分会场5-6-锂电池低温预热与考虑老化下的电池快充策略研究-谢翌-重庆大学

锂电池低温预热与考虑老化下的电池快充策略研究谢翌教授重庆大学机械与运载工程学院微微观宏观□正极中缓慢的动力学□正极中缓慢的动力学□安全隐患隔膜隔膜集低集低1.电池低温加热-快充的背景介绍采用钛酸锂作为负极，低融点低粘度电解液，减小正极活性颗粒大小(缺点：需要平衡所有材料优缺点，短期内难以实现)前对电池进行预热，提高电池的运行温度热耗散热耗散传热路径(对流传热)传热路径外部预热加热装置，例如电热丝，加热板或者热泵，在电池外部产生一定的热量，通过热传递(对流传热或者传导传热)的方式将外部产生的热量传递到电池□传热路径长电池预热方法内部自加热内部预热通过电池内部的内阻直接产热，从而使电池的温度上升□预热系统简单电阻预热 tt=Up(t)e-At/TPos+Ib(t)Rp基于的双RC电路电-热耦合模型的建立其中欧姆内阻、极化内阻和极化电容都是与I、SOC、T其中欧姆内阻、极化内阻和极化电容都是与I、SOC、T有关的多参数模型；而开路电压和电动势温度影响系数都是与SOC有关的单参数模型。④TO电池双RC电路电模型产热模型QI2.面向低温加热的电池模型的建立实验台布置热电偶布置实验项目包括：电池低温放电特性实验、电池充放电内阻实验(HPPC)、电池充放电温升实验。实验仪器包括：恒温箱、新威充放电测试仪、安捷伦温度采集仪、T型热电偶、电化学工作站。技术指标石墨操作温度/℃充电：0-55;放电：-30-55;电池低温特性实验(放电内阻)5200.5C放电欧姆内阻223,10010.3C放电极化内阻0.5C放电极化内阻2876543265654J98 100.5C放电极化内阻0.3C0.5C放电极化内阻正负极放电内阻：正负极放电欧姆内阻和极化内阻都随着温度降低而明显增大。正极放电欧姆内阻和极化内阻随SOC的变化趋势一致,均呈U型变化；而负极欧姆内阻几乎不随SOC变化而变化，但是负极极化内阻则随着SOC呈S型变化。电池低温特性实验(开路电压) 2.共性问题-析锂的预测-基于电荷转移阻抗的析锂判据■析锂模型的建立在交流加热过程中，为了避免电池的石墨负极发生析锂,负极的固相电位φs与液相电位中的差值应大于锂沉积反应I>ULi/Li+其中，锂沉积反应电位通常为0V(VSLi/Li+)。在电池的式中，Un,ocv为石墨负极的平衡电位。通过Butler-Volmer方程的线性化后，负极的过电位可以近似表达为：式中，ict为法拉第电流，充电时ict的符号为负，Rn,ct为负极的电荷转移电阻。因此可得：由于负极电荷转移电阻的辨识需要三电极电池或电化学模型，且低温下负极的电荷转移电阻远大于正极，因此对其进行简化，使用电池总的电荷转移电阻代替负极电荷转移电阻，上式改写为：Un,ocv的值是固定的，且Rct的值大于Rn,ct的值，因此替换后，计算得到的最大允许电流的绝对值会更小，这使得析锂模型更加可靠。在等效电路模型中，电荷转移电阻两端的电压可以因此，防止析锂的判据最终可以表达为电荷转移电阻两端的电压小于负极的平衡电位，即： 析锂模型的验证采用三电极电池验证析锂模型的有效性，如下图所示三电极实物图测试得到-20℃时不同SOC下三电极电池负极的平衡参考日本JEVS峰值功率测试方法，如下图所示，以方波的幅值为横坐标，0.5s充电脉冲结束时的负极电位为纵坐标，绘制负极电位与幅值的线性关系曲线，从而计算得到负极电位为0V时的电流幅值为33.6A。采用此方法获得各个温度下的最大允许电流幅值下表所示。负极电位YS负极电位YSLi/Li+(V)温度(℃)脉冲结束时负极电位与电流线性关系不同温度下最大允许电流幅值温度2.基于电荷转移阻抗的析锂判据-对应模型IRseiRctSOC为50%时不同温度下Nyquist图的对比结果16/25□信号发生模块产生锂离子电池低温加热所需的压作为输出，同时，将模型的参数值作为热模型的输入，计算电池的阻抗实部，从而得到电池的发生模块和电模型，更新正弦交流电参数和电模111RctRsci对流换热量：频域热模型信号发生模块正弦交流信号等效电路模型RctCdl_LL3.基于变频-变幅值的交流极速冷车加热策略构建在交流电加热过程中，对电池的上、下截止电压进行约束，与析锂模型共同作为抑制电池老化的边界条件，可以表达为：因此，在正弦交流电加热过程中抑制电池老化的最大允许电流幅值为：■不同温度和频率下抑制电池老化的最大允许电流幅值及产热率如右图所示：□虚线左侧低频范围，最大电流幅值受到析锂模型的约束，在虚线右侧高频范围，最大电流幅值受到截止电压的约束□最大允许电流幅值和产热率曲线趋势一致，均随温度和频率的升高而增大□当频率过高时，最大允许电流幅值和产热率曲线出现峰值 温度区间温度区间-20℃到-15℃-15℃到-10℃-10℃到-5℃-5℃到0℃0℃到5℃温度区间-20℃到-15℃-15℃到-10℃-10℃到-5℃-5℃到0℃0℃到5℃SOC为30%时的交流电参数温度区间-20℃到-15℃-15℃到-10℃-10℃到-5℃-5℃到0℃0C到5℃■抑制电池老化的交流电加热策略的开发以及实验验证否是是否否是停止加热温度是否升高5℃SOC为70%时的交流电参数(针对65AhLFP)SOC为70%时的交流电参数(针对65AhLFP)是是频率(Hz)电流(A)最大产热率(W)是SOC为20%时的交流电参数否否否否频率(Hz)电流(A)最大产热率11是低温交流电加热流程图最佳点析锂频率幅值0010000.0290.2170.4810.8211.2351.7262.29100002.5382.5052.4793.0647.1757.1037.04600000000000002.38100000000电压(V)电压(V)时间(s)QrQQ.nQosyAhSOHElectricalmodelThermalmodelDatatransferI²(R°+Rp)I²(R°+Rp)Rc-hA(T-Tf)UTUUTLiDJMPCSetinitialcharzingcurrent/(0)Calca