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| 內容簡介： |
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《车用动力电池多尺度测试与仿真技术》根据作者团队多年从事相关领域工作积累的经验，对车用动力电池微观、宏观尺度的测试方法和技术及建模方法进行了系统论述，目的是使读者了解动力电池材料特性、基本性能等测试与评价方法，以及涵盖原子、界面、单体、系统等多个尺度的动力电池性能建模与仿真方法，为从事车用动力电池设计、系统集成等领域工作提供参考。《车用动力电池多尺度测试与仿真技术》共8章，分别论述了动力电池多尺度测试与仿真应用场景及发展趋势、微观尺度实验测试方法、宏观尺度性能测试方法、微观尺度性能仿真方法、宏观等效电路建模、宏观电化学性能仿真模型、宏观安全仿真模型、数据驱动仿真模型。
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目录丛书序前言第1章 绪论 11.1 动力电池发展历史与工作原理 21.1.1 锂离子电池基本工作原理 21.1.2 锂离子电池主要结构 31.1.3 锂离子电池发展历史 51.2 动力电池多尺度研究方法 61.2.1 动力电池的多尺度研究 61.2.2 动力电池微观尺度建模研究 81.2.3 动力电池宏观尺度建模研究 81.3 动力电池建模仿真方法的应用 91.3.1 动力电池模型应用于材料选型与优化设计 91.3.2 动力电池模型应用于性能衰退预测与机理分析 101.3.3 动力电池模型应用于电池管理策略优化 10参考文献 11第2章 微观尺度实验测试方法 132.1 微观形貌观测 152.1.1 透射电子显微镜 152.1.2 扫描电子显微镜 182.1.3 原子力显微镜 232.2 表/界面成分分析 262.2.1 光电子能谱 272.2.2 能量色散X射线光谱 302.2.3 电感耦合等离子体发射光谱/质谱 332.3 微观结构分析 352.3.1 X射线衍射分析 352.3.2 傅里叶变换红外光谱 37参考文献 38第3章 动力电池宏观尺度性能测试方法 423.1 动力电池宏观尺度性能测试评价标准体系概述 433.1.1 国内动力电池测试标准体系概述 433.1.2 国外动力电池测试标准体系概述 453.2 电性能测试 463.3 安全性能测试 463.3.1 动力电池安全测试方法 473.3.2 国内外动力电池安全测试方法对比 493.4 电化学测试 513.4.1 恒电流间歇滴定技术 523.4.2 恒电位间歇滴定技术 523.4.3 循环伏安测试 533.4.4 电化学阻抗测试 54参考文献 61第4章 动力电池微观尺度性能仿真方法 654.1 微观尺度建模仿真方法概述 664.2 分子动力学仿真方法 674.2.1 分子动力学仿真基本原理 684.2.2 分子动力学在电极材料仿真中的应用 704.3 密度泛函理论仿真方法 724.3.1 密度泛函理论模拟仿真基本原理 724.3.2 密度泛函理论在电极材料仿真中的应用 744.4 蒙特卡罗模拟仿真方法 764.4.1 蒙特卡罗仿真基本原理 764.4.2 蒙特卡罗方法在锂枝晶生长预测中的应用 774.5 其他微观尺度建模仿真方法 834.5.1 基于相场模拟方法的锂枝晶生长模拟 834.5.2 基于微观结构重构的电池电极/电解质力学性能仿真 84参考文献 86第5章 基于等效电路模型的电池宏观性能仿真 905.1 等效电路模型 915.1.1 内阻模型 915.1.2 RC模型 925.1.3 Randles模型 945.1.4 分数阶等效电路模型 945.1.5 基于电化学阻抗的等效电路模型 975.2 基于等效电路模型的电池SOC-SOH联合估计 1005.2.1 容积准则与球面单纯形-径向容积卡尔曼滤波 1015.2.2 SSRCKF的改进 1065.2.3 SOC-SOH联合估计 1085.3 基于等效电路模型的电池功率状态估计 1135.3.1 基于戴维宁模型的电压约束法 1135.3.2 基于SOC约束法 1165.3.3 基于温度约束法 1175.3.4 峰值功率计算 1185.4 基于等效电路模型的电池温度场估计 1205.4.1 多节点电热耦合模型 1205.4.2 基于耦合模型的电池温度预测 124参考文献 126第6章 基于电化学模型的电池综合性能仿真 1306.1 电化学-热-力多场耦合模型 1316.1.1 多场耦合关系 1326.1.2 考虑老化副反应的P2D模型 1336.1.3 集总参数热模型 1406.1.4 电池应力损伤模型 1426.2 基于多场耦合模型的电池性能演化仿真分析 1446.2.1 多场耦合模型实验验证 1456.2.2 多场耦合模型参数标定 1476.2.3 倍率影响下的老化过程 1496.2.4 温度影响下的老化过程 1536.3 基于多场耦合模型的电池阻抗解析 1576.3.1 中高频段的电极阻抗解析 1586.3.2 低频段的固-液扩散阻抗解析 1606.4 基于多场耦合模型的安全充电边界仿真 1636.4.1 充电边界仿真及充电策略设计 1646.4.2 常温单体安全充电策略 1656.4.3 低温单体安全充电策略 1696.5 基于多场耦合模型的直冷热管理系统建模仿真 1736.5.1 直冷式电池模组几何模型 1746.5.2 电池模组生热与传热模型 1756.5.3 仿真结果分析 176参考文献 185第7章 动力电池安全性能仿真方法 1887.1 单体电池热失控过程仿真 1897.1.1 电化学-热-副反应耦合模型 1897.1.2 不同SOC下的热失控温度结果分析 1967.1.3 内部材料的热源功率与材料分解变化 2007.2 串联模组热扩散仿真 2037.2.1 串联模组热扩散实验设计 2047.2.2 串联模组的热扩散模型 2057.2.3 串联模组的实验和仿真分析 2087.3 并联模组的热扩散仿真 2117.3.1 并联模组热扩散仿真实验设计 2117.3.2 并联模组的热失控扩散模型 2127.3.3 并联模组的实验和仿真分析 215参考文献 220第8章 数据驱动的动力电池宏观尺度性能仿真方法 2248.1 基于机器学习的动力电池健康状态估计与剩余使用寿命预测 2258.1.1 基于LSTM算法的健康状态估计 2258.1.2 基于威布尔分布的动力电池剩余使用寿命预测 2328.2 基于Informer神经网络的温度预测模型 2388.2.1 热故障诊断系统结构与特征工程 2398.2.2 基于时间序列预测模型的电池温度多步预测 2418.2.3 时间序列预测模型结果分析 2448.3 基于机器学习的热失控检测方法 2478.3.1 特征分析与提取 2478.3.2 基于主成分分析的热失控检测 2488.3.3 基于特征贡献率的热失控原因回溯 251参考文献 257
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第1章 绪论 发展新能源汽车是我国应对国家能源战略需求、实现碳中和目标的重大战略选择。国务院2020年发布《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》提出：到2025年，我国新能源汽车销售量达到汽车新车销售总量的20%。截至2023年，我国新能源汽车产销量已连续9年位居全球**。2023年全年，我国新能源汽车产销量分别达958.7万辆和949.5万辆，销量占全球63.6%（2023年）；2023年我国的新能源汽车渗透率为31.6%，2024年4月上半月，渗透率*次突破50%，标志着我国新能源汽车发展已迈入全面替代燃油车的关键阶段。习近平主席在2024年新年贺词中说道，“新能源汽车、锂电池、光伏产品给中国制造增添了新亮色”，新能源汽车和锂离子电池已成为中国制造的新名片，相关产业已发展为国民经济的顶梁柱。 动力电池是电动汽车的“心脏”，决定了车辆的续航里程、经济性和安全性等重要指标。目前，锂离子电池是*主要的动力电池之一，其具有高能量密度、长寿命、较高的安全性，已成为新能源汽车的核心零部件之一。锂离子电池技术的突破支持了交通电气化、储能等多个领域的发展，成为引领新能源产业发展的核心技术之一。本书重点介绍车用锂离子电池的多尺度测试与建模仿真技术。 1.1 动力电池发展历史与工作原理 1.1.1 锂离子电池基本工作原理 锂离子电池是依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的二次电池。锂离子电池的工作原理是，利用正负极材料具有不一样的电化学电势，在电极被隔膜隔开后，Li+从化学电势较高的插层材料电极向电势较低的电极移动，只有锂离子可以通过隔膜在电解液中移动，电荷补偿电子只能通过外电路移动，从而形成电流以供输出使用。1991年，日本索尼公司利用可以使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替金属锂和采用可以脱嵌和可逆嵌入锂离子的高电位氧化钴锂正负极材料，以及与正负极相容的LiPF6–EC + DEC电解质（乙烯碳酸酯加入不同的醚和线型碳酸酯而形成的电解液体系）后，终于研制出新一代实用化的锂离子电池。 如图1-1所示，对于锂离子电池放电过程：充满电的锂电池，锂离子嵌在阳极材料上，阳极（负极）碳呈层状结构，有很多微孔，锂离子就嵌在碳层的微孔中。放电时，Li+通过隔膜从阳极移动到阴极，电子无法通过隔膜，只能通过外部电路的负极移动到正极（电子带负电，电子方向是负极到正极，电流方向就是正极到负极）。 图1-1 锂离子电池工作原理 对锂离子电池充电过程：当对电池进行充电时，电池的阴极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到阳极。而作为阳极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达阳极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。 锂离子电池的充放电过程反应如下： 正极反应过程： （1-1） 负极反应过程： （1-2） 全电池反应过程： （1-3） 1.1.2 锂离子电池主要结构 锂离子电池主要由正极、隔膜、负极、电解液、集流体组成。 正极是指放电时，电子从外部电路流入电位较高的电极。正极材料一般要求具备高氧化还原电位、高理论容量、高电子电导率、结构稳定、热稳定性好等特点，目前常用的正极材料包括钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂及三元材料等，如表1-1所示。不同正极材料各有优缺点，应根据实际情况进行选择。 负极是指放电时，电子从外部电路流出、电位较低的电极。锂金属负极是*早被使用的负极材料，其具有现有已知的*高的质量比能量以及*负的电势。但锂金属负极存在极为严重的枝晶生长问题，会导致电池短路，进而可能出现热失控，引发潜在的安全问题[1]。目前，商用锂离子电池的负极材料通常是石墨，采用的电解质通常是液态有机电解质，普通的液态有机电解质的稳定电压窗口为0.8～4.5 V，石墨负极在约0.05 V电压下工作，超出了电解质的稳定电压窗口。因此，理论上锂离子电池的石墨负极在热力学上是不稳定的。然而，在锂离子电池*次充放电过程中，电解液中多种物质在石墨负极/电解液表面发生还原反应，从而形成了钝化保护层，通常称为固态电解质界面薄膜[2]，是良好的Li+导体，但对电子流来说是绝缘体这层膜的存在将石墨与电解液隔离开，限制了电解液的进一步分解，因此，以石墨为负极的锂离子电池可以循环使用并保持稳定。 集流体是指汇集电流的结构或零件，主要指金属箔，如铜箔和铝箔。这些金属箔在锂电池中起到承载正极和负极的活性物质的作用，并收集由电池内部化学反应产生的电子，使其在电势的作用下流经外部负载，实现电流的闭环流通。 隔膜是一种位于正极和负极之间的薄膜，用于隔离正负极，防止短路和电解液中的离子直接接触。隔膜通常由聚合物材料制成，如聚丙烯、聚乙烯等。隔膜具有微孔结构，允许锂离子通过，但会阻止电解液中的其他离子和电子流动。 1.1.3 锂离子电池发展历史 锂离子电池自诞生至今已有五十余年，在John Goodenough、Stanley Whittingham和吉野彰（Akira Yoshino）等杰出科学家和行业内无数从业人员的共同努力下，促成了万亿级市场的发展和繁荣。 1970年，美国Exxon公司的M. S. Whittingham用硫化钛作为正极材料，用金属锂作为负极材料，制成全球*只锂电池。 1980年，Goodenough发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。 1982年，贝尔实验室试制成功*个锂离子石墨电极。 1983年，M. Thackeray、J. Goodenough等发现锰尖晶石的优良性能，具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能，并且分解温度较高，氧化性低于钴酸锂，在短路、过充等条件下也能避免燃烧和爆炸，认为其是优良的电池正极材料。 1989年，A. Manthiram等发现聚合阴离子的正极将产生更高的电压。 1991年，索尼集团公司的**款锂离子电池产品研制成功。 1995年，锂离子电池摆脱形状限制，三洋推出铝壳锂离子电池。 1996年，Goodenough和Padhi发现了具有橄榄石结构的磷酸盐，它比传统的正极材料安全性更高、耐高温性更强，开启了磷酸铁锂的商业化。 1997年，天津神力电池股份有限公司成立，开启国产锂电池时代。 1998年，陈立泉院士使用全套国产设备打造*条锂电生产线。 1999年，松下等公司推出了*款聚合物锂离子电池产品。 1999年，韩国LG化学完成了*只电池产品。 2006年，比亚迪股份有限公司*款电动车F3e产品上线。 2011年，我国南方电网5MW级电池储能电站在深圳并网成功，该储能站是全球*个采用磷酸铁锂作为正极材料的兆瓦级储能站。 2012年，特斯拉公司Model S产品上线。 2012年，4.35V钴酸锂产品问世。 2017年，94岁高龄的锂电池之父Goodenough带领团队研发出全固态电池，完成1200次循环，可以在20～60℃条件下使用。 2019年，三位为锂离子做出重大贡献的科学家被授予诺贝尔化学奖。 2020年以后，以半固态电池、全固态电池为代表的新一代动力电池加速发展。 2024年，蔚来推出了*款量产半固态电池包，电池包的能量密度达到260 Wh/kg。 1.2 动力电池多尺度研究方法 1.2.1 动力电池的多尺度研究 锂离子电池是复杂的电化学系统，在时间和空间尺度上均具有多尺度特性。在空间尺度上，电池内部原子排列方式、晶格缺陷与畸变、微观结构及组分、电极排列与尺寸、锂离子浓度分布等均会对电池性能产生影响。在时间尺度上，包括亚纳秒级的电化学反应、秒级的锂离子输运、小时级的电池膨胀与弛豫特性、天或月级的电池循环老化及日历老化等。这导致锂离子电池的相关科学问题呈现出时间、空间尺度下的复杂性，如图1-2所示。一般情况下，依据空间尺度，可以将对锂离子电池的研究分为电极活性颗粒、相界面等微观尺度，与极片、单体电池、电池系统等宏观尺度。
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