车用动力电池多尺度测试与仿真技术

本书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。本书共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。

本书可作为高等院校新能源汽车、储能工程、材料科学、电气工程等相关专业本科生和研究生的教材，也适合从事动力电池设计、测试、系统集成和管理策略开发的科研人员和工程技术人员参考使用。

丛书序

前言

第1章 绪论 1

1.1 动力电池发展历史与工作原理 2

1.1.1 锂离子电池基本工作原理 2

1.1.2 锂离子电池主要结构 3

1.1.3 锂离子电池发展历史 5

1.2 动力电池多尺度研究方法 6

1.2.1 动力电池的多尺度研究 6

1.2.2 动力电池微观尺度建模研究 8

1.2.3 动力电池宏观尺度建模研究 8

1.3 动力电池建模仿真方法的应用 9

1.3.1 动力电池模型应用于材料选型与优化设计 9

1.3.2 动力电池模型应用于性能衰退预测与机理分析 10

1.3.3 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 13

2.1 微观形貌观测 15

2.1.1 透射电子显微镜 15

2.1.2 扫描电子显微镜 18

2.1.3 原子力显微镜 23

2.2 表/界面成分分析 26

2.2.1 光电子能谱 27

2.2.2 能量色散X射线光谱 30

2.2.3 电感耦合等离子体发射光谱/质谱 33

2.3 微观结构分析 35

2.3.1 X射线衍射分析 35

2.3.2 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 42

3.1 动力电池宏观尺度性能测试评价标准体系概述 43

3.1.1 国内动力电池测试标准体系概述 43

3.1.2 国外动力电池测试标准体系概述 45

3.2 电性能测试 46

3.3 安全性能测试 46

3.3.1 动力电池安全测试方法 47

3.3.2 国内外动力电池安全测试方法对比 49

3.4 电化学测试 51

3.4.1 恒电流间歇滴定技术 52

3.4.2 恒电位间歇滴定技术 52

3.4.3 循环伏安测试 53

3.4.4 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 65

4.1 微观尺度建模仿真方法概述 66

4.2 分子动力学仿真方法 67

4.2.1 分子动力学仿真基本原理 68

4.2.2 分子动力学在电极材料仿真中的应用 70

4.3 密度泛函理论仿真方法 72

4.3.1 密度泛函理论模拟仿真基本原理 72

4.3.2 密度泛函理论在电极材料仿真中的应用 74

4.4 蒙特卡罗模拟仿真方法 76

4.4.1 蒙特卡罗仿真基本原理 76

4.4.2 蒙特卡罗方法在锂枝晶生长预测中的应用 77

4.5 其他微观尺度建模仿真方法 83

4.5.1 基于相场模拟方法的锂枝晶生长模拟 83

4.5.2 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 90

5.1 等效电路模型 91

5.1.1 内阻模型 91

5.1.2 RC模型 92

5.1.3 Randles模型 94

5.1.4 分数阶等效电路模型 94

5.1.5 基于电化学阻抗的等效电路模型 97

5.2 基于等效电路模型的电池SOC-SOH联合估计 100

5.2.1 容积准则与球面单纯形-径向容积卡尔曼滤波 101

5.2.2 SSRCKF的改进 106

5.2.3 SOC-SOH联合估计 108

5.3 基于等效电路模型的电池功率状态估计 113

5.3.1 基于戴维宁模型的电压约束法 113

5.3.2 基于SOC约束法 116

5.3.3 基于温度约束法 117

5.3.4 峰值功率计算 118

5.4 基于等效电路模型的电池温度场估计 120

5.4.1 多节点电热耦合模型 120

5.4.2 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 130

6.1 电化学-热-力多场耦合模型 131

6.1.1 多场耦合关系 132

6.1.2 考虑老化副反应的P2D模型 133

6.1.3 集总参数热模型 140

6.1.4 电池应力损伤模型 142

6.2 基于多场耦合模型的电池性能演化仿真分析 144

6.2.1 多场耦合模型实验验证 145

6.2.2 多场耦合模型参数标定 147

6.2.3 倍率影响下的老化过程 149

6.2.4 温度影响下的老化过程 153

6.3 基于多场耦合模型的电池阻抗解析 157

6.3.1 中高频段的电极阻抗解析 158

6.3.2 低频段的固-液扩散阻抗解析 160

6.4 基于多场耦合模型的安全充电边界仿真 163

6.4.1 充电边界仿真及充电策略设计 164

6.4.2 常温单体安全充电策略 165

6.4.3 低温单体安全充电策略 169

6.5 基于多场耦合模型的直冷热管理系统建模仿真 173

6.5.1 直冷式电池模组几何模型 174

6.5.2 电池模组生热与传热模型 175

6.5.3 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 188

7.1 单体电池热失控过程仿真 189

7.1.1 电化学-热-副反应耦合模型 189

7.1.2 不同SOC下的热失控温度结果分析 196

7.1.3 内部材料的热源功率与材料分解变化 200

7.2 串联模组热扩散仿真 203

7.2.1 串联模组热扩散实验设计 204

7.2.2 串联模组的热扩散模型 205

7.2.3 串联模组的实验和仿真分析 208

7.3 并联模组的热扩散仿真 211

7.3.1 并联模组热扩散仿真实验设计 211

7.3.2 并联模组的热失控扩散模型 212

7.3.3 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 224

8.1 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 225

8.1.1 基于LSTM算法的健康状态估计 225

8.1.2 基于威布尔分布的动力电池剩余使用寿命预测 232

8.2 基于Informer神经网络的温度预测模型 238

8.2.1 热故障诊断系统结构与特征工程 239

8.2.2 基于时间序列预测模型的电池温度多步预测 241

8.2.3 时间序列预测模型结果分析 244

8.3 基于机器学习的热失控检测方法 247

8.3.1 特征分析与提取 247

8.3.2 基于主成分分析的热失控检测 248

8.3.3 基于特征贡献率的热失控原因回溯 251

参考文献 257