CAT蓄电池锂离子电池电-热-力耦合行为的动态数学表征
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-09 17:00:35 点击： 次
摘要
锂离子电池中电学、热学和力学行为之间的强交叉耦合对精确的动态数学表征提出了重大挑战。核心创新在于对现有电学、热学、力学模型进行增量式集成，以动态表征锂离子电池的电-热-力耦合行为。电学行为采用一阶RC等效电路模型表征，热学行为采用集总参数热模型表征，力学行为则基于固态扩散理论和热膨胀理论构建等效应变模型进行表征。耦合模型参数通过带遗忘因子的递推最小二乘法进行在线辨识。在不同环境温度和电池老化程度下，基于FUDS和WLTC工况的实验结果表明：电压估计结果的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）分别保持在20 mV和35 mV以下，温度估计结果的MAE和RMSE分别低于0.1°C和0.15°C，应变估计结果的MAE和RMSE始终控制在2.5以下。με
和3.0με
。此外，更具创新性的结论是：随着电池老化，热阻总体呈现上升趋势，但未发现其与环境温度存在明确关联。动态温度应变系数则表现出与电池老化程度的显著相关性——新电池与老化电池对应的该系数平均标准差分别为0.12με
和0.25με
，差异超过两倍。与之形成对比的是，动态SOC应变系数并未呈现此类变化趋势。
引言
锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率等优势[1,2]，已成为支撑现代清洁能源转型的基石性能量存储装置，广泛应用于消费电子产品、电动汽车和大规模储能系统。然而随着应用边界的持续拓展，对其能量密度、功率密度及安全性能的要求已逼近极限值。在此背景下，复杂工况下的性能演变、容量衰减及热失控等关键挑战日益凸显。这些问题的根源往往可追溯至电池内部错综复杂的多物理场耦合相互作用[[3], [4], [5]]。
锂离子电池的运行本质上是一个涉及电化学、热力学与力学现象耦合的动态过程[6,7]。在充放电过程中，锂离子在正负极之间的嵌入与脱嵌伴随着剧烈的电化学反应、焦耳热与反应热的产生，以及由活性材料体积变化和锂枝晶生长、析气等副反应引发的内应力[8]。这些电学、热学与力学行为并非孤立存在，而是构成一个紧密交织且相互依存的网络：电学行为是热量与应力产生的根源。热行为显著影响电化学反应动力学、电解质传输特性和副反应速率，进而反作用于电学行为并诱发非均匀热应力；机械行为可能改变电极材料的结构完整性、孔隙率和接触阻抗，甚至引发裂纹萌生与扩展，从而导致电化学性能下降并加速产热。这种强烈的内禀耦合关系最终决定了电池的性能、寿命和安全边界[9,10]。
在锂离子电池行为数学表征研究领域，已开展广泛且富有成效的研究工作。这些研究可归类为以下建模方法：单物理场建模、双物理场建模以及多物理场建模。下文将对具体研究进行综述。
单物理场表征方法：此类方法聚焦于对电池单一物理特性的建模，包括电学模型、热学模型和力学模型[[11], [12], [13]]。常用的电学模型包括Rint模型、戴维南(Thevenin)模型、新一代汽车合作伙伴关系(PNGV)模型以及广义非线性(GNL)模型[14]。传统热学模型通常将电池视为均质热源，通过与周围环境的热交换产生温度梯度。该方法通常用于小型圆柱电池或模组的热管理模拟研究[[15], [16], [17], [18]]。机械模型则用于描述电池外部应力或应变的特性。该领域研究涵盖广泛，既包括探究锂离子嵌入/脱嵌过程中电极颗粒内部应力产生与断裂机制的机理研究[19]，也涉及利用电极扩展包力信号辅助估算电池状态的技术应用[20]，更进一步延伸至模组层级模拟堆叠压力对电池厚度与性能影响的等效机械模型构建[21]。
基于双物理场的特性表征：研究[22]提出了一种新型电热耦合模型，旨在提升动态电气特性。这些模型以电路为核心电气元件来计算产热量。研究[23]基于等效电路模型与等效力学模型的框架，利用电池荷电状态(SOC)特性，实现了电气特性与机械特性的耦合。在热力耦合背景下，电池充放电过程中的温度变化会引发热膨胀及相应应力，这种效应在边界约束条件以及高倍率、深放电深度工况下尤为显著[24]。
多性向物理特性表征：这类方法主要分为宏观外部行为建模与微观机理建模两大类别。前者聚焦于锂离子电池的多性向耦合响应及安全演化过程[25]，通过构建集总参数模型等简化方法形成计算高效框架。这类方法在保持半定量精度的同时显著提升了计算效率，从而为电池安全评估与失效分析提供支撑[26]。
然而，当前研究主要集中于锂离子电池的双场耦合行为。这些方法难以深入探究内部多场耦合的动态交互机制，无法准确描述锂枝晶生长、内短路和热失控等关键行为的演化路径。因此，在电池状态估计、健康管理及安全预警方面仍存在显著瓶颈。另一方面，现有三场耦合研究主要依赖电化学模型，但这类模型存在参数过多、计算成本高昂、求解流程复杂等问题，严重制约了电池外特性研究的开展。因此，突破传统方法局限，开发具有高保真度与高计算效率的数学表征模型，以准确描述复杂多变环境及动态工况下锂离子电池内部电-热-力多场耦合行为，已成为提升电池系统设计水平、优化控制策略、保障运行安全的关键科学技术难题。该模型将显著提升电-热-力学行为表征的精确度，从而为电池安全高效运行提供关键指导，并加速汽车产业电气化与智能化发展进程。
综上所述，本研究提出了一种对现有电学、热学、力学模型进行增量式集成的方法。该方法能够动态表征锂离子电池的电-热-力耦合行为，并进一步挖掘该动态耦合模型参数的更多结论。
