并联电池组成的电池模块[11,12,13]。然而，它们的高空间分辨率需要离散化为大量计算单元，最终导致模拟时间增加和内存需求提高。
另一方面，集总分析模型将电池表示为一个具有有限计算节点的简化系统，其中电池内部的热行为基于热系统与电系统的类比，通过简化的热阻和热容网络进行近似。因此，与有限元模型相比，此类模型在许多应用预测中，既能提高计算效率，又能保持令人满意的温度预测精度。因此，它们已被广泛应用于单电池[14,15]和电池模块级[16,17]。例如，在单电池层面，文献[18]对圆柱形26650 LCO电池的集总分析热模型和有限元热模型进行了对比研究。在1.5 C放电条件下，分析热阻模型实现了计算时间的缩减（0.61秒，而有限元模型为463秒），同时提供了可接受的表面温度预测精度，均方根误差（RMSE）约为0.2 °C。此外，在电池模块尺度上，文献[19] 证明了耦合冷却系统的锂离子电池模块解析热模型的计算优势。与有限元模型相比，所提出的建模方法将计算时间缩短了96.1%，而温度预测精度仅下降了约1%。
虽然热建模为预测电池温度提供了结构化框架，但其准确性高度依赖于热参数的准确表征，这仍然是现有电池热行为研究中的一个重大挑战。文献中的多项研究已通过提出各种电池热表征方法来应对这一挑战。例如，[20,21] 依靠加速量热法来确定热参数（如热容和热导率），因其具有高精度。然而，该技术成本高昂且需要专用仪器，这限制了其在实际中的应用。
另一方面，替代方法采用简化方法，通过将温度测量与集总热模型相结合，来估算热参数及周围热环境条件。这些方法可以是侵入式的，涉及直接测量核心温度以进行参数识别[22]，也可以是非侵入式的，仅依赖表面温度测量[23]。除了单维集总模型外，还可以使用多维模型进行热特性表征[24,25]，这解释了各向异性热导率和散热方向性的变化。与ACR技术相比，这些方法在准确性和复杂性之间取得了实际的平衡；尽管它们无法达到量热法的精度，但所需的专业装备较少，且更具成本效益。此外，使用此类热模型减少了参数估计所需的计算量。
在本研究中，调查了锂离子电池单体以及由多个串联电池组成的模块在各种运行条件下的热行为。本文的主要贡献是开发了一种简单而准确的建模方法，能够预测单体电池和模块的热行为，并与实验数据高度吻合。此外，还提出了一种系统性的热参数表征方法。该方法在实验上非常直接，仅需气候箱、电动循环器和热电偶即可测量多个位置的温度。目标是提供一个计算高效且具有成本效益的热建模框架，同时保持令人满意的准确度。本文结构如下：第2节概述了用于测试电池的实验装置，并介绍了所开发的电热模型。本节详细介绍了用于识别电池电学和热学参数的实验表征技术。电池模型在单体电池和电池模块上的模拟结果在第3节中给出。最后，第4节总结了论文。

2. 材料与方法

2.1. 实验设置

图1展示了用于表征锂离子电池电学和热学参数以及验证所开发电热模型的实验装置。本研究采用新型50 Ah方形LFP电池。电池放置在Friocell 707箱体内以控制环境条件，并连接到Biologic BCS-815充放电测试仪以施加电负载。此外，安装了多个K型热电偶（TC）以监测整个测试过程中不同位置的温度。关于热电偶位置的更多细节将在后续章节中提供。
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图1。采用的实验装置。
图2展示了组装模块的顶视图和侧视图，该模块由五个新的50 Ah LFP电池组成，与图中所示的电池完全相同图1]中的作者将其串联（5S1P）。用于电池模块的实验装置与单电池采用的装置相似。如下图所示，四层1毫米厚的PVC层，标记为，被用作相邻电池之间的隔板。此外，两层12毫米厚的PVC层，被称为，用于将模块固定在一起，通过螺杆和螺母确保组件的稳固。与单电池情况类似，该模块配备了多个K型热电偶（TC），这些热电偶位于电池之间及其外部表面上。PVCintPVCintPVCsidePVCside
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图2。组装好的5S1P电池模块。电芯编号为1至5。在图中，正极极耳为红色，负极极耳为金色。

2.2. 电热建模

2.2.1. 单细胞模型

所提出的单电池3D热网络模型的示意图如图3所示。类似的模型此前已开发并与有限元模型进行了对比[5]，结果显示两者在精度上吻合良好，温差低于1°C，且计算速度显著加快。
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图3。提出的单电池热网络模型。电阻中的红色和绿色分别表示内部和外部。
所提出的模型由多个节点组成，代表不同位置的温度，如核心、表面和周围环境。热容被认为位于核心节点，该处也会产生热量。此外，假设外部表面是无质量的，并且在电池运行期间不产生热量。在这方面，核心处的热量通过传导转移到外部表面，然后通过对流向三个方向的环境中耗散，忽略辐射的影响。红色电阻代表内部导热电阻，而绿色电阻则表示外部对流热阻。
根据热力学第一定律，电池内部发生的各种热现象之间的关系可以用以下能量平衡方程来描述：

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