夏權(quán)，任羿，孫博，楊德真

重大工程裝備

動態(tài)工況下鋰電池組多物理場仿真與退化分析

夏權(quán)，任羿，孫博，楊德真

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

提高鋰電池組SOH評估的準(zhǔn)確性，提出面向?qū)嶋H復(fù)雜動態(tài)工況的鋰電池組退化仿真分析方法。通過耦合多個(gè)電池單體P2D電化學(xué)–熱模型和電池組串并聯(lián)等效電路–熱–流體模型，建立鋰電池組多物理場耦合仿真模型，分析電池系統(tǒng)實(shí)際使用過程中電流、溫度等工況的動態(tài)特性，構(gòu)建鋰電池組廣義動態(tài)工作載荷譜。開展模型驗(yàn)證和典型3并5串鋰電池組多物理場仿真分析，并耦合基于SEI膜生成機(jī)理的容量退化模型，分析在動態(tài)工況下內(nèi)部各電池單體的容量及SOH退化情況，并給出該型電池組壽命的薄弱環(huán)節(jié)。動態(tài)工況下，鋰電池退化軌跡呈高度非線性，環(huán)境溫度為25～60 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，電池組退化較快，但電池組內(nèi)部最大溫差反而減小。提出的方法能夠很好地量化實(shí)際復(fù)雜動態(tài)工況對鋰電池組退化的影響，為其可靠性設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供了技術(shù)支撐。

鋰電池組；多物理場；動態(tài)工況；耦合仿真；SEI膜生成；容量退化

自鋰離子電池商業(yè)化應(yīng)用以來，由于其具有電壓高、比能量大、靈巧輕便、自放電小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，已廣泛應(yīng)用于手機(jī)、儲能電源系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域。鋰電池作為動力系統(tǒng)，鑒于單體電壓和容量的限制，通常需將成百上千個(gè)的單體串并聯(lián)組成鋰離子電池組（LIBP），才能滿足動力系統(tǒng)功率輸出、續(xù)航等所需的功率和能量[3]。如TESLA Model S汽車動力系統(tǒng)，由7 000多節(jié)18650鋰電池構(gòu)成。LIBP是復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，在工作中受到多種內(nèi)外因素的耦合作用，使其內(nèi)部電池的退化狀態(tài)存在不一致性[4]。開展LIBP的仿真與退化分析，準(zhǔn)確掌握其健康狀態(tài)和未來工作能力，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，減少不必要的損失，對于提高電池系統(tǒng)的可靠性和安全性意義重大。

從20世紀(jì)90年代開始，就有學(xué)者開始基于熱模型對鋰離子電池進(jìn)行仿真分析[5]。近年來，隨著多物理場仿真分析技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們對鋰離子電池及電池組的多物理場及耦合展開了大量的研究[6-10]，逐漸提出并完善了電池模型。如電化學(xué)模型（P2D模型）、三維熱模型、等效電路模型等。其中，楊志剛等[11]開展了LIBP的散熱仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過局部倒角等局部微小結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了溫度場的優(yōu)化。Sun等[12]基于等效電路建立了三維LIBP熱模型，并對LIBP運(yùn)行過程中的熱物理表征進(jìn)行了仿真分析。Yang等[13]建立了電化學(xué)–熱耦合模型，對并聯(lián)電池的電流不平衡和退化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，電流不平衡會直接影響電池組的容量退化。Al-Zareer等[14]構(gòu)建了電池電化學(xué)–熱耦合模型，并基于多個(gè)獨(dú)立的電池模型，開展了LIBP電化學(xué)–熱–流耦合分析。劉瑩等[15]通過建立熱流耦合的LIBP模型，開展了仿真分析，并研究了熱管理策略。Xia等[16-18]提出了基于等效電路–熱–流場耦合的LIBP可靠性設(shè)計(jì)方法，分析了LIBP多物理場耦合物理表征及內(nèi)部電池單體容量退化的不一致性，并對壽命與可靠性進(jìn)行了評估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。Gao等[19]開展了多物理場耦合條件下的多目標(biāo)鋰離子充電策略優(yōu)化，充分平衡了退化程度和充電時(shí)間。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)中可以看出，鋰電池仿真與退化分析的研究主要通過構(gòu)建等效電路、電化學(xué)、熱、流等仿真模型，圍繞溫度或電流展開耦合分析。從選用的工況來看，則主要以單一的靜態(tài)工況為主，如恒定的充放電倍率、恒定的環(huán)境溫度。然而，電池在實(shí)際運(yùn)行中將經(jīng)歷復(fù)雜的動力輸出、環(huán)境等載荷，電池系統(tǒng)需要持續(xù)面對復(fù)雜動態(tài)的內(nèi)外運(yùn)行環(huán)境（包括電流、溫度等），單一靜態(tài)工況下的分析方法無法準(zhǔn)確描述LIBP實(shí)際的退化過程。盡管國內(nèi)外已有學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)結(jié)合運(yùn)行場景構(gòu)建了動態(tài)工況，如歐洲的ECE-R15工況、美國CSC-C/H、日本的10.15工況、我國的城市客車四工況循環(huán)等[20-21]，然而這些基于電流或功率的工況多用于開展電池的測試試驗(yàn)，尚未有關(guān)于動態(tài)工況下LIBP多物理場耦合仿真與退化的研究報(bào)道。為此，本文構(gòu)建了LIBP多物理場仿真模型，并提出了一種基于動態(tài)工況的LIBP仿真與退化分析方法。

1 鋰電池組多物理場耦合建模

1.1 鋰電池組電化學(xué)–熱–流耦合模型

基于多物理場理論方法，構(gòu)建LIBP跨尺度多物理場耦合仿真模型，包括電池單體尺度的電化學(xué)–熱耦合模型和電池組系統(tǒng)尺度的串并聯(lián)等效電路–熱–流體耦合模型[17]。

1.1.1 單體電化學(xué)–熱耦合模型

鋰電池結(jié)構(gòu)由正負(fù)電極、集流體、隔膜及電解質(zhì)等組成，電池單體模型包含電荷、質(zhì)量、能量守恒方程。其中，電化學(xué)模型采用P2D模型[22]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋰電池P2D電化學(xué)模型

其電荷守恒由固相和液相方程為：

邊界條件為：

其中：下標(biāo)為負(fù)極（n）和正極（p）的索引；的值表示中對應(yīng)的位置；app為電極的電流密度。有效電導(dǎo)率通過Bruggeman有效介質(zhì)模型進(jìn)行修正：

質(zhì)量守恒方程包含電極（固相）和電解液（液相）方程，根據(jù)Fick第二定律，電極（固相）中Li+質(zhì)量守恒方程式可以表達(dá)為：

邊界條件為：

此處下標(biāo)為負(fù)極（n）、隔膜（s）和正極（p）的索引。電解液中有效的Li+擴(kuò)散系數(shù)亦可通過Bruggeman模型進(jìn)行修正：

電極與電解液之間Li+的交換通量采用Bulter- Volmer方程表示。

根據(jù)傳熱學(xué)理論，鋰電池單體的熱模型用能量守恒方程表示：

式中：cell為鋰電池單體的總產(chǎn)熱量，它是由反應(yīng)熱rea、歐姆熱ohm、極化熱act和副反應(yīng)熱sid組成。其中，副反應(yīng)熱相對于反應(yīng)熱、歐姆熱和極化熱，通?？梢院雎圆挥?jì)[23]。在電池與環(huán)境的交界處，熱傳導(dǎo)方式為熱對流和熱輻射。根據(jù)牛頓冷卻定律和Stefan-Boltzmann定律，傳熱模型邊界條件（散熱項(xiàng)）可以寫成：

1.1.2 串并聯(lián)等效電路–熱–流體耦合模型

電池系統(tǒng)尺度的仿真模型需要描述多單體之間的耦合影響，包括溫度和電流的不一致性[13,24]。利用串并聯(lián)等效電路描述LIBP電流的不平衡，

在串聯(lián)電路中，電池的工作電流處處相等，電壓則是所有串聯(lián)單元的總和，其表達(dá)式為：

在并聯(lián)電路中，電池的工作電壓處處相等，電流則是所有支路的總和，其表達(dá)式為：

利用熱–流耦合模型描述LIBP溫度場分布，流體采用Navier-Stokes方程描述：

1.2 基于SEI膜生成的鋰電池容量退化模型

鋰電池在實(shí)際使用過程中很少經(jīng)歷完整的充放電過程，為了描述由于動態(tài)載荷導(dǎo)致的鋰電池容量退化，需要從機(jī)理層面出發(fā)。考慮SEI膜生成、膨脹、破裂等電化學(xué)機(jī)理，本文引入并構(gòu)建基于電化學(xué)–熱模型的SEI膜生成模型[25]。由于SEI膜的生成而損失Li+，導(dǎo)致電池容量退化，可表示為：

式中：fade為電池容量退化總量；SEI為由于SEI膜生成而導(dǎo)致的容量退化量，本文電池容量退化模型僅考慮SEI膜形成和生長機(jī)理，故此處fade與SEI等價(jià)；SEI是由SEI膜生成的副反應(yīng)產(chǎn)生的電流；是傳遞系數(shù)；、、分別為無量綱的電流交換參數(shù)、頻率參數(shù)、相對膨脹系數(shù)，它們是可以通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得的集總參數(shù)；為電池表面周圍的平均溫度，可以通過熱仿真分析獲得；1C為1 C充放電電流值；SEI為SEI膜生成而形成的過電勢，可基于電化學(xué)模型仿真獲得；為與荷電狀態(tài)（SoC）相關(guān)的膨脹系數(shù)。與1C的關(guān)系式為：

根據(jù)電池的容量退化量，可利用健康狀態(tài)（SoH）模型表示電池的退化及健康狀態(tài)：

2 鋰電池組動態(tài)廣義工作載荷分析

電池的工作載荷不僅包括功率或者電流載荷，還包括電池運(yùn)行的環(huán)境溫度、濕度、振動情況等。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道中可知，濕度和振動等情況對于電池充放電和容量退化的影響很小[26]。故本文僅就溫度和功率2方面對LIBP的動態(tài)廣義工作載荷進(jìn)行分析。

2.1 動態(tài)環(huán)境溫度載荷

對于電池組中的電池環(huán)境溫度載荷而言，并不能簡單地以氣溫剖面作為輸入。通常電池系統(tǒng)中配有電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，該系統(tǒng)在保證整體性能的條件下，會盡可能地讓電池組處于較好的環(huán)境溫度下進(jìn)行充放電。同時(shí)，考慮到電池組的產(chǎn)熱和散熱條件，給出一種確定電池運(yùn)行環(huán)境溫度的方法，包括2個(gè)方面：

1）首先分析所在地區(qū)的氣溫或者電池組外部的氣溫情況。以北京為例，根據(jù)國家氣象局?jǐn)?shù)據(jù)，繪制2018年1月1日至2019年11月30日北京地區(qū)氣溫的最高溫度和最低溫度曲線，如圖2所示。

2）隨后對待研究對象電池以一定充放電倍率開展溫升測量實(shí)驗(yàn)，結(jié)合氣溫條件和電池在放電過程中表面溫度變化的情況，可以近似確定電池等效的環(huán)境溫度載荷。具體方法是，按照月平均溫度將1年分為春秋、夏、冬3個(gè)階段，并根據(jù)平均氣溫條件、電池產(chǎn)熱、地面溫度、散熱情況，綜合確定各個(gè)階段的等效環(huán)境溫度，分別為25 ℃（3、4、5、9、10月份）、40 ℃（6、7、8月份）、10 ℃（11、12、1、2月份）[27]。

圖2 北京地區(qū)氣溫變化情況

2.2 動態(tài)功率載荷

電池系統(tǒng)首先要滿足其功率需求，因此常用功率載荷譜來描述運(yùn)行過程中的動態(tài)載荷特點(diǎn)，即功率–時(shí)間剖面。對于動態(tài)功率載荷的確定，方法主要有等效計(jì)算法和實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法[21]。通過實(shí)測獲得電池系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的電壓、電流、車速等數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算獲得動態(tài)功率載荷。此外，還可以通過分析國內(nèi)外現(xiàn)有的動態(tài)工況，并計(jì)算獲得。依據(jù)現(xiàn)行的GBT 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》，本文選擇“4 ECE+1 EDUC”動態(tài)循環(huán)工況作為運(yùn)行時(shí)的動態(tài)功率載荷進(jìn)行分析。

3 案例應(yīng)用與分析

3.1 模型參數(shù)與驗(yàn)證

對18650石墨/LiFePO4電池（3. 2V，1400 mAh）和由其組成的LIBP開展仿真分析。電池單體的外尺寸（其值來自制造商）見表1，主要的物理化學(xué)參數(shù)和幾何參數(shù)見表2和表3[28-30]。此外，電池極耳由銅箔和鋁箔組成，厚度分別為6.2×10–6、10×10–6m。在傳熱模型中，電池表面的黑度r可視為0.8[31]。電池單體的物性參數(shù)可以根據(jù)各組成部分及尺寸，通過加權(quán)質(zhì)量法計(jì)算獲得集總參數(shù)。

基于上述模型和參數(shù)，本文基于COMSOL多物理場仿真軟件開展仿真分析，并從電化學(xué)、熱和容量退化3個(gè)方面進(jìn)行模型驗(yàn)證。

1）電化學(xué)模型驗(yàn)證。在室溫（25 ℃）下對電池進(jìn)行1 C倍率的充放電仿真與實(shí)驗(yàn)，放電截止電壓為2 V，恒流充電截止電壓為3.65 V，恒壓充電的截止電流為0.05 C。仿真與實(shí)驗(yàn)的電壓曲線如圖3所示，其中電壓仿真結(jié)果為電池正極處的電勢結(jié)果。對比結(jié)果表明，電池充放電過程中，電壓的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致。

表1 電池單體外尺寸

Tab.1 External dimensions of battery cells m

表2 電池組成材料熱電性能參數(shù)

Tab.2 Thermal and electrical parameters of composition materials of batteries

注：a標(biāo)注的參數(shù)來自文獻(xiàn)[29]，b標(biāo)注的參數(shù)來自文獻(xiàn)[30]，m標(biāo)注的參數(shù)來自制造商。

表3 電池材料電化學(xué)物理、幾何參數(shù)

Tab.3 Electrochemical and geometric parameters of battery materials

注：c標(biāo)注的參數(shù)來自文獻(xiàn)[30]。

圖3 電池充放電過程電壓曲線實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

2）熱模型驗(yàn)證。在室溫下對電池進(jìn)行1.5 C倍率放電，采用熱電偶采集電池側(cè)表面中心處的溫度值，時(shí)間間隔為1 min。同時(shí)對電池單體進(jìn)行相同條件下的多物理場仿真模擬，采用電池單體表面等效換熱系數(shù)7.94 W/(m2·K)時(shí)，溫度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果曲線的一致性較好，如圖4所示。

圖4 電池放電過程溫度實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果

3）容量退化模型驗(yàn)證。為了便于案例分析，本文選取北京市每年3—10月份的動態(tài)溫度剖面作為典型的載荷譜。同時(shí)，為了覆蓋此溫度范圍，在環(huán)境溫度為25、45、60 ℃下分別開展電池循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)，充放電工況為：1 C恒流放電（截止電壓為2、3.65 V），3.65 V恒壓充電（截止電流為1/20 C），靜止時(shí)間為1 h?；跍y試數(shù)據(jù)，利用最小二乘法對容量退化模型參數(shù)進(jìn)行擬合標(biāo)定。同時(shí)，基于上述模型，對電池容量退化進(jìn)行仿真分析。模型參數(shù)、實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果如圖5所示，結(jié)果表明，電池退化仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性較好。

圖5 電池容量退化仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文構(gòu)建的電池模型的準(zhǔn)確性?；谏鲜? ECE+1 EDUC動態(tài)循環(huán)工況，開展鋰電池單體退化仿真分析，結(jié)果如圖6所示。其中充放電條件為：以天為單位，每天分別開展10、20、30次該循環(huán)工況，并以0.5 C倍率完成充電，其余時(shí)間則處于靜置狀態(tài)。

圖6 動態(tài)工況下電池單體退化仿真結(jié)果

從圖6中可以看出，電池在夏季（6—8月期間）的退化速率較春秋2季要高，這是由于夏季高溫所造成的。此外，每天進(jìn)行動態(tài)循環(huán)工況的次數(shù)越多，電池退化則越嚴(yán)重。對比10、20、30次的3條退化軌跡，從退化的增量可以看出，電池的退化情況與每天進(jìn)行的動態(tài)循環(huán)工況次數(shù)并非線性的關(guān)系。

3.2 動態(tài)工況下鋰電池組多物理場耦合仿真

對一種典型的3并5串LIBP進(jìn)行仿真與退化分析，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)型如圖7所示?；谏鲜鼋⒌腖IBP模型，開展多物理場耦合仿真。電池單體模型使用的參數(shù)與章節(jié)3.1相同，此外，LIBP湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-模型，流體動力學(xué)模型參數(shù)與邊界條件見表3。

圖7 LIBP結(jié)構(gòu)與構(gòu)型示意圖

表4 LIBP流體動力學(xué)模型參數(shù)與邊界條件

Tab.4 Parameters and boundary conditions of fluid dynamic model in LIBP

在上述動態(tài)工況下，對該LIBP進(jìn)行充放電仿真與退化分析。下面列出25、40 ℃環(huán)境溫度和2 C放電倍率條件下的LIBP溫度與流體速度分布。

圖8 LIBP溫度分布與流體速度分布仿真結(jié)果

從圖8中可以看出，LIBP溫度場在25、40 ℃環(huán)境溫度下的溫差分別為16.59、11.38 ℃。將電池單體表面四周的平均溫度作為該電池的平均環(huán)境溫度，繪制LIBP在25、40 ℃環(huán)境溫度下電池單體的平均環(huán)境溫度，如圖9所示，溫差分別為7.31、4.98 ℃。由此可見，電池在溫度較高的條件下，產(chǎn)熱較低，溫升和溫差較小，這與電池的內(nèi)阻隨溫度變化呈指數(shù)負(fù)相關(guān)性有關(guān)[32-33]。

圖9 LIBP中電池單體平均環(huán)境溫度

3.3 基于多物理場仿真的鋰電池組退化分析

基于多物理場仿真模型和結(jié)果，將電池平均環(huán)境溫度作為耦合要素，結(jié)合鋰電池容量退化模型，開展長周期下的LIBP退化仿真。為了對比分析，分別獲得恒定環(huán)境溫度和動態(tài)工況條件（同3.1章節(jié)，其中動態(tài)循環(huán)工況次數(shù)為10次/d）下的仿真結(jié)果，如圖10所示。

從仿真結(jié)果可以看出，LIBP中，每個(gè)電池單體的退化因環(huán)境溫度的不同而不同。電池之間退化的不一致性隨著循環(huán)次數(shù)的累積逐漸加深。從恒定環(huán)境溫度的退化結(jié)果可知，經(jīng)過1 960次循環(huán)充放電后，內(nèi)部電池的最大SoH差異分別為0.038 8（25 ℃）和0.027 8（40 ℃）。其中10號位置的電池退化較快，是該LIBP中的薄弱環(huán)節(jié)。鑒于“短板效應(yīng)”，其LIBP的壽命主要取決于10號位置電池的SoH。在動態(tài)循環(huán)工況下，LIBP退化的軌跡有所不同，由于動態(tài)工況多處于低充放電倍率，故電池產(chǎn)熱量較少，LIBP內(nèi)部溫度差異較低，因此電池退化的一致性較好（SoH差異為0.006 8）。此外，在該結(jié)構(gòu)和冷卻方式下，動態(tài)工況并不影響該LIBP的薄弱環(huán)節(jié)。若以80%SoH為壽命閾值，則該LIBP在25、40 ℃條件下以2 C倍率充放電的循環(huán)壽命分別約為1 670、1 198次。在上述動態(tài)使用工況條件下，累積使用壽命預(yù)期約為535.5 d，折合“4 ECE+1 EDUC”循環(huán)工況約為5 355次。

圖10 多物理場耦合作用下的LIBP退化仿真結(jié)果

針對LIBP的薄弱環(huán)節(jié)，在實(shí)際工程中可以通過改善散熱條件，降低最大溫差，提高運(yùn)行溫度的一致性，來減緩?fù)嘶俣?。就本文的案例而言，可以增加風(fēng)速提高散熱，也可以通過調(diào)整通風(fēng)的方式。如定期改變通風(fēng)出入口，改變薄弱環(huán)節(jié)，以此減緩10號電池的退化速度，提高退化的一致性。另外，還可以設(shè)計(jì)拓?fù)潆娐罚诒ＷC總輸出功率的前提下，減少薄弱環(huán)節(jié)電池所在支路的電流載荷，以減緩其退化速度。

4 結(jié)論

本文面向?qū)嶋H的動態(tài)復(fù)雜工況下鋰電池組退化仿真分析問題，構(gòu)建了考慮電化學(xué)、電、熱、流等物理要素的LIBP多物理場耦合仿真模型，構(gòu)建了包含電流和溫度廣義動態(tài)工作載荷譜，結(jié)合基于SEI膜生成機(jī)理的容量退化模型，提出了動態(tài)工況下的LIBP仿真與退化分析方法，并開展了模型驗(yàn)證和案例分析，證明了模型和方法的可行性。該模型和方法具有以下優(yōu)勢：

1）仿真模型更具有科學(xué)性和準(zhǔn)確性?；诙辔锢韴龇抡妫軌虺浞址治鯨IBP內(nèi)部溫度和電流的不一致性，綜合考慮電、熱、流等多個(gè)物理要素對電池容量退化的影響。

2）分析方法的泛化能力更強(qiáng)。退化分析方法能夠結(jié)合溫度、電流、功率等LIBP運(yùn)行的復(fù)雜工作載荷開展，更符合工程實(shí)際。

通過案例分析，獲得LIBP在25、40 ℃環(huán)境溫度下運(yùn)行的最大溫差分別為16.59、11.38 ℃，循環(huán)壽命分別約為1 670、1 198次。經(jīng)1 960次循環(huán)后，內(nèi)部電池的最大SoH差異分別為0.038 8、0.027 8。這表明在25～60 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，LIBP循環(huán)壽命隨著溫度的升高而降低，退化的一致性反而升高。此外，在動態(tài)循環(huán)工況使用下，預(yù)期循環(huán)壽命約為5 355次。最后，針對LIBP的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合溫度、電流等影響因素，給出了一些減緩?fù)嘶墓こ探ㄗh。

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Multi-physical Simulation and Degradation Analysis of Lithium-ion Battery Pack under Dynamic Conditions

XIA Quan, REN Yi, SUN Bo, YANG De-zhen

(Beihang University, Beijing 100191, China)

The work aims to propose a simulation analysis method for capacity degradation under actual complex dynamic conditions to improve the accuracy of SOH evaluation of the lithium-ion battery pack. A multi-physical coupling simulation model of the lithium-ion battery pack was established by coupling the P2D electrochemical and thermal model of multiple battery cells and the series parallel equivalent circuit, thermal and fluid dynamic model of the battery pack. A generalized dynamic load spectrum of the lithium-ion battery pack was constructed by analyzing the dynamic characteristics of current, temperature and other operating conditions in the actual use of the battery system. The model validation and the multi-physical simulation analysis of a typical 3 parallel-5 series lithium-ion battery pack were carried out. Then the capacity degradation model based on the SEI film formation mechanism was coupled to analyze the capacity and SoH degradation of each cell in the battery pack under dynamic conditions. The life weak links of the battery pack were obtained. The results showed that the degradation trajectory of the lithium-ion battery was highly nonlinear under dynamic conditions. The battery pack degraded rapidly with the increase of ambient temperature from 25 ℃ to 60 ℃, but the maximum temperature difference inside the battery pack decreased. The proposed method can well quantify the impact of actual complex dynamic conditions on degradation of the lithium-ion battery pack, and provide technical support for its reliability design and operation management.

lithium-ion battery pack; multi-physics; dynamic condition; coupling simulation; SEI film formation; capacity degradation

2022-06-27；

2022-09-27

XIA Quan (1990-), Male, Doctor.

孫博（1979—），男，博士。

SUN Bo (1979-), Male, Doctor.

夏權(quán), 任羿, 孫博, 等.動態(tài)工況下鋰電池組多物理場仿真與退化分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(6): 108-116.

N945.17

A

1672-9242(2023)06-0108-09

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.014

2022–06–27；

2022–09–27

國家自然科學(xué)基金（52075028）；中國博士后科學(xué)基金（2021M690298）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (52075028); China Postdoctoral Science Foundation (2021M690298)

夏權(quán)（1990—），男，博士。

XIA Quan, REN Yi, SUN Bo, et al.Multi-physical Simulation and Degradation Analysis of Lithium-ion Battery Pack under Dynamic Conditions[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 108-116.

責(zé)任編輯：劉世忠