目錄

譯者的話

原書前言

第1章電池類型

11鉛酸電池

12鎳基電池

13鈉β電池

131鈉硫電池

132金屬氯化物電池

133挑戰與未來工作

14液流電池

141氧化還原液流電池

142混合型液流電池

143挑戰和未來工作

15鋰離子電池

151鋰離子陰極

152鋰離子陽極

153鋰離子電解質

154鋰離子的挑戰和未來工作

16鋰硫電池

161鋰硫陰極

162鋰硫陽極

163挑戰和未來工作

17金屬空氣電池

171鋅空氣電池

172鋰空氣電池

173挑戰和未來工作

18新興化學

181鈉離子電池

182液態金屬電池

第2章電性能

21電池內部熱力學

22鋰電池單體組成

23充放電電壓特性

24電池等效電路

25電池的電化學模型

251電極內電荷通過電子傳遞

252離子在電解質中的電荷輸運

253電極和電解質之間的電荷轉移

254離子分布

26鋰離子電池的電氣特性

261容量測量

262功率測量

263成分表征

參考文獻

目錄

大規模鋰電池儲能繫統設計分析

第3章熱性能

31電池的產熱

311焦耳熱的產熱

312電極反應的產熱

313熵變產熱

32熱參數的實驗測量

321電池等溫量熱儀

322IBC的基本操作

323IBC的典型應用

33差示掃描量熱儀

331差示掃描量熱儀和電池

34紅外成像

341熱能的來源

342校準和誤差

343成像電池繫統

35熱管理繫統的理想特性

351設計電池熱管理繫統

352優化

36結論

參考文獻

第4章電池壽命

41概述

411物理學

412日歷壽命與循環壽命

413性能衰減區域

414壽命終止

415將電池壽命預測擴展到電池組

416電化學電池中的衰減機制

417鋰離子電池常見的衰減機制

42建模

421基於物理的模型

422半經驗模型

43測試

431篩選/基準測試

432實驗設計

433RPT

434其他診斷測試

參考文獻

第5章電池安全性

51安全影響因素

511電故障

512熱故障

513電化學故障

514機械故障

515化學故障

52安全性模型探究

521局部故障的挑戰

52電池模塊中保護裝置的有效性

523機械考量因素

524壓力累積

525設計短路保護電路

53安全性評估

531反應熱的測量：加速量熱儀

53件的熱機械特性

533單體電池級測試

參考文獻

第6章應用

61電池相關要求

611電氣要求

612熱要求

613機械要求

614安全/濫用要求

62汽車應用場景

621駕駛循環

622SLI電池

623啟停（微）混合動力車

624助力混合動力車

625插電式混合動力車

626電池電動汽車

63電網應用場景

631需量電費管理和不間斷電源

632區域調節和輸配電設備升級延期

633社區儲能

634其他並網應用

參考文獻

第7章繫統設計

71電氣設計

711功率/能量比

712串/並聯拓撲

713繫統均衡

72熱設計

73機械設計

74電子控制

741電池管理的作用

742BMS硬件

743電池均衡

744狀態估算

745電池參考模型

746狀態估計

747電流/功率限值計算

75設計流程

76設計標準

77案例研究1：車用電池設計

771壽命預測模型

772根據電池老化數據擬合壽命參數

773車用電池溫度預測

774控制與壽命的權衡

78案例研究2：大型公共事業客戶的用戶側調峰

781終端用戶的需求和約束

782終端用戶負荷曲線與費率結構

783基線

784增加冷卻量

785降低目標SOC

786降低SOC

79繫統規範

參考文獻

第8章結論

原書前言

由於電化學家、材料學家以及負責電池開發的機電工程師之間缺乏跨學科的溝通，致使電池的發展受到了限制。直到近，不論是作為手機、筆記本電腦的獨立電池還是作為電動工具和其他消費電子產品中的微型電池模塊，鋰離子電池在小型繫統中都得到了廣泛應用。在過去十年中，電池市場顯著擴大，其中包括所含容量是傳統小型電池數千倍的應用。電網和汽車應用僅僅是其中兩個主要方面，它們將推動儲能向更遠的未來發展。
本書作為介紹性書籍，提供了對電池工程多方面深刻的理解。對繫統工程師而言，本書揭開了電化學的神秘面紗；對電化學家而言，本書介紹了發展電池繫統時所必須解決的問題，其中包括如何開發基於模型的設計和如何開發控制平臺兩個方面；對分析人員而言，本書能使其快速了解鋰離子電池的基礎知識及在部署中所面臨的挑戰。
本書介紹了不同類型的電池以及鋰離子電池的適用範圍；電化學的基本原理，講述了選擇制造鋰離子電池材料時必須遵守的標準以及相關約束條件；鋰離子電池的熱管理繫統的設計，從單節電池中的發熱到多節電池模塊中的冷卻通道的設計；詳細介紹了電池壽命預測方法的研究現狀；將成熟的電池繫統發展到更大規模時所面臨的安全挑戰；概述了鋰離子電池廣泛的應用，並列舉了具體的工程實例，例如在汽車應用中的大容量鋰離子電池的技術經濟評估和電網存儲應用的繫統設計。
本書適合不同教育背景的讀者，能夠使其在幾周時間內快速了解電池工程，並在工作過程中不再把電池當作一個“黑匣子”來處理。本書每一章都是基於作者在本學科中積累的多年研究經驗，以一種實踐的方法提供相關的內容、必要的理論背景、實驗工具和實例。本書介紹了一些預測電池壽命的新方法及其在設計優化、保修評估、繫統控制及其他分析中的實際應用。關於電池安全的章節特別強調了大容量電池的設計。有關熱管理及其應用的章節則提供了詳細的案例，以便讀者掌握設計計算。本書包含了對汽車電池和電網儲能在繫統級分析的詳細實例研究，使讀者能夠對各種實際應用進行技術經濟分析。希望讀者能夠像我們初研究這個課題時一樣享受對它的概括性介紹以及測試中的細微差別和實際的案例研究。

對於在美國國家可再生能源實驗室（NREL）進行的相關工作，我們要感謝美國能源部能源效率和可再生能源（EERE）部門的車輛技術辦公室提供的支持。特別感謝我們的項目經理David Howell、Tien Duong和Brian Cunningham。在過去三十年中，NREL的管理層,特別是Barb Goodman不斷的支持和我們的前實驗室項目經理Terry Penney不斷的鼓勵是完成諸多項目的關鍵因素。我們要感謝美國先進電池聯盟（USABC)技術咨詢委員會的成員和與我們一起工作的諸多儲能開發人員，他們提供了電池樣品，分享了技術見解和行業需求。要感激的同事們（現在和以前的）有：Marissa Rusnek、Jeff Gonder、Tony Markel、Aaron Brooker、Mike Simpson、Rob Farrington、Mark Mihalic、John Ireland、Dirk Long、Jon Cosgrove、Myungsoo Jun、Aron Saxon、Ying Shi、Eric Wood和Chuanbo Yang——這名單很長，我們感激不盡。團隊不遺餘力的支持在很大程度上使我們緊密團結在一起。在這本書的編寫過程中，我們的家人、老師、導師和朋友給予我們的支持是一份真摯的禮物，我們萬分感謝。
後也是重要的，我們要感謝家人的支持：Matthew將這本書獻給他親愛的妻子Liz，她的支持和幫助讓他發揮得更好。GiHeon感激Sivan、Soyan和Soyi的支持。Ahmad把這本書題獻給他的妻子Nahid。Jeremy把這本書獻給他賢惠的妻子Anne，正是因為她不懈的堅持和始終如一的耐心使這項工作的完成成為可能。Kandler將這本書獻給他的妻子Jessica以及他的父母和孩子，感謝他們對電池工程師的愛與支持。Shriram感謝Priya在整個過程中對他的幫助，也感謝父母的無限鼓勵。沒有你們所有人的支持，本書是不可能完成的！

譯者的話

近年來，在世界各國政府大力支持下，以鋰離子電池為首的電化學電池技術受電力儲能、電動汽車等新型應用需求的帶動，市場規模以可觀的增長率逐步提高，鋰離子電池的制造安全性及成組應用設計受到越來越多的關注。因此，研究鋰離子電池的電熱性能、安全性影響、不同場景下繫統設計的解決方案以及相關標準規範具有重要意義。
本書立足於鋰離子電池制造與繫統設計的關鍵環節，對電池的原理、電氣特性、熱管理、安全性等進行深入解析，為電池管理繫統的優化設計提供思路。建立了電池壽命的衰減模型，並進行了測試實驗，研究了鋰離子電池的安全性影響因素及評估技術。介紹了不同場景下的繫統設計案例，為鋰離子電池的設計與應用提供了豐富、繫統的電池工程科學技術知識，希望能為探究電池原理、推動鋰離子電池的產業發展提供建議。譯者深信，本書將對鋰離子電池相關領域的商品化開發具有重要的實用價值。
本書的公式表達、圖形及文字符號均遵照原書，未有修改。
因譯者水平有限，譯文難免存在錯誤與不妥之處，歡迎廣大讀者不吝指正。