河北工业大学科研人员提出锂离子电池不均匀发热的新模型

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近年来，随着环境问题和能源危机的日益突出，亟需更高效、更经济和对环境更友好的能源。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长和自放电率低等优点，被广泛应用于电动汽车和储能系统等领域。锂离子电池的最适工作温度为15～35℃，一旦超出最适温度区域，将会加速电池性能衰退，甚至面临火灾和爆炸在内的安全问题。然而，在复杂应用环境中，锂离子电池易发生局部温度偏高、内部温度分布不均匀等问题。

锂离子电池充放电过程中出现温度分布不均匀的热行为是由于电池内部电流密度的不均匀性、电化学反应的复杂性、生热时变性和非线性等特点导致的，这会造成电池的区域老化和荷电状态（SOC）分布不均匀。严重情况下，可能会由于电池区域过度充电或过度放电而引起局部失效。并且，这种不均匀温度分布在高倍率时更加显著。因此，建立识别锂离子电池温度不均匀分布的热模型至关重要。

目前的研究中，电池的热模型包括电热耦合模型和电化学热耦合模型。电热耦合模型是基于电池等效电路模型，根据过电势或电阻计算产热量，通过热方程与热模型耦合，实现温度预测，但是它不能体现电池发热的不一致性，不足以体现电池温度空间分布的不均匀性。电化学热耦合模型通过模拟电池内部的电化学行为，实现电池温度预测。虽然电化学热耦合模型可以通过不均匀的电流密度来表达温度的不均匀性，但是该方法需要许多不确定的内部参数，如正负极电势和电导率等，导致模型很难完全参数化。

针对锂离子电池放电过程中温度空间分布不均匀的情况，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室（河北工业大学）、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室的刘素贞、陈晶晶、张闯、金亮、杨庆新，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，提出一种新的基于区域电压的锂离子电池不均匀发热模型，用来实时预测电池温度分布。

图1  电池测试系统

研究人员考虑电池尺寸和热特性，将电池分为九个区域并进行开路电压测试，实时记录每个区域表面温度变化，采用每10%荷电状态（SOC）下降期间测量的表面温度和环境温度数据计算得到区域电压，根据区域电压获得电池的区域发热量，并建立三维仿真模型得到电池温度空间分布。使用该不均匀发热模型预测了放电倍率为0.5C、1C、2C、3C和4C时的电池温度空间演变。

仿真结果显示该模型能捕获温度的不均匀分布，并通过实验验证，温度误差在1℃以内，相对误差在5%以内，表明该模型能够对温度分布进行有效监测，为电池温度不均匀分布提供了一种有效的方法。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于区域电压的锂离子电池不均匀发热模型”。本课题得到河北省中央引导地方科技项目和清华大学电力系统国家重点实验室资助课题项目的支持。

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