气压及加热功率对锂离子电池热安全的影响机制

随着锂离子电池的普及应用，其在航空低气压环境下的热安全问题受到广泛关注。对此，在20～95 kPa的气压环境下，以30～100 W的加热功率诱导电池热失控，通过电池热失控现象、温度及时间的分析，研究航空低气压环境下加热功率对锂离子电池热安全行为的影响机制。研究表明：气压的降低导致电池安全阀打开时间提前，但由于低气压环境下对流换热系数和特征达姆科勒数的减小，电池从安全阀开启到热失控的过渡时间延长；而加热功率的提高显著缩短了电池的热失控时间，加剧了电池热失控燃爆，同时也缩短了电池的加热时间，导致外部热源传递给电池的热量减少，热失控过程中电池表面峰值温度降低；在二者的综合作用下，电池的热失控时间总体呈现出随功率增加而减小的趋势，但气压的作用导致其变化规律呈现出明显差异。为实现气压及加热功率综合影响下电池热失控时间的预测，通过多项式拟合，构建电池热失控时间预测模型，预测精度控制在(3±2) s。     

锂离子电池SOC及容量的多尺度联合估计

锂离子电池的荷电状态（SOC）和电池容量估计是电池管理系统的核心。由于SOC和容量在估计过程中参数相互影响，提出一种适用于三元锂离子电池SOC及容量的多尺度联合估计方法。采用戴维宁等效电路模型，建立数学模型及状态空间方程。针对不同温度下电池特性不同的问题，在不同温度下开展了模型参数辨识，建立了参数随SOC及温度的变化关系。基于双扩展卡尔曼滤波（DEKF）算法建立了电池状态多尺度联合估计模型，对电池的SOC、极化电压在微观时间尺度上进行估计，对电池的容量在宏观时间尺度上进行估计，并对SOC估计中的容量进行更新，保证了电池长期估计的精度。在宽温度范围内进行验证，所建立的三元锂离子电池多尺度联合估计方法具有较高的精度。      

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA)正极材料的磷酸表面改性

针对新一代空间型号产品对储能电源提出的更高需求,提出采用表面改性的方法提升LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）正极材料在锂离子电池中的循环稳定性。通过采用磷酸（H3PO4）对NCA正极材料进行表面处理,H3PO4会与NCA颗粒表面的含锂碱性物质发生反应,从而在NCA颗粒表面生成稳定且导电性良好的Li3PO4界面层。循环以及阻抗测试结果表明,经H3PO4表面处理的NCA材料组装电池循环50次后电池容量为170.5mA·h/g,容量保持率达到94%以上,界面阻抗得到抑制。H3PO4表面处理有效抑制了NCA颗粒表面碱性残留对电化学性能的不良影响,提升了界面稳定性,获得了更好的循环性能。     

三维控制图在锂离子电池性能监测中的应用

为了在锂离子电池加速退化试验中监测锂离子电池的性能状态,为分选提供依据,引用了质量管理中的控制图方法.在锂离子电池失效机理的分析中,获得了可以表明电池当前性能状态的两个关键参数:开路电压和放电容量,并讨论了它们的关系;采用放电容量和开路电压形式的二维平面点作为三维控制图的主体,通过相关试验数据使用SPSS数理统计软件确定控制上下限;最后使用MATLAB完成三维控制图,并叙述了几种控制图的分析方法.该结论适用于电池产品的验收和分选,也可为评估电池的寿命及可靠性提供依据.     

深空探测用锂离子蓄电池在轨管理策略研究

高轨卫星、深空探测器在工作周期内地影时间较短,储能电池长期处于搁置状态,而在存储过程中由于界面副反应的存在会导致持续的锂离子电池容量衰降,影响储能电池的使用寿命。通过dV/dQ曲线分析、交流阻抗分析和解剖分析发现在存储过程中活性Li损失是导致锂离子电池容量损失的主要原因,在100%SoC状态时还会导致电解液在负极表面的分解加剧,引起正极的界面膜阻抗R_(SEI)和颗粒间接触阻抗R_(CR)出现明显的增加。研究结果表明:深空探测器电源系统在存储期间为了减少过放电风险,并减少不可逆容量损失,应将蓄电池的荷电状态控制在20%SoC左右,并定期进行充电。     

多级次孔结构ZnMn2O4微球负极的研究

利用水热法合成了Zn-Mn氧化物前驱体，在温度400、500、600、700℃下，空气气氛中煅烧前驱体，以此来制备纳米片组装成的分级多孔结构的ZnMn₂O₄微球。其中，在500℃空气中煅烧前驱体制备的ZnMn₂O₄（ZMO-500）微球具有丰富的多级次孔结构，其作为锂离子电池负极材料，在500 mA/g的电流密度下，ZMO-500微球负极材料循环500次以后仍具有1 132 mAh/g高的放电比容量。ZMO-500负极材料优异的电化学性能得益于其分级多孔结构，不仅可以增加电极和电解质之间的接触面积以促进锂离子的迁移，而且还为循环过程中电极体积膨胀提供足够的缓冲空间。      

富锂正极材料的制备及电化学性能研究

用溶胶-凝胶法结合高温煅烧过程制备富锂正极材料Li_1.2Mn_0.54Ni_0.13Co_0.13O₂,对800℃和900℃煅烧后得到的2种材料（标记为S8和S9）进行物相和形貌表征以及电化学测试。电化学测试结果表明,样品S9具有较高的放电容量、较好的循环稳定性和较小的电荷转移电阻。样品S9在0.1 C（25 mA·g-1）时的首次充电容量为345.0 mA·h·g-1,首次放电容量为273.9 mA·h·g-1,首次库伦效率为79.4%。1 C时,首次放电容量为188.1 mA·h·g-1,循环30周后放电容量为173.3 mA·h·g-1,容量保持率为92.1%。结果表明,尽管富锂正极材料R-3m层状结构在800℃煅烧后已经形成,但仍需要经过更高温度煅烧,以提高锂离子和过渡金属离子在各自层中的有序度,从而有效地提高材料的电化学性能。      

一种基于SD-ICA的卫星电池健康状态估计方法

针对容量增量分析（ICA）法应用在卫星电池的健康状态（SOH）估计中存在较大误差的问题，提出了基于带平滑处理并使用放电数据的容量增量分析（SD-ICA）的电池健康状态估计方法。首先，利用光滑样条函数的拟合结果具有二阶导连续的特性，对低分辨率的遥测数据进行平滑处理，从而提高了计算结果的准确性。其次，针对ICA必须使用微小电流放电数据的限制，推导出有负载条件下的容量增量（IC）计算方法，降低了对卫星电池放电工况的要求。最后，利用IC曲线的第一特征点（FOI1）与电池容量的关系，对卫星电池的健康状态进行估计。经验证，所提方法具有对数据分辨率要求低、不需要增加电池工况、计算简便等优势，可以准确地从卫星遥测数据中估计电池健康状态。研究成果在卫星电池的健康管理和任务规划中具有重要的应用价值。      

混合动力电动车电池荷电状态描述方法

提出一种新的描述电池荷电状态的定义方法,主要针对MH/Ni动力电池,该电池通常意义下的额定容量为8?A·h,并应用在一种混合动力电动车中.混合动力电动车中动力电池的运行环境非常严酷,充放电倍率高,动态转换频繁.通常的电池荷电状态定义方法适合于稳定负载的情况下,在动态负载的情况下就会出现不适应性.原因是不能同时描述电池的静态和动态荷电状态.新定义方法提出静态荷电状态SSOC(Static State of Charge)和动态荷电状态DSOC(Dynamic State of Charge)的概念.静态荷电状态SSOC描述电池内部稳态的荷电量; 动态荷电状态DSOC描述电池充电或放电时,电池内部电荷的饱和程度.对上述定义的电化学原理进行了分析,并提出了初步的计算方法.     

伺服动力电源技术发展概述

近年来，机电伺服系统在航空、航天领域得到了广泛应用，逐渐形成了新的推力矢量控制和舵面控制实现方式，并推动了伺服动力电源的多样性发展。研究了国外运载火箭、导弹及飞机伺服动力电源技术的发展现状，梳理了各类场景中伺服动力电源的应用特点及未来需求，对比了常见的热电池、锌银电池、锂离子电池及涡轮发电等各类伺服动力电源的技术特点，并提出了高电压、高比功率、高比容量（新型电池，涡轮发电）、一体化/智能化/高可靠等伺服动力电源技术的未来发展方向。     

锂离子动力电池系统多尺度热安全研究

锂离子动力电池系统作为电动汽车最重要的核心部件，其动力性能和安全可靠性的提升是中国电动汽车进一步规模化发展的重大需求。锂离子动力电池的热安全问题贯穿于电池系统的整个生命周期，且在单体-模组-系统不同空间尺度下的表现形式不同。针对锂离子动力电池系统多空间尺度热安全问题，分别从单体电池生热、模组温度均一性、电池系统安全可靠性3个方面归纳总结了目前动力电池热安全设计的最新进展，并对一些重要研究成果进行了着重介绍，总结了锂离子动力电池系统热安全设计亟待解决的关键问题，提出了可行的解决方案，对今后的研究方向进行了展望，旨在为电池系统动力性能和安全可靠性提升提供有益的借鉴和参考。     

基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率分析方法

常用实验手段测得单节锂离子电池热释放速率无法真实反映航空运输包装件内大量锂离子电池因发生多米诺效应导致热量散失及传递过程间歇性变化。本文提出一种基于多米诺效应的锂离子电池热释放速率等效分析方法,即通过自主设计的实验平台对3×3排布的典型18650型锂离子电池热失控后发生的多米诺效应及各节电池表面温度进行分析。利用FLUENT使用标准18650型锂离子电池热释放速率曲线用于同等实验条件下的锂离子电池热失控传播仿真模拟,采用二分法逐次修正标准热释放速率、使仿真和实验的锂离子电池表面温度相符。将获得等效的锂离子电池热释放速率曲线再次应用于仿真,得到各电池的最高温度及达到最高温度的时间和实验数据相吻合,验证了修正后的等效热释放速率模型可靠性。该方法可适用于各型号及不同数量包装件内锂离子电池热释放速率获取,指导航空运输锂离子电池火灾防控工程实际。     

面向智能化管理的数字孪生电池构建方法

动力电池在长时宽温域运行时，其使用性能、寿命和安全性随时间动态演变，存在单体性能不一致、系统容量快速衰减或内部缺陷诱发的电池热失控等问题，需要全气候、全生命周期电池精准管理技术。突破智能化管理的数字孪生技术、构建数字孪生电池为提升电池管理能力带来了新的解决方案，已逐步成为行业发展趋势之一。围绕动力电池精细化管理技术发展趋势，针对数字孪生动力电池构建需求，从系统建模与管控需求等方面分析了数字孪生电池建模的基本准则，系统性阐述多维度、多尺度、多物理场融合的数字孪生电池的构建方法，并结合团队前期研究分析了某电池数字孪生的实践案例，探索了数字孪生电池在生产设计、全生命周期管理等场景下的应用可能性，为电池管理技术发展提供思路与参考。      

电池内阻测量系统设计

设计了一种实用、简便的电池内阻测量系统,介绍了采用交流法测量电池内阻的基本原理,详细介绍了系统的硬件设计和软件设计方法。测试结果表明,该系统能较好地满足干电池内阻测试的要求。依据此设计原理,适当改变电路参数,可测量其它电池,具有很好的实用价值和推广意义。     

连接方式对电池模块一致性与产热影响

为了研究锂离子电池成组使用时遇到的不一致性和温度不均的问题，基于电化学-热耦合模型，以8块软包电池为例，通过多种串并联方式建立不同的电路模块，分析在1C和0.5C放电过程中电池的温度特征和不一致性。结果表明:电池模块的均温性和一致性与放电倍率有关。不管是先串后并还是先并后串，并联支路的增加或者是串联单元数量的减少都会使电池模块的平均温升和最大温差降低，还会影响温升速率和放电结束时的电压。并联支路数相同时，先串后并模块的一致性要比先并后串好。对于先并后串的模块，其并联支路中串联电池的数量越多，放电过程中电池之间的一致性越差。对于先串后并的模块，其并联的支路数越多，电池的一致性越差。      

基于锂离子电池温降指数的细水雾添加剂筛选方法

为对比细水雾添加剂抑制锂离子电池热失控多米诺效应的效果，提出锂离子电池火灾温降指数模型及其测试方法。利用自主设计的锂离子电池热失控实验平台开展含不同添加剂细水雾抑制多米诺效应实验，确定每种添加剂作用后的温降指数，对每种添加剂的作用机理进行分析。结果表明:加入添加剂后温降指数明显增大，表明添加剂可显著提高细水雾阻断热失控连续传播效果；无机盐类添加剂作用后抑制效果高于表面活性剂类添加剂，主要增强了细水雾的化学灭火作用；进一步对比温降指数发现，几类样品中NH₄H₂PO₄加入后细水雾抑制效果最好。利用温降指数对细水雾添加剂抑制热失控多米诺效应进行评估，为筛选细水雾添加剂灭火剂提供理论基础。      

基于正负极动力学特性的锂离子电池优化充电方法

针对电动汽车快速充电存在的问题,分别对锂离子电池正、负极充放电特性进行研究,提出了优化充电方案。以负极析锂抑制为边界条件,获得正、负极在不同状态(SOC)下的最大允许充放电电流,建立了充电过程能耗和充电时间目标函数,以最大允许充电电流为约束条件,利用粒子群算法得到最优多阶段恒流充电电流序列。结果表明:与1 C恒流充电相比,电池充入相同容量时,优化充电时间减少约26.5%,34 min即可充电至80%SOC;与优化充电电流序列的平均电流恒流充电相比,优化充电能耗降低约1.5%。      

锂离子电池失效率模型的探讨

以工作电流和工作温度(壳温)为主要考虑因素,建立了锂离子电池基本失效率模型和工作失效率模型.以试验数据为基础,参照国军标GJB/Z299,提出了失效率相关的调整系数(π系数)及其取值方案.采用失效率模型,通过数值计算得到基本失效率预计值,将预计值与试验值进行了比较.最终计算结果表明,得到的失效率模型可以应用于工程实践,锂离子电池效率模型的建立,为其可靠性预计提供了基础.