充放電的案例
基于comsol的電芯電化學充放電膨脹分析
一般來說，這樣的建模需要包含兩部分：1）電化學模型，模擬活性物質在充放電過程中的反應機理；2）機械模型，模擬活性物質在嵌鋰后的形變情況。這種膨脹是可逆的。
此次采用comsol軟件的鋰電池模塊和力學模塊，設計了一套從微觀到宏觀的鋰電池電化學膨脹分析路線。
一、微觀模型建立。
此次構建的是一個NMC電芯隨機顆粒分布的微觀模型，求解充放電過程中電芯膨脹變化。
電芯充放電下的膨脹變化 。
其中負極最大位移隨電壓變化如下：
另外我們針對微觀部分 分別求解其力學性能。
二、多層電芯原位膨脹仿真分析
多層電芯膨脹變化曲線圖。
三、模組膨脹，在前面兩步求解的基礎上，轉入abaqus進行模組求解。
通過從微觀到宏觀的逐層遞進，完成鋰電池電化學充放電膨脹的分析，以上模型僅供參考。
有興趣的可以加我交流，謝謝 。
展開 鋰離子電池充放電循環期間的熱效應 ￥500
</p><p>本案例模擬充放電循環期間以及隨后松弛階段的鋰離子電池。集總電 池模型用于對電池單元化學性質進行建模，二維軸對稱模型用于對電池溫度進行建模。 采用了電化學耦合，仿真得到鋰離子電池的溫度場變化結果，如圖1所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/2c7daef201a7459f8fbc87479a9f1f43.gif" alt="Untitled1.gif"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖1 鋰離子電池充放電期間的溫度場分布</strong></p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202301/77eb7e9a7cab4f03aee49cb4a1ee8103.png" alt="Untitled2.png"></p><p class="ql-align-center"><strong>圖2 鋰離子電池荷電狀態變化及電池電流變化</strong></p><p><br></p><p>感興趣的朋友，可以下載模型源文件，歡迎交流</p>
展開 研究人員開發新型錳基正極材料 使鋰電池充放電次數翻倍
即使充放電次數增加一倍，也能保持90%的容量。這一發現為開發低成本、高效的鋰離子電池錳基正極材料提供了啟示。
（圖片來源：香港城市大學）
開發錳基正極材料的技術瓶頸：容量保持率低
目前，鋰離子電池使用的正極材料大多含有鈷和鎳，這兩種元素儲量不豐富，而且在開采過程中易污染環境。因此，科學家們正在尋找替代型正極材料，例如錳。
在領先錳基候選材料中，LiMnO2成本較低，更環保，而且理論容量更大。但是，這種材料在充放電循環中穩定性差，可能發生顆粒破碎、結構迅速退化和嚴重的錳溶解，導致電池容量大幅下降，并影響耐久性，使其在商業化鋰離子電池中的應用受到阻礙。
需要克服姜-泰勒畸變
香港城大物理學系助理教授劉奇博士指出，錳基材料結構不穩定的主要原因，在于原子結構中發生的姜-泰勒畸變（Jahn-Teller distortion）。在電池放電時，LiMnO2中的Mn-O鍵被拉長，稱為姜-泰勒畸變。由于Mn3+ 的電子軌道存在長程共線軌道有序性，因此產生了很強的協同姜-泰勒畸變，很容易使原子結構變形。
研究團隊將界面工程應用于原子結構，以解決這一問題。通過擾亂長程共線軌道有序性，防止出現大規模的姜-泰勒畸變。
通過界面工程提高結構穩定性
該團隊通過原位電化學轉換尖晶石Mn3O4納米墻陣列，制備了尖晶石層狀（異質結構）LiMnO2。
展開 手機電池充、放電架構與工作流程講解
快充的持續時間是很短的，當電池到達一定程度后，充充電電流就會下降，充電過程進入T3-T4，此時的特點是，電池電壓不變，而電流逐漸降低，此時叫做CV過程，Constant voltage，恒壓充電，不過呢，usb電流和電池電流還是保持2:1的關系，此時的充電功率也不低。
T4時間以后，充電功率就明顯下降，輔助充電IC休息了，讓主充電IC慢慢工作，此時是就進入CV階段，電池慢慢也就充滿電了。
以上就是手機充放電架構及工作流程的介紹，需要說一句的是，手機的電量和電壓不是100%正相關關系，在要求不高的場合我們可以用電池電壓粗略估計電量，但是在手機這種對電量準確性要求高的場合，高精度體驗友好的電量計設計是非常重要的，因此需要結合電壓和電流對電量進行估計和擬合，比如有的電量計就用卡爾曼濾波估計電量，更簡單點的做法是對電流積分來和電壓互相補充來估計電量。此外，電池低電量時放電會特別快，不能讓用戶上一秒看手機還有15%的電，下一秒就突然變成1%了，甚至有的手機玩一玩游戲，電量反而蹦高了，這都是非常不友好的體驗。
我們看下實際充電曲線，上圖是某手機實測的充電曲線，黃色是usb電壓，藍色是usb電流，橙色是功率，大功率的持續時間只有1小段，該手機使用了更復雜的電池和充電架構設計：120W秒充技術，它采用的是兩顆電荷泵設計，將USB網絡的20V3A高電壓和高電流轉換為兩路10V6A電壓電流，最終匯合成10V12A的大電流輸入電池，實現120W高級秒充，為了實現10V12A電池充電，該手機使用雙串電池架構，雙電池串聯的特點是：總電壓升高、容量不變；雙電池并聯的特點是：總電壓不變，容量升高。由于電池串聯，總電壓加倍，在總電流相同的前提下，串聯設計將會帶來更快的充電功率。
展開 
一文弄懂手機電池充/放電架構與工作流程
以上就是手機充放電架構及工作流程的介紹，需要說一句，手機的電量和電壓不是100%正相關關系，在要求不高的場合，我們可以用電池電壓粗略估計電量，但在手機這種對電量準確性要求高的場合，高精度體驗友好的電量計設計是非常重要的，因此需要結合電壓和電流對電量進行估計和擬合。
比如，有的電量計就用卡爾曼濾波估計電量，更簡單點的做法是對電流積分來和電壓互相補充來估計電量。
此外，電池低電量時放電會特別快，不能讓用戶上一秒看手機還有15%的電，下一秒就突然變成1%了，甚至有的手機玩一玩游戲，電量反而蹦高了，這都是非常不友好的體驗。
我們看下實際充電曲線，上圖是某手機實測的充電曲線，黃色是USB電壓，藍色是USB電流，橙色是功率，大功率的持續時間只有1小段，該手機使用了更復雜的電池和充電架構設計：120W秒充技術，它采用的是兩顆電荷泵設計，將USB網絡的20V3A高電壓和高電流轉換為兩路10V6A電壓電流，最終匯合成10V12A的大電流輸入電池，實現120W高級秒充。
為了實現10V12A電池充電，該手機使用雙串電池架構，雙電池串聯的特點是：總電壓升高、容量不變；雙電池并聯的特點是：總電壓不變，容量升高。由于電池串聯，總電壓加倍，在總電流相同的前提下，串聯設計將會帶來更快的充電功率。
以上就是手機充電、放電架構和工作流程的介紹，然而筆者更期望的還是電池技術本身的進步，容量更大、更穩定、充電更快的電池才是根本。
展開 Ansys攜手EMA推出EMA3D Charge將改進電子組件的設計與安全性
Ansys EMA3D Charge可幫助工程師預測充放電現象的影響
主要亮點
EMA3D Charge是Ansys聯合Electro Magnetic Applications公司（EMA）推出的一款全新充放電預測仿真解決方案，可幫助工程師在設計周期的早期階段降低風險
這款完整解決方案具有直觀的用戶界面、端到端工作流程、強大的網格引擎和3D環境，有助于提升效率
Ansys與EMA合作推出EMA3D Charge，為其行業領先的仿真解決方案產品組合新添一員，可充分滿足從太空探索到日常通勤等應用的關鍵設計與安全需求。新的解決方案讓工程師在設計周期早期階段能夠更準確地預測分析可能會導致災難性產品故障的充放電事件，從而加速產品上市進程并節省成本。
航空航天、電子及汽車行業必須滿足嚴苛的電氣性能要求，才能降低與充放電事件有關的安全風險。工程師需要十分確信，航天器在接觸到空間等離子體時能夠安然無恙；高電壓系統必須在不發生火災危險的情況下安全運行；自動駕駛汽車在遇到意外電氣事件時，必須保持安全關鍵性功能。
展開 Ansys攜手EMA推出EMA3D Charge將改進電子組件的設計與安全性
Ansys EMA3D Charge可幫助工程師預測充放電現象的影響
主要亮點
EMA3D Charge是Ansys聯合Electro Magnetic Applications公司（EMA）推出的一款全新充放電預測仿真解決方案，可幫助工程師在設計周期的早期階段降低風險
這款完整解決方案具有直觀的用戶界面、端到端工作流程、強大的網格引擎和3D環境，有助于提升效率
Ansys與EMA合作推出EMA3D Charge，為其行業領先的仿真解決方案產品組合新添一員，可充分滿足從太空探索到日常通勤等應用的關鍵設計與安全需求。新的解決方案讓工程師在設計周期早期階段能夠更準確地預測分析可能會導致災難性產品故障的充放電事件，從而加速產品上市進程并節省成本。
航空航天、電子及汽車行業必須滿足嚴苛的電氣性能要求，才能降低與充放電事件有關的安全風險。工程師需要十分確信，航天器在接觸到空間等離子體時能夠安然無恙；高電壓系統必須在不發生火災危險的情況下安全運行；自動駕駛汽車在遇到意外電氣事件時，必須保持安全關鍵性功能。
展開 儲能系統的“神經中樞”
主要通過一是進行實時數據采集和監控，包括儲能站關鍵運行信息：包括電站額定功率、電站額定容量、電站PCS運行臺數以及根據儲能電站上送的運行數據，分析系統運行狀態，挖掘或抽取有用的信息，如儲能系統 SOC、SOH、儲能充放電效率等；二是地圖顯示儲能站的地理位置；三是展示近期的歷史數據：今日和昨日削峰電量、本月、本周、昨日、24小時的充放電有功功率曲線。
2、監視與控制。一是顯示當前儲能站的充放電情況，以及相關關鍵數據情況；二是對儲能電站下多個儲能單元的事故匯總，可通過點擊光字牌查看詳細；三是對計劃控制中儲能電站的顯示數據，包括充放電實時曲線、日中計劃曲線、日內超短期曲線。
3、日前計劃。一是充放電計劃維護：此頁面對用戶的展示內容包括儲能站的充放電計劃、新能源預測信息曲線及儲能充放電信息曲線。用戶在“充放電計劃維護”一欄可以新增、修改、刪除儲能站的充放電計劃。可以通過充一放、兩充兩放或一充兩放等模式進行削峰填谷、新能源消納、削峰填谷兼顧新能源消納、應急保電的控制策略；二是歷史計劃查詢：通過日期選擇查詢相應時間段的調度計劃值或系統自動生成的儲能充放電計劃值。
4、報警查詢。用戶可通過報警界面能夠對歷史報警信息進行查詢并導出。準確輕松地進行歷史報警信息的尋找，無需每次通過系統進行查找。
（二）BMS的功能
BMS擔任儲能系統中的感知角色，主要功能是監控電池儲能單元內各電池運行狀態，保障儲能單元安全運行。
BMS對電池的基本參數進行測量，包括電壓、電流、溫度等，防止電池出現過充電和過放電，延長電池的使用壽命。BMS需要計算分析電池的SOC（電池剩余容量）和SOH（電池健康狀態），并及時上報異常信息。
BMS是儲能系統安全、長壽命、低成本的重要保障。
展開 Ansys攜手EMA推出EMA3D Charge將改進電子組件的設計與安全性
EMA3D Charge仿真材料在各種低能量和高能量、時間變化的充電環境中的表面充電，如空間等離子體、沉淀靜力學和三電效應等
EMA3D Charge的高保真度預測可幫助工程師更深入了解充放電現象。這些深度信息會對產品設計產生重大影響，有助于工程師確定充放電事件可能對電氣組件造成的損壞以及損壞的程度。在早期設計階段降低風險，可減少后期重新設計以及高成本產品故障的幾率。
美國宇航局約翰遜航天中心EMC工程師表示：“EMA3D Charge具有許多令人驚嘆的功能。例如，它不僅易于操作，而且其網格機械計算機輔助設計（CAD）模型可顯著簡化從航天器結構模型到分析結果的過程。此外，它還能夠對航天器進行充電分析，由于航天器會通過直接接觸月球塵埃進行充電，同時通過接觸月球表面或附近的空間等離子體進行充電，因此我們從中看到了這款解決方案所蘊含的巨大價值。”
雖然EMA3D Charge的技術在此前已經應用于電子及航空航天產業，但它是首款完全專注于充放電預測的解決方案。通過利用Ansys SpaceClaim創建直觀的用戶界面和工作流程，EMA3D Charge可將CAD導入、設計與簡化、仿真設置與網格劃分、結果概括和可視化整合在統一的求解器技術中。
Ansys產品高級副總裁Shane Emswiler指出：“EMA3D Charge填補了市場同類仿真產品的空白。此前，工程師在仿真充放電事件時，不僅要瀏覽多個代碼，而且還要采用極具挑戰性的工作流程，缺乏完整的解決方案。
展開 鋰電池壽命與充電注意事項
鋰電池充電次數和壽命
1、充電次數
正常情況下，鋰電池的充電次數在500-2000次左右，國產鋰電池的充電次數多在800-1000次左右，而進口的三元鋰離子電池的充放電次數可達到3000次左右。
鋰電池充電次數與壽命
2、使用壽命
鋰電池都是有生命周期的，一次充電周期是指鋰電池https://www.misumi.com.cn/seojingtai/lidianchi.html一次完整的充放電過程，當電池使用量達到電池容量的100%時，即完成了一個充電周期，需要注意的是不一定通過一次充電完成。
那么，鋰電池的使用壽命是多長？
鋰離子電池的充放電次數最高可達2000-3000次之多，與普通鉛酸電池的充放電次數500次相比，這個數值已經相當高了。不同的電池有不同的循環使用故事，三元鋰動力鋰電池的循環使用壽命在1500-2000次左右。
單純的充電次數不會影響電池的使用壽命，鋰電池的壽命只根據循環次數來減少，充電次數不直接決定鋰電池的使用壽命。在一次充放電的循環中多次充電，只能算是電池損耗的一次循環使用，而對其使用壽命的損耗是很微小的。
3、注意事項
鋰電池壽命是指電池在使用過一段時間后，容量衰減為標稱容量（室溫25℃，標準大氣壓，且以0.2C放電的電池容量）的70%，即認為壽命終止。在鋰電池行業內一般以鋰電池滿充滿放的循環次數來計算循環壽命。
據科學測算，更高倍率的放電會導致容量更快的衰減，當放電電流較低時電池電壓接近平衡電壓，就可以釋放出更多的能量。
在鋰電池充電時建議的使用窗口為10%~90%，不要進行深度充放電，以免對電池的正負極結構造成不可逆的損傷。如果以淺充淺放來計算，鋰電池的循環壽命至少有1000次。
展開 電化學儲能基本問題綜述
非對稱動力學與反應路徑
盡管一些電池材料的充放電產物是確定并且一致的，但其在恒流充放電的電壓曲線并不重合。文中圖7展示了鋰空氣電池的恒電流間隙滴定技術(Galvanostatistic Intermittent Titration Technique，GITT)曲線，可以看出，放電過程和充電過程測量的開路電壓基本一致，但恒流時的充放電截止電壓差異很大，這與反應產物的輸運特性、產物狀態、結構等有關。表面新相的形成，也會導致非對稱行為，例如，在LiNi1-yFeyO2充放電過程中，當更多的Li嵌入時，由于鋰離子的擴散限制，會在LixNi1-yFeyO2的表面形成Lix>1Ni1-yFeyO2的富鋰區域，阻礙鋰離子向顆粒內部的擴散，并因此形成大的電壓滯后，表現為充放電曲線的不對稱，類似現象也存在于其它層狀化合物中。
圖7 鋰空氣電池的GITT曲線:電壓滯后現象與平衡電壓
造成充放電電壓曲線不對稱的因素還包括非對稱的反應路徑。一般表現為其在充/放電的某個反應中要經過一個中間相，而在對應的另一過程中則不經過該中間相過程。該過程既可能是由于熱力學因素引起，也可能由動力學因素引起。如鈉離子電池負極材料Na2C6H2O4在首周放電過程中嵌入兩個Na，生成Na4C6H2O4，而在首周放電過程中，兩個Na并不同時脫出，其首先脫出1個Na，生成Na3C6H2O4，隨后再脫出第2個Na，生成Na2C6H2O4，如文中圖8所示。
展開 
電動汽車鋰離子電池安全性能檢測淺析
作為鋰離子電池性能檢測中最重要的安全性能檢測，一直是人們關注的重點和難點，本文通過調查分析國內外標準關于過充電保護、過放電保護以及短路保護等安全性能檢測的異同點，旨在建議我國關于鋰離子電池安全性能檢測的發展趨勢，有效預防安全事故的發生，促進鋰離子電池行業的健康發展。
1 電氣安全性
1.1 過充放電
過充放電檢測是檢查過充電與過放電保護系統的功能性。該功能系統能夠實現控制充放電電流的過載從而達到保護工作狀態的電池設備免遭荷電狀態超越最大極值或者低于最低極值誘發安全事故。
電池組或者電池系統與整車級別的過充放電檢測是有差異的。GB/T31467.3-2015明確提出鋰離子動力蓄電池包和系統的過充放電保護檢測，充電與放電保護的檢測對象是工作狀態的所有檢測系統，檢測電流倍率為1C,截止條件為電池的管理系統能夠發揮應有的作用或者達到實驗的終止條件。實驗的終止條件相同的地方在于終止電壓與額定電壓的系數關系以及實驗的溫度超過規定最高溫度5℃，過充電保護的截止電壓是最高電壓的1.2倍，過放電保護的總電壓低于額定電壓的25%。
不同的地方是過充電保護檢測要求的是電池的荷電量SOC超過130%，過放電保護檢測要求的是放電時間超過30min，過充放電保護檢測均為實驗結束后觀察2小時。國際標準化組織針對于過充放電保護制定了ISO12405-1:2011與ISO12405-2:2012，這兩種標準的適應的電池類型不同。前者適用于高功率密度型電池，后者適用于高能量密度型電池。
功率型電池的過充電檢測的電流倍率為5C,過放電檢測的電流倍率為1C;而能量型電池的過充電檢測的電流倍率為2C;過放電檢測的電流倍率為1/3C。電流倍率的變化受電池的應用方向影響，放電電流小能夠實現電池的高容量與高能量，放電電流大能夠實現電池在較短的時間內提供能量。
展開 Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法 ￥3000
</strong></p><p><br></p><p><br></p><p><strong>Comsol 鋰電池電化學擬合的一種方法</strong></p><p><br></p><p> 測試電池在溫度為5℃～55℃，每次間隔10℃，共6個溫度點；SOC為0～1，每次間隔0.1，共11個SOC點；放電倍率為0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2，共8個充電倍率；構建方法如下：</p><p> (1) 采用基于最小二乘法的二元多項式擬合理論，對給定充電倍率下，將R擬合成關于T和SOC的二元多項式函數，如公式1所示，同時將該擬合方法拓展到其他充電倍率下，采用同階次二元多項式函數擬合其他充放電倍率下關于和的二元多項式函數；</p><p> (2) 二元多項式函數的系數的提取。提取不同充放電倍率C下的R關于T和SOC擬合的二元多項式函數的系數，如表所示，此時，每一組系數均能表達該對應充放電倍率下，R關于T和SOC的函數關系；</p><p> (3) 采用三次樣條插值法，將步驟（2）提取的不同充放電倍率下的二元多項式函數的系數擬合成關于C的三次樣條插值函數，從而在一定充放電倍率區間內獲得連續不同充放電倍率下的R關于T和SOC二元多項式函數的系數。
展開 汽車電芯熱管理設計
二、電芯熱管理設計
客戶輸入
冷卻要求：
高溫環境，告訴工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
高溫環境，爬坡工況（10%坡度）冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
高溫環境，快充工況冷卻，電池溫度不允許超過45攝氏度；
加熱要求
-20攝氏度低溫環境，加熱至0攝氏度，時間30min;
-30攝氏度低溫環境，加熱至0攝氏度，時間50min；
溫差要求：冷卻：<5攝氏度，加熱：<10攝氏度；
保溫要求：高溫和低溫24H溫度保持情況
根據客戶輸入轉化為不同工況電池的充放電倍率發熱功率。
發熱功率估算
電池發熱功率的表達式為：
式中：U為電池開路電壓；I為電池電流；V為電池負載電勢，以上三項分別表示不可逆內阻熱、可逆熵熱和混合熱。
隨后Thomas和Newman證實，在電池的設計過程中，如果減小極化濃度差，混合熱可以忽略不計，公式(1)簡化為：
目前多采用此方法，但是根據發熱功率影響因素一定要確定哪個SOC、哪個溫度、哪個充放電倍率下的內阻。
一般情況下會給出50%SOC25℃1C充放電下的內阻，但在充放電末端內阻值會變大，發熱功率也會變大。
展開 新能源汽車超級充電測試解決方案
3.超級充電測試解決方案
金螞蟻新能源汽車超級充電測試系統主要包括以下三部分：雙向可編程直流電源；測試模擬機柜（包含可編程低壓直流電源、工控機、控制單元，信號采集單元及采集接口、直流充放電模擬器（模擬不同類型充電標準）、通訊模塊、充電連接器、上位機及測試軟件、及相關電氣回路、散熱系統等）；移動式液冷充電終端（包含液冷裝置、液冷充電槍頭及對應電氣回路等）。
金螞蟻新能源汽車超級充電測試系統
充放電模擬：雙向直流電源及直流充放電模擬系統，模擬符合不同充電標準（包含2015國標，歐美標，2015+，Chaoji等標準）的非車載充電機（向車輛提供包含導引電路/通訊/能量的傳輸），實現對車輛的充放電。
信號采集：信號采集接口提供包含輸入輸出電壓/電流、通訊信號，標準規定的導引信號采集接口，以支持充放電過程中使用外接儀器設備對充電過程中的信號進行采集分析。
充電連接：移動式充電終端，作為充電連接器，實現模擬充電機-車輛的連接，并可通過快接連接器接入不同充電標準的充電終端。
設備冷卻：在進行超過250A的大功率充電時，充電終端配備液冷裝置，并通過液冷裝置，控制充電過程中連接器的溫度。
運行監控：工控機（PC）作為系統的主控器，通過上位機程序提供對充電模擬器運行狀態/運行方式/的控制以及監控。
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