《Journal of Energy Storage》：Exergy analysis of a lithium-ion battery thermal management system considering lithium plating
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伊桑·卢坎（Ethan Lukan）| 迈克尔·阿尔滕霍夫（Michael Altenhof）| 奥菲莉亚·A·贾努（Ofelia A. Jianu）| 萨蒂亚姆·潘查尔（Satyam Panchal）加拿大温莎大学机械、汽车与材料工程系摘要锂离子电池在电动汽车（EV）的整个汽车
伊桑·卢坎（Ethan Lukan）| 迈克尔·阿尔滕霍夫（Michael Altenhof）| 奥菲莉亚·A·贾努（Ofelia A. Jianu）| 萨蒂亚姆·潘查尔（Satyam Panchal）
加拿大温莎大学机械、汽车与材料工程系
摘要
锂离子电池在电动汽车（EV）的整个汽车行业中得到广泛应用。其性能和寿命取决于工作温度；因此，必须通过电池热管理系统在运行过程中维持适当的温度。本文对一个由三个串联连接的20 Ah LiFePO4电池组成的小型电池组进行了数值分析，这些电池之间装有冷却板，目的是找出能够减少充放电过程中能量损失和锂析出概率的条件。使用COMSOL Multiphysics? v6.2软件对电池组进行了恒电流-恒电压充电实验，充电速率分别为1C、2C、3C和4C，同时将冷却剂的入口温度设定为10°C、20°C、30°C和40°C。分析了每种情况下的能量损失和锂析出的概率。研究发现，为了降低能量损失和锂析出的概率，应尽可能降低充电速率，并减小冷却剂温度与周围环境温度的差异，同时保持电池温度在20至25°C之间。这些发现对于开发热管理系统和充电算法以提高性能和延长电池寿命具有重要意义。
章节摘录
背景
随着对气候变化问题的关注日益增加，人们对于引入可持续且环保、低排放技术的需求也在不断增长。在交通运输领域，汽车和公路运输行业占据了近75%的二氧化碳排放量（如图1所示[1]）。为了减少负面影响，汽车行业必须转向更可持续的能源，以降低排放。
研究目的
本研究的目的是了解在不同充电条件下电池热管理系统（BTMS）的工作参数与其性能之间的关系，以及这些参数对锂析出概率的影响。为了评估BTMS的性能及其对锂离子电池（LIB）运行的影响，对系统进行了能量分析。研究通过改变冷却剂的入口温度进行了参数化实验。
研究方法
使用COMSOL Multiphysics? v.6.2对图2所示的电池模块的电化学和热性能进行了建模。在COMSOL?中，采用了电池设计模块（Battery Design Module [15]来模拟电池的电化学和热行为。该模块基于浓缩溶液理论和多孔电极理论，从颗粒和电池层面描述电池动态[13]。菲克定律（Fick's laws）用于描述固体中的质量守恒过程。
网格敏感性分析
图4展示了用于电池三维模型的网格部分。在隔膜厚度、活性材料以及电池长度方向上分布了方形网格元素。为了验证网格的合理性，不断调整元素数量，直到模拟结果中的热量产生量和电池最高温度保持一致。对于三维热传递模型，生成了自由四面体网格，并逐步减小元素尺寸，直至达到最佳效果。
结论
在COMSOL中分析了由20 Ah LFP电池串联组成、中间装有四块冷却板的电池组的能量损失情况。首先通过将放电过程中的能量损失与Malik等人的实验结果进行比较来验证模型设置的准确性[2]。随后分析了在1C、2C、3C和4C充电速率下，以及冷却剂入口温度在10°C至……范围内时，电池的锂析出概率和能量损失情况。
作者贡献声明
伊桑·卢坎（Ethan Lukan）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件使用、资源协调、项目管理、研究方法设计、资金筹集、数据分析、概念构思。迈克尔·阿尔滕霍夫（Michael Altenhof）：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究方法设计。奥菲莉亚·A·贾努（Ofelia A. Jianu）：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、研究方法设计。萨蒂亚姆·潘查尔（Satyam Panchal）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督工作。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
Mitacs和Stellantis》提供的财务支持。同时感谢CMC Microsystems提供软件许可和服务器访问权限。此外，还要感谢Emiliano Di Tullio、Claudio Gerbaldi博士、Giuseppe Elia博士、Domenico Frattini博士、Anosh Mevawalla博士、Vittorio Ravello博士和Fadi Estefanous提供的帮助和建议。
