НЕСТАЦИОНАРНАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА
DOI:
https://doi.org/10.52167/1609-1817-2025-141-6-340-352Ключевые слова:
литий-ионные аккумуляторы, термоэлектрохимические процессы, термо-электрохимическую модель, графитовый анод, NMC-катод, коэффициент вариации, литий-ионная ячейка, заряд, разряд, токовая нагрузка, начальное напряжение аккумулятора, тепловое поле, тепловая карта падения напряжения, степени заряженности, пространственно-временное распределение температуры и плотности тока, трёхмерная модель, токосъёмный коллектор, электромобильный тракторАннотация
В статье предлагается модель, предназначенная для описания нестационарных термоэлектрических процессов, возникающих в литий-ионном элементе в режимах заряда и разряда. Модель сформулирована в виде нелинейных частично дифференциальных уравнений, отражающих пространственно-временное распределение концентрации ионов лития, электрических потенциалов и температурного поля в электродных материалах и электролите. Особый акцент сделан на учёте взаимно обусловленного характера процессов переноса заряда, массы и тепла, а также нелинейной электрохимической кинетики, реализуемой реализуемой на межфазных границах. Разработанный математический подход позволяет проанализировать взаимное влияние сопряжённых электротермических полей на эффективность протекания электрохимических реакций и формирует теоретическую основу для оптимизации конструкции литий-ионных элементов с целью повышения их энергетической эффективности и термической стабильности.
Библиографические ссылки
[1] Z. Chen, D. L. Danilov, R.-A. Eichel, P. H. L. Notten, Porous electrode modeling and its applications to Li-ion batteries, Advanced Energy Materials, 12 (2022) 2201506.
https://doi.org/10.1002/aenm.202201506
[2] C. Zou, A. G. Kallapur, C. Manzie, D. Nešić, PDE battery model simplification for SOC and SOH estimator design, in: Proceedings of the 54th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), 2015, pp. 1328–1333.https://doi.org/10.1109/CDC.2015.7402395
[3] R. Klein, N. A. Chaturvedi, J. Christensen, J. Ahmed, R. Findeisen, A. Kojic, Optimal charging strategies in lithium-ion batteries, in: Proceedings of the American Control Conference, 2011, pp. 382–387.
[4] Y. Kang, B. Duan, Z. Zhou, Y. Shang, C. Zhang, A multi-fault diagnostic method based on an interleaved voltage measurement topology for series-connected battery packs, Journal of Power Sources, 417 (2019) 132–144.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.01.058
[5] R. Xiong, F. Sun, H. He, T. D. Nguyen, A data-driven adaptive joint estimator of state of charge and power capability for lithium-ion batteries used in electric vehicles, Energy, 63 (2013) 295–308.https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.10.027
[6] H. Fang, Y. Wang, Z. Sahinoglu, T. Wada, S. Hara, State of charge estimation for lithium-ion batteries: An adaptive approach, Control Engineering Practice, 25 (2014) 45–54.
https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2013.12.006
[7] Q. Lin, J. Wang, R. Xiong, W. Shen, H. He, Towards a smarter battery management system: A critical review on optimal charging methods of lithium-ion batteries, Energy, 183 (2019) 220–234.https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.06.128
[8] M. K. Tran, M. Mathew, S. Janhunen, S. Panchal, K. Raahemifar, R. Fraser, M. Fowler,A comprehensive equivalent circuit model for lithium-ion batteries incorporating effects of SOC, SOH and temperature, Journal of Energy Storage, 43 (2021) 103252.
https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103252
[9] J. V. Pastor, A. García, J. Monsalve-Serrano, D. Golke, Analysis of aging effects on thermal runaway characteristics of lithium-ion cells, Applied Thermal Engineering, 230 (2023) 120685.https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.120685
[10] T. G. Tranter et al., Probing heterogeneity in Li-ion batteries using coupled multiscale electrochemical–thermal models, Journal of The Electrochemical Society, 167 (2020) 110538.
https://doi.org/10.1149/1945-7111/aba44b
[11] S. Vashisht, D. Rakshit, S. Panchal, M. Fowler, R. Fraser, Electrothermal modeling of Li-ion batteries considering depth of discharge and temperature effects, Journal of Energy Storage, 70 (2023) 107797.https://doi.org/10.1016/j.est.2023.107797
[12] C. Hong, H. Cho, D. Hong, S.-K. Oh, Y. Kim, An improved thermal single-particle model for high-capacity battery cells, Electrochimica Acta, 439 (2023) 141638.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.141638
[13] J. Newman, N. P. Balsara, Electrochemical Systems, John Wiley & Sons, 2021.
[14] M. Doyle, T. F. Fuller, J. Newman, Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/polymer/insertion cell, Journal of The Electrochemical Society, 140 (1993) 1526–1533.https://doi.org/10.1149/1.2221597
[15] K. Smith, C. Y. Wang, Power and thermal characterization of a lithium-ion battery pack for hybrid-electric vehicles, Journal of Power Sources, 160 (2006) 662–673.
[16] L. O. Valøen, J. N. Reimers, Transport properties of LiPF₆-based lithium-ion battery electrolytes, Journal of The Electrochemical Society, 152 (2005) A882–A891.
[17] S. Santhanagopalan, Q. Guo, P. Ramadass, R. E. White, Review of models for predicting the cycling performance of lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, 156 (2006) 620–628.
[18] M. Safari, C. Delacourt, Modeling of a commercial graphite/LiFePO₄ cell, Journal of The Electrochemical Society, 158 (2011) A1436–A1447.
[19] D. Bernardi, E. Pawlikowski, J. Newman, A general energy balance for battery systems, Journal of The Electrochemical Society, 132 (1985) 5–12.
[20] J. Newman, K. E. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems, 3rd ed., Wiley, 2012.
[21] C. Forgez et al., Thermal modeling of a cylindrical LiFePO₄/graphite lithium-ion battery, Journal of Power Sources, 195 (2010) 2961–2968.
[22] T. M. Bandhauer, S. Garimella, T. F. Fuller, A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries, Journal of The Electrochemical Society, 158 (2011) R1–R25.
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Категории
Лицензия
Copyright (c) 2026 Zhandos Shynybay
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial-NoDerivatives» («Атрибуция — Некоммерческое использование — Без производных произведений») 4.0 Всемирная.
