Numerical modeling of electrochemical–mechanical interactions in lithium polymer batteries

This paper presents a multi-scale finite element approach for lithium batteries to study electrochemical–mechanical interaction phenomena at macro- and micro-scales. The battery model consists of a lithium foil anode, a separator, and a porous cathode that includes solid active materials and a liquid electrolyte. We develop a multi-scale approach to analyze the surface kinetics and electrochemical–mechanical phenomena within a single spherical particle of the active material. Homogenization techniques relate parameters in the micro-scale particle model to those in the macro-scale model describing the lithium ion transport, electric potentials and mechanical response based on porous electrode theory.     

一种锂电池组的双重均衡充电管理系统

将无耗散型（DC/DC开关电源均衡充电）和有耗散型（电阻网络分流）相结合,利用其各自优点,设计了一种动力锂电池组充电均衡系统,实现对锂电池组充电的双重均衡控制。仿真结果表明,该系统不仅具有防过充电功能,还能够实现对电压较低电池单体进行补偿充电,可以有效均衡电池组单体电池电压。     

本安电路中锂电池的设计要求

介绍了目前国内外关于锂电池的安全性能要求、本安电路中电池和电池组的设计要求,分析了本安电路电池设计中的常见问题及对策,提出了确保本安电路中锂电池安全性能的设计要求,及电池供电的本安型设备的使用和维护要求。     

The numerical study of a microscale model for lithium-ion batteries

We consider a thermodynamic consistent microscale model from for the transport processes of lithium ion concentration and charge in lithium ion batteries. A fully convergent finite element discretisation in space of arbitrary order with uniform time stepping is discussed for this strongly nonlinear coupled system of nonlinear PDEs. We analyse the error for higher order finite element methods on a representative geometry, which shows already the difficulties when dealing with a realistic microstructure. Moreover we derive explicit analytical formulas for the exact solutions for the elliptic subproblem and the complete time-dependent problem for a non-trivial geometry. These results show the need for appropriate boundary approximations as well as adaptive refinement strategies. In addition we incorporate a two-phase intercalation model for the electrode. This moving boundary model, also called Stefan problem, has also been implemented. Simulations of our battery model including the two-phase model will be shown.     

工业锂电池退化过程研究与剩余使用寿命预测

随着锂离子电池在航空航天、军工建设、工业制造、电动汽车以及储能设备等领域的广泛研究与应用,其剩余使用寿命预测具有重要意义.本文通过对锂离子电池退化原理与退化过程数据分析,剔除锂离子电池松弛效应,建立含随机效应的Wiener退化过程模型.在获知其退化阈值的情况下,推导出锂离子电池的寿命分布,并在此基础上,对单个锂离子电池剩余使用寿命进行预测.最后在NASA的PCoE数据库提供的电池数据集进行实例验证,结果表明相对于参考文献所述传统的设备贮存-工作联合退化模型,Wiener过程退化模型具有更高的预测精度.     

基于神经网络的电动汽车电池SOC估算研究

论文首先分析了当前电动汽车电池管理系统中存在的问题,特别是电池电压的精确测量和剩余电量的准确预测问题一直亟待突破,因此,论文在分析电池荷电状态(SOC)影响因素的基础上,进行了动力电池的充放电实验,建立了BP网络电池模型,通过对网络进行训练,应用神经网络模型进行SOC估算,实验表明:建立的BP网络具有较好的适应性,能有效预测锂离子动力电池电压、电流和放电容量间的映射关系。可以准确地对电动汽车电池进行SOC估算。     

基于卷积自编码神经网络的锂离子电池健康状况评估方法研究

目前锂离子电池已被广泛用作能量存储系统,在手机、电动汽车和飞机中均有广泛的应用。然而锂离子电池在使用过程中存在一定的危险性,若不能及时对电池健康状态评估（SOH）发现危险将会导致十分严重的后果。因此,研究一种基于卷积神经网络的锂离子电池健康状况评估方法,该方法通过使用卷积自编码神经网络对电池状态数据进行特征提取,有效提升了评估的准确率,并且神经网络能够在使用过程中不断进行学习,具有较高的灵活性,最后通过使用NASA公开的锂电池数据集测试,评估准确率达到93.6%,相比传统方法有较大提升。     

锂离子动力电池包CFD仿真

针对电动汽车锂离子电池包设计过程中需要注意的散热问题,通过对某电池包模块的几何模型进行简化建立相应的计算模型,通过FLUENT仿真,从多个角度分析不同设计方案对电池包散热性能的影响.通过对仿真结果的对比和分析,发现随着电池包进口风速的增加,电池包的散热性能逐步提升;但超过一定速度后,进一步提升进口风速对电池散热性能的提升效果有限.电池叉排比顺排散热性能要好;随着电池间距的增加,电池包的散热性能随之提升,且改变纵向间距对散热性能的影响大于改变横向间距;边界距离对电池包散热性能的影响较大,距离的减小能提升电池包的散热性能.     

基于布谷鸟算法优化BP神经网络的锂电池健康状态预测

锂电池健康状态(SOH)的预测是电动汽车锂电池管理系统的最重要的关键技术之一;传统的误差逆向传播(BP)神经网络容易使权值和阈值陷入局部最优,从而导致预测结果不精确;结合布谷鸟搜索算法(CS)的全局优化能力,提出一种基于CS算法优化BP神经网络的锂电池SOH预测方法,该方法的核心在于优化BP神经网络的初始权值和阈值,从而减小算法对初始值的依赖;为了验证算法的泛化性,利用美国国家航空航天局开源锂电池数据集6号电池和7号电池进行仿真实验,仿真得到该算法预测SOH的均方根误差(RMSE)分别为0.2658和0.2620,平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.3319%和0.2605%;通过与BP神经网络、粒子群优化的BP神经网络(PSO-BP)、遗传算法优化的BP神经网络(GA-BP)对比,布谷鸟算法优化的BP神经网络(CS-BP)具有更小的预测误差。     

串联锂离子电池组均衡充电方法研究

目前,制约电动汽车发展的关键难题就是串联锂离子电池组电压不均衡问题,为了提高串联锂离子电池组在充电过程中的电压一致性,设计了一种基于Buck斩波电路的串联锂离子电池组均衡充电电路.基于锂离子电池的特点对系统总体设计进行阐述,提出一种改进的能量转移型均衡电路.阐明了该电路的工作原理,给出了均衡充电电路的控制策略.实验结果表明,该均衡电路可以使单体电池电压在充电过程中得到均衡,改善电池组的充电特性,实现较好的均衡效果.     

Feature-based modeling for automatic mesh generation

Automatic meshing algorithms for finite element analysis are based on a computer understanding of the geometry of the part to be discretized. Current mesh generators understand the part as either a boundary representation, an octree, or a point set. A higher-level understanding of the part can be achieved by associating engineering significance and engineering data, such as loading and boundary conditions, with generic shapes in the part. This technique, called feature-based modeling, is a popular approach to integrating computer-aided design (CAD) and computer-aided manufacturing through the use of machinable shapes in the CAD model. It would seem that feature-based design also could aid in the finite element mesh generation process by making engineering information explicit in the model.This paper describes an approach to feature-based mesh generation. The feature representation of a fully functioning feature-based system that does automatic process planning and inspection was extended to include finite element mesh generation. This approach is based on a single feature representation that can be used for design, finite element analysis, process planning, and inspection of prismatic parts. The paper describes several advantages that features provide to the meshing process, such as improved point sets and a convenient method of simplifying the geometry of the model. Also discussed are possible extensions to features to enhance the finite element meshing process.     

无监督聚类在锂离子电池分类中的应用

单体电池的一致性,决定了电池组的性能,如何选出性能一致的单体电池又一直是电池组研究中的重点所在。本文采集了100个合格锂离子电池的6项性能指标(老化前后电压、容量、内阻、1C放电平台、电芯厚度),运用主成分分析(PCA)、核主成分分析(KPCA)、随机森林(RF)3种无监督聚类方法,对数据结构进行了研究。结果表明,数据指标之间存在复杂的非线性关系,主成分分析和核主成分分析,均未能形成明显聚类,但随机森林数据在低维空间显然形成4类,任意从中选4个电池组成电池组作循环性能仿真测试,结果显示由由该方法挑选出的单体电池具有较好的一致性。     

基于改进神经网络算法的医疗锂电池PHM系统设计

针对医疗电子设备锂电池不确定性发生故障耽误病人救治的问题,提出了一套医疗电子设备锂电池故障预测与健康管理系统(Prognostics and Health Management-PHM);搭建了一套医疗电子设备锂电池数据测试与退化状态模拟的实验平台;为了反映医疗电子设备锂电池健康状态,将锂电池四个健康因子作为医疗电子设备锂电池退化状态的特征进行提取,并通过非线性自回归(Nonlinear Autogressive with Exogenous Inputs-NARX)神经网络,对四个健康因子的数据进行训练,训练后用于容量估计,得出等间隔放电时间序列能够较好地表征锂电池健康状态;为了提高基本粒子滤波算法(Particle Filter-PF)的精度从而更精确地预测锂电池剩余寿命(Remaing Useful Life-RUL),通过人工免疫粒子滤波算法(Artificial Immune Particle FilterAIPF)与经验模型对锂电池进行剩余寿命预测,并将PF预测的结果与AIPF预测的结果进行对比,发现AIPF预测更加准确,说明AIPF有效抑制了PF重采样过程中粒子退化问题,验证了医疗电子设备锂电池故障预测与健康管理系统的可行性与可实施性。     

纯电动客车轮边驱动桥的有限元分析

为使某全通道低地板纯电动客车的轮边驱动桥满足强度设计要求,在传统的静强度有限元分析的基础上建立轮边驱动桥的动力学有限元模型,通过模态分析获得其固有频率特性,以扭曲路面空间不平度作为输入条件进行瞬态分析获得其在颠簸路面路况下的瞬时应力分布,并与实际路试结果比较.结果表明在传统的静强度分析基础上,通过施加一定的强迫位移模拟轮边驱动桥通过凸包路面的情况,能较全面地获得其静态弯扭强度.     

锂电池组关键参数模块化在线检测方法研究

锂电池是一种新兴的绿色清洁能源。与其他的化学电池相比,锂电池具有寿命长、能量密度高的优点。由于电池组电压、电流、温度等关键参数至关重要,采用模块化设计思路,结合芯片采集与高可靠数字通信基础,研究了一基于LTC6804的锂电池组关键参数检测的硬件系统。对锂电池组的关键参数进行了研究。采用STM32作为控制中心,LTC6804作为电压采集芯片,INA219作为负载电流检测模块,DS18B20作为温度检测器件。系统的电路板尺寸为110 mm×84 mm。其具有高集成度、空间利用率高的特点。试验结果表明,系统下单体电压值采集绝对误差低于2 mV、电流值采集绝对误差为10 mA、温度采集绝对误差为0.5℃,整个系统具有较高的精确度和可靠性。该系统可为锂电池组提供关键参数的精确检测,对锂电池组的安全运行有着重要意义。     

锂电池健康状态快速测量及系统实现

为实现大规模退役锂电池的梯次利用，需要快速测量锂电池的健康状态。基于EIS的低频阻抗测量不仅耗时长，而且针对电池等效电路的还需要做复杂的参数估计，因此，建立了锂电池扩散过程健康因子与低频阻抗的关系，结合扩散过程健康因子和锂电池直流内阻以快速评估锂电池健康状态。其次，设计和构建快速测量系统以测量低频阻抗和直流内阻。实验结果表明，可通过测量扩散过程健康因子和直流内阻判断锂电池健康状态，测量过程仅需花费三分钟的时间，而且准确性较高，快速测量系统可应用于各个实际的工业现场，实现了集快速性、准确性、经济性于一体的目标。     

矿用锂离子电池组均衡管理系统研究

针对矿用大容量锂离子电池组在使用过程中,由于单体电池的性能差异,长时间充、放电过程中容量差异不断增大,最终导致锂离子电池组性能急剧下降缩短循环寿命缩短的问题,对多种电池组均衡充电技术进行研究并结合煤矿用防爆电气设备的结构特点,设计出一种适用于煤矿用锂离子电池电源的主动均衡型控制系统,该系统根据电池组中各单体电池的不同状态,在完成主充电状态后,通过均衡控制电路对电压较低的单体电池进行均衡充电,实现整组电池的均衡。通过实验和工业应用结果表明,该均衡控制系统可实现均衡充电误差小于30mV,锂离子电池组使用寿命大幅延长。     

基于无线通信和传感器的动力电池在线监测系统设计

组成动力电池组的单体电池不能保证各项性能完全一致,致使电池组安全运作留下隐患。为给动力电池组提供安全可靠的工作环境,实时掌握电池组工作状况,延长电池组使用寿命,设计一种基于无线通信和传感器的动力电池在线监测系统。系统利用传感器、STC12C5A62S2单片机、无线通信技术、MATLAB编辑软件进行电气量采集、数据控制处理、无线传输和显示界面设计,实现动态监测电池组的主要参数有单体电池电压和电流、电池组总电压和总电流、温度。经反复实验验证监测系统精度可高达0.2%且运行平稳可靠,可完成对动力电池组实时状态判读,出现异常状况作出在线维护指令。     

一种新型锂电池充电技术

针对锂电池充电速度慢,效率低,单体电池成组充电时参数差异大等问题,从充电方法、停充检测和均衡控制三方面,提出了一种新型锂电池充电技术.改进了分阶段充电方法,使充电电流符合最佳充电曲线,有效提升了充电速度,减少了电池的析气量;提出了一种依据电压变化率的停充检测方法,避免过充的同时提升了电池剩余容量(SOC);针对单体电池成组充电,提出了一种电容均衡法,利用功率开关和电容器的储能特性实现能量转移,保证了充电过程中单体电池参数的一致性.实验结果表明:充电技术提高了锂电池充电速度和效率,并保证成组充电时单体电池参数的一致性.     

矿用单轨吊磷酸铁锂电池组复合式分层均衡电路

在矿用单轨吊磷酸铁锂电池组连续的充放电循环中,各单体电池不一致性会导致电池组整体性能衰减、使用寿命缩短,传统电池组均衡方式均衡时间长、控制策略复杂。针对上述问题,在Buck-Boost均衡电路和飞渡电容均衡电路的基础上,提出了一种复合式分层均衡电路。底层和中间层Buck-Boost均衡电路按照二叉树结构构建,顶层飞渡电容均衡电路实现3个相邻电池组之间任意2个电池组的能量传递,使电池不仅能够在层内进行能量传递以实现相邻电池间均衡,还可在层间进行能量传递以实现非相邻电池间均衡。仿真结果表明,复合式分层均衡电路大大缩短了均衡时间,显著提高了电池电压一致性。