一种锂离子电池三维简化模型的仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法，步骤如下：(1)选择一商用锂离子软包电池，根据相关参数建立该电池三种尺寸的三维分层电化学‑热耦合模型：一个单元的模型(OUM)，两个单元的模型(TUM)以及半尺寸的模型(HSM)；(2)分别比较三种仿真方法下锂离子电池的热行为以及电化学性质；(3)讨论是否可以用一个单元模型的仿真方法来代替全尺寸模型的仿真方法，并给出依据。本发明专利技术能够简化锂离子电池的三维模型仿真方法，用基于一个单元模型的仿真方法来代替全尺寸模型的仿真方法，既节省计算时间又能保证模型的精确性，为仿真研究者提供一定的指导依据。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池三维简化模型的仿真方法
本专利技术属于锂离子电池模型构建及仿真方法简化的
，具体涉及一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法。
技术介绍
近年来由于锂离子电池在能量密度、功率密度、循环寿命以及环境保护等方面的优异性能，越来越得到研究者们的广泛关注。采用传统的实验方法对锂离子电池性能进行研究已日渐成熟，而实验过程存在的诸多缺点，例如无法观测锂离子电池的内部性质，耗费人力物力财力以及资源等，也逐步成为关注的焦点。由此而来的就是针对仿真的进一步研究，目前对于锂离子循环产热的仿真方法一般包括两种，一种是电-热耦合模型，它只计算电池的电场分布，并与温度进行耦合，计算速度快但模型精度不高；第二种就是应用最广泛的电化学-热耦合模型，来源于1993年Newman等人(JournaloftheElectrochemicalSociety，1993，DOI：10.1149/1.2221597)最早建立的伪二维(P2D)电化学模型，该类模型考虑电池内部复杂的电化学过程，从电化学反应生热的角度描述电池热模型，可以得到电池的电化学性质以及热行为分布。然而大多数研究者都致力于P2D电化学模型和三维热模型的耦合，它是将P2D电化学模型计算得到的热源作为平均值耦合到电池的热模型中，是一种平均热源的耦合方法，并未将各部分热源实时耦合进热模型。而且我们都知道软包锂离子电池内部为层叠式结构，若建立全尺寸的三维分层模型需要大量的计算量以及计算资源，更加制约了锂离子电池模型的发展。因此，本方法提出了一种锂离子电池三维简化模型的仿真方法，既建立了三维分层的电化学-热耦合模型，保证了电池各部分热源的实时耦合，即提高了模型的精确性，又进行了仿真方法的简化，用一个单元模型的仿真方法来代替全尺寸模型的仿真方法，大大减小了仿真时间以及计算资源，可为模型开发者以及仿真研究者们提供一定的指导依据。
技术实现思路
本专利技术提供了一种锂离子电池三维简化模型的仿真方法，通过建立三种不同尺寸的三维分层电化学-热耦合模型：一个单元的模型(OUM)，两个单元的模型(TUM)以及半尺寸的模型(HSM)，并比较了三种不同仿真方法下电池的热行为以及部分代表性的电化学性质，从而探讨一个单元模型的仿真方法代替全尺寸模型仿真方法的合理性。本专利技术采用了以下技术方法：一种基于三维锂离子电池简化模型的仿真方法，包含以下步骤：步骤一，选择一种商用锂离子软包电池，获取其可测的电化学参数以及材料热物性参数等；步骤二，根据参数建立该电池三种尺寸的电化学-热耦合模型：一个单元的模型(OUM)，两个单元的模型(TUM)以及半尺寸的模型(HSM)；步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；步骤四，分别比较三种仿真方法下锂离子电池的热行为以及电化学性质；步骤五，用一个单元模型(OUM)的仿真方法来代替全尺寸模型仿真方法，并给出依据。步骤二中模型为三维分层的电化学-热耦合模型，下面叙述模型的建立过程以及耦合过程：(1)模型建立层叠式锂离子电池的内部结构由如下重复单元构成：隔膜，正极材料，正极集流体铝箔，正极材料，隔膜，负极材料，负极集流体铜箔，负极材料，隔膜……本方法定义一个单元有五层结构：正极集流体铝箔，正极材料，隔膜，负极材料，负极集流体铜箔，以及从正负极集流体延伸出来的极耳，两个单元即包含十层结构。其中电化学模型的控制方程主要包含以下几部分：电荷守恒方程，质量守恒方程，电化学动力学方程(Butler-Volmer方程)，对于该模型的控制方程以及边界条件均列于表1中。其中热模型是基于能量守恒方程建立的。电池的产热由两部分组成：可逆热和不可逆热，前者是由于电化学反应而引起的产热，是可逆的；后者是由于欧姆内阻和极化内阻造成的不可逆产热。为了避免外界对流以及辐射环境对模型简化的影响，在边界条件设置绝热条件，其控制方程和边界条件也列于表1中。(2)耦合过程电化学模型中电解质电导率、正负极扩散系数等参数都是随温度变化的参数，而这些参数的变化会影响锂离子电池的电化学产热，而锂离子电池的产热又会导致电池温度的变化，这三方面的因素相互影响、相互反馈，就是三维分层电化学-热耦合模型的耦合机制，为实时耦合过程。表1三维分层电化学-热模型中的控制方程和边界条件文中出现的符号及术语见表2。表2文中出现的符号以及术语步骤三中对模型的验证是通过下述步骤进行：(1)在电池表面布置五个热电偶以便测量电池温度；(2)通过先恒流后恒压的充电方法将电池充满电；(3)将连有充放电循环仪的电池置于EV-ARC(extendvolumeaccelerateratecalorimeter,ThermalHazardTechnology)中模拟绝热条件，对电池进行恒流放电，截止电压设置为2.75V；(3)将实验得到的放电曲线(电压-时间曲线)与模拟值进行比较；(4)五个热电偶得到的温度数据取平均值，与模型中相应五点温度的平均值做对比；(5)根据上述步骤(3)和(4)的结果进行参数校正，得到校正后的电化学-热耦合模型。本专利技术与现有技术相比的的优点在于：1)，建立了锂离子电池的三维分层电化学-热耦合模型，较为全面地复现了锂离子电池的内部结构，并且通过实验验证和参数校正提高了模型的精确性；2)，模型与实验均在绝热条件下进行，避免了外界对流及辐射等环境条件的影响，提高了模型的精确度；3)，该方法建立了半尺寸模型，而未建立全尺寸模型，在减小计算量的同时又能保证规律性；4)，该方法包含了三种锂离子电池的仿真方法，对其热行为和电化学性质进行比较，以得出一个单元模型是否可以替代全尺寸模型的仿真方法，该结果是在三种仿真方法建立的模型的多项性质对比下得出，具有可靠性和精确性；5)，该方法的结果表明一个单元模型的仿真方法可代替全尺寸模型的仿真方法，因此该方法可大大减小三维模型的仿真时间以及计算资源，节约人力物力财力以及其他资源，既可减少电池设计周期又可研究电池性能；6)，该简化方法为模型开发者及仿真研究者提供了一种三维简化模型仿真方法的指导依据，为仿真研究者们提供了极大的便利。附图说明图1为本专利技术中软包锂离子电池内部结构示意图，其中，图1(a)为内部层叠式结构，图1(b)为一个单元计算域。图2为本专利技术的实施例一中正负极半电池的熵系数随荷电状态的变化曲线。图3为本专利技术的实施例一中五根热电偶的布置位置图。图4为本专利技术的实施例一中两个不同放电倍率下电池放电曲线和平均温度曲线的模拟与实验结果对比图(其中exp：实验；sim：模拟)，其中，图4(a)为两个不同放电倍率下电池放电曲线图，图4(b)为平均温度曲线图。图5为本专利技术的实施例一中三种不同仿真方法下模型的几何和网格(前四张图片均沿电极厚度方向放大500倍，HSM包含局部放大图)，其中，图5(1-a)为一个单元模型的几何；图5(2-a)为两个单元模型的几何；图5(3-a)为半尺寸模型的几何；图5(1-b)为一个单元模型的网格；图5(2-b)为两个单元模型的网格；图5(3-b)为半尺寸模型的网格。图6为本专利技术的实施例一中三种仿真方法下电池在1C放电倍率下不同放电深度(DOD)时的温度场分布情况，其中，图6(1-a)为一个单元模型在放电深度为1％时的温度场分布；图6(2-a)为两个单元模型在放电深度为1％时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一，选择一种商用锂离子软包电池，获取其可测的电化学参数以及材料热物性参数等；步骤二，根据参数建立该电池的三种尺寸的电化学‑热耦合模型：一个单元的模型(OUM)，两个单元的模型(TUM)以及半尺寸的模型(HSM)；步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；步骤四，分别比较三种仿真方法下锂离子电池的热行为以及电化学性质；步骤五，判断对于锂离子电池的仿真方法是否可以用一个单元的模型(OUM)来代替全尺寸模型(HSM)，并给出依据。

【技术特征摘要】
1.一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一，选择一种商用锂离子软包电池，获取其可测的电化学参数以及材料热物性参数等；步骤二，根据参数建立该电池的三种尺寸的电化学-热耦合模型：一个单元的模型(OUM)，两个单元的模型(TUM)以及半尺寸的模型(HSM)；步骤三，通过实验进行模型验证以及参数校正；步骤四，分别比较三种仿真方法下锂离子电池的热行为以及电化学性质；步骤五，判断对于锂离子电池的仿真方法是否可以用一个单元的模型(OUM)来代替全尺寸模型(HSM)，并给出依据。2.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法，其特征在于，电化学-热耦合模型是一个三维分层的模型，较为全面地复现了锂离子电池的内部结构；层叠式锂离子电池的内部结构由如下重复单元构成：隔膜，正极材料，正极集流体铝箔，正极材料，隔膜，负极材料，负极集流体铜箔，负极材料，隔膜；该方法定义一个单元有五层结构：正极集流体铝箔，正极材料，隔膜，负极材料，负极集流体铜箔，以及从正负极集流体延伸出来的极耳，两个单元即包含十层结构。3.根据权利要求1所述的一种基于锂离子电池三维简化模型的仿真方法，其特征在于，通过实验方法进行了模型验证以及参数校正，实验采取以下步骤：(1)在电池表面布置五个热电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青松，梅文昕，孙金华，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34