学术报告

第一部分：研究作者及出版信息

本文由Jiangong Zhu、Zechang Sun、Xuezhe Wei和Haifeng Dai撰写，作者主要来自同济大学汽车工程学院及清洁能源汽车工程中心（Clean Energy Automotive Engineering Center, Tongji University）。该研究发表于学术期刊《Energies》，文章题为“Battery Internal Temperature Estimation for LiFePO4 Battery Based on Impedance Phase Shift under Operating Conditions”，出版时间为2017年1月6日。

第二部分：研究背景与目的

本研究属于电池管理系统（Battery Management System, BMS）和锂离子电池热管理领域。锂离子电池（尤其是LiFePO4电池）因其高能量密度和长期循环寿命，正广泛应用于电动汽车（EVs）和混合电动汽车（HEVs）。电池内部温度是影响电池安全性和寿命的重要参数，尤其在高功率条件下，内部温度的波动可能引发电池热失衡。然而，由于电池热质量的影响和散热过程的非均匀性，直接测量电池的内部温度具有挑战性。现有研究主要依赖于电化学-热能模型（Electrochemical-Thermal Model）和电气-热能模型（Electrical-Thermal Model）来估算温度，但这些方法的广泛应用往往依赖复杂的硬件传感器和电池特性数据，同时难以满足车辆实际运行条件下的需求。

本研究提出了一种基于电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）和阻抗相位偏移（Impedance Phase Shift）的电池内部温度估算方法，其目标是克服传统热感传感器的不足，提高电池温度检测及管理的实时性和精度，从而促进电池管理系统的优化。

第三部分：研究流程与实验设计

研究包含四个主要实验步骤，详细如下：

1. 阻抗相位偏移测试与电化学平衡
   使用容量为30Ah的商用LiFePO4电池作为研究对象。研究首先在电化学平衡条件下（即无剧烈化学反应的稳态下）测量不同SOC（State of Charge，荷电状态）和不同温度范围下的阻抗谱（Impedance Spectrum）。实验覆盖了−20℃到40℃的温度区间（间隔为10℃），阻抗频率范围设定为0.1Hz至10kHz。测试设备包括Solartron电化学工作站和Vötsch环境测试箱。通过高精度热电偶监测电池内温度，记录温度与阻抗谱的关系。

2. 人工温度梯度实验
   利用加热板和环境测试箱设计人工控制的温度梯度。研究通过调整电池表面温度差（例如：加热板侧的温度为热端，环境侧为冷端），模拟热分布不均的实际工况，评估阻抗相位偏移对不同温度梯度的依赖性。电池内部被嵌入热电偶，用以测量几何中心位置的内部温度。

3. 不同短期静置时间下阻抗相位偏移测量
   在实际车辆操作工况中，电池的充放电过程导致难以完全实现电化学平衡。因此，研究设计了一系列短期静置时间（0秒、10秒、30秒及更长）后的阻抗测量实验。实验中，设置1Hz ~ 10kHz的频率范围，研究阻抗参数在不同静置时间下的变化趋势。

4. 验证实验
   通过常规放电和脉冲放电过程验证温度估算的准确性。脉冲放电实验的放电电流为15A至24A，分别在10s和30s静置时间间隔后执行阻抗测量。结合内置热偶测量的电池内部温度，用于验证模型估算结果。

每一步实验的核心在于量化内部温度与阻抗相位偏移的关系。在对实验结果进行深入分析后，研究提出了基于指数衰减的修正公式以及多元线性回归模型以优化温度估算的精度。

第四部分：研究主要结果

1. 阻抗相位偏移的温度依赖性
   实验结果表明，在10Hz的特定频率点，阻抗相位偏移与电池内部温度存在单调关系。SOC和电池老化对这一关系的影响几乎可以忽略。因此，10Hz频率点的相位偏移成为本研究的温度估算关键参数。

2. 人工温度梯度的影响
   尽管人工施加了不同的温度梯度，结果显示电化学阻抗的变化能够反映电池内部的平均温度。这一发现再次证实了基于阻抗相位偏移进行温度估算的可行性。

3. 静置时间对相位偏移的影响及修正公式
   短期静置时间对阻抗相位偏移具有显著影响：静置时间越长，相位偏移值呈指数衰减趋势。这被归因于电池内部离子浓度重新分布的扩散过程。基于实验数据，研究提出了一个修正公式用于校正因电化学非平衡导致的相位偏移偏差。

4. 多元线性回归模型的优化
   在高于10℃的高温场景下，由于阻抗显著下降，相位偏移对温度的敏感性降低。研究进而引入环境温度作为补充变量，提出了包含内部平均温度和环境温度的多元线性回归模型。实验验证显示，该模型在各温度条件下均能改进温度估算的准确性，较传统方法大幅降低了估算误差。

第五部分：研究结论与价值

本文提出了一种基于阻抗相位偏移的LiFePO4电池内部温度估算方法。与已有方法相比，该方法不依赖于大量硬件传感器或复杂的电池热模型；通过实验验证，模型在高温与低温工况下均具有优异的精度表现。这一研究结果在电动汽车BMS优化中具有重要应用价值，尤其在高效量化内部温度分布、提升电池热管理系统的性能中展示了良好的潜力。

第六部分：研究亮点

1. 提出了一种创新性的基于电化学阻抗相位偏移的电池温度估算方法。
2. 实验首次从电化学非平衡的角度系统剖析了静置时间对阻抗相位偏移的影响，并建立了相应修正公式。
3. 发展了多元线性回归模型，引入环境温度以提高高温条件下的估算精度。
4. 方法不依赖电池老化状态，也不需要电池热量特性传感装置，为新型BMS的实现提供了合作基础。

第七部分：潜在拓展方向

虽然本文研究验证了方法在循环寿命中的准确性，但尚未详述不同使用模式（如高倍率充放电、新型驾驶工况）对阻抗相位偏移关系的影响。未来需要针对这些复杂工况开展进一步的探讨，以全面提升该方法的应用普适性与稳健性。