通过电压以及电化学-热力学-力学模型的多尺度机械特性整合，对锂离子电池状态进行多维度表征

《Chinese Journal of Electrical Engineering》：Multi-Dimensional Characterization of Lithium-Ion Battery States via Voltage and Multiscale Mechanical Feature Integration from Electrochemical-Thermal-Mechanical Models

　　

摘要：

对锂离子电池（LIBs）进行准确的状态表征对于提高其可靠性和延长电池管理系统的使用寿命至关重要。电化学、热学和力学现象之间的内在耦合要求采用多维度参数传感来进行精确的状态评估。本文提出了一种电化学-热学-力学（ETM）多物理场建模框架，以揭示多尺度参数的协同演化机制，并探索新的荷电状态（SOC）估算指标。通过整合伪二维（P2D）电化学模型、热生成方程以及弹性-塑性力学本构关系，构建了一个考虑活性材料损失（LAM）和锂离子损失（LLI）的老化动力学模型。利用多种驱动循环，包括恒电流放电、城市测功机驱动方案（UDDS）动态以及循环充放电实验，通过电压和应变这两个指标来验证所提出的模型。基于经过验证的模型，首先研究了耦合的P2D电化学-3D热力学系统的老化动力学，以量化在准静态和动态载荷下机械应力、热生成和电化学极化的相互作用机制。结果表明，位移和最大应变指标能够更早地检测到微观结构损伤，并且与电压信号的协同作用能够在宽温度范围和动态条件下减少传统方法的估算偏差，为多维度状态估算提供了一种新的方法。