基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法技术

本发明专利技术公开一种基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，包括如下步骤：几何模型构建步骤；材料属性赋值步骤；物理场设置步骤；边界设置步骤：设置边界条件；计算步骤：使用牛顿迭代法计算充放电过程中电池状态变化。本发明专利技术能够降低成本，运用本发明专利技术设计与检验铅酸电池的性能，与对真实电池进行充放电相比，时间成本与经济成本均得到有效降低。本发明专利技术适用范围广，本发明专利技术能运用于任何已知设计参数的铅酸电池模拟上，仅需依据设计参数改变模拟参数，不需要重复建模。本发明专利技术能够减少计算时间和加快计算速度，更加契合富液电池实际情况，模型准确性和普适性较高。

Simulation method for design and test of auxiliary lead-acid battery based on electrochemical principle

【技术实现步骤摘要】
基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法
本专利技术涉及铅酸电池
，特别是涉及一种基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法。
技术介绍
自1859年法国人普兰特(Plante)专利技术铅酸电池，至今160年，铅酸电池作为最主要的二次电池之一，早已深入大众的日常生活：四轮以下电动车动力电源、汽车启停电池、太阳能、风能发电机储能电池、通讯设备与应急照明设备的备用电源。铅酸蓄电池价格便宜，生产工艺完善，易于回收再利用等优点，使得铅酸电池在电池领域占据了不可替代的地位。由于研发与检验铅酸电池需要对电池进行实际充放电实验，具有费时，成本高等缺点，因此，从铅酸电池专利技术以来，对于铅酸电池模拟仿真的研究就一直没有停止。1962年NewmanandTobias等首次将多孔电极的质量守恒与动量守恒方程运用到铅酸电池的模拟中。1985年Ekdunge和Simonsson等人研究了多孔PbO2在充电过程中的结构和动力学变化。近期，JuliaSchiffer等人开发了一种电池寿命预测模型，考虑了酸分层、充电方法等几方面的影响，允许预测不同操作条件下与不同系统设计下的电池寿命。MarcelFranke等人提出了经验硫酸化模型，该模型基于循环时内阻的测量，得出内阻、电池充电接受能力与硫酸化三者间的关系。BartHoman等人提出了一款专门用于智能电网的预测电池荷电状态的模型，模拟结果与实际测量结果的误差小于5％。然而，针对多用于汽车启停电池的富液电池来说，采用二维模型和三维模型模拟启停电池，其计算成本较大，较为浪费计算资源。
技术实现思路
基于此，有必要提供一种能够减少计算时间和加快计算速度，更加契合富液电池实际情况，模型准确性和普适性较高的基于电化学原理的辅助(加快)铅酸电池的模拟方法。一种基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，包括如下步骤：S110：几何模型构建步骤：根据铅酸电池的正极的厚度、电解液槽的厚度、隔膜的厚度和负极的厚度，并按排列顺序，建立一维模型；S120：材料属性赋值步骤：赋予铅酸电池几何模型材料属性，其中，正极为二氧化铅，负极为铅，电解液为硫酸；S130：物理场设置步骤：根据电极反应方程式、欧姆定律、物质守恒定律与Butler-Volmer方程式，编写在充放电过程中，铅酸电池状态变化的数学方程；S140：边界设置步骤：设置边界条件；其中，两端为无通量边界；铅酸电池的内部四个区域的边界处，铅酸电池的物质通量和铅酸电池的电流密度均连续；S150：初始条件设置步骤：设置施加的电流、初始电解液浓度、电极孔隙率，初始电势和模拟停止条件；S160：计算步骤：使用牛顿迭代法计算充放电过程中电池状态变化。在其中一个实施例中，在所述步骤S110中，所述一维模型由四部分组成：成分为PbO2的多孔正极、电解液储存槽、多孔隔膜、成分为Pb的多孔负极；对所述成分为PbO2的多孔正极、所述多孔隔膜和所述成分为Pb的多孔负极中的多孔材料的结构进行均质处理，设置电极与隔膜为孔隙均匀分布的实体；设置H2SO4为二元电解质，在溶剂中分离为H+和HSO-4，且电解液充满孔隙，所述一维模型由给定的预设电流所控制，在恒温环境下运行。在其中一个实施例中，在所述步骤S130中，所述电极反应方程式为：正极：负极：在其中一个实施例中，在所述步骤S130中：所述一维模型通过五个未知量来描述电池性能变化：孔隙率、固相电压、液相电压、电解液浓度、以及电解液中的液相电流密度；在铅酸电池中，有固体的电子导电相和液体的离子导电相，总的电流密度被分为固相电流密度is(依靠电子运动)和液相电流密度il(依靠离子运动)；i＝is+il(1)设置整个模型处于电中性状态，总体电流密度的散度为0；▽·i＝▽·is+▽·il＝0(2)表明从固相中离开的电荷量必定进入了液相，电荷的通量由发生在电极活性物质和电解液界面的电化学反应决定：▽·il＝-▽·is＝Aj(3)A是电极活性物质的比表面积，j代表从固相(电极)到液相(电解液)的交换电流密度，用Butler-Volmer方程表示；固相电流密度：在电极中，固相电流密度遵循欧姆定律，与电势梯度相关联：is＝-σeff▽Φs(4)σeff＝εexmσs(5)液相电流密度：在电解液中，液相电流密度遵循欧姆定律，il与电势梯度和浓度梯度相关：κeff＝εexσl(7)σeff代表有效固相导电率、κeff代表有效液相导电率、代表有效扩散导电率、Φs代表固相电势、Φl代表液相电势、σl代表电解液离子导电率、t+代表H+的迁移数、ε表示孔隙率电极的活性物质呈颗粒状，颗粒与颗粒之间存在孔隙，电极表面和电极内部是由这些孔相互连接组成的多孔网络，在多孔电极中的导电路径是曲折的，同时电解液充满于多孔电极的孔隙中，液相的导电路径和扩散路径同样变得曲折多变，利用Bruggeman关系描述均质处理后的有效导电率和有效扩散系数，指数ex与指数exm是一个经验常数，其中，ex取为1.5，exm取为0.5；孔隙率变化：电池放电，正极的PbO2和负极的Pb由于电化学反应转变为PbSO4，生成物体积比反应物体积大，造成了电极孔隙率的减小：n代表参与电极反应的电子数、F代表法拉第常数、s代表化学计量系数、M代表相对分子质量、ρ代表密度、k代表固相的反应物Pb、PbO2与固相的生成物PbSO4；电解液浓度的物质守恒：电池放电，电解液浓度受物质传递和电化学反应影响：Nx,i代表物质i在x方向上的物质通量，Ri代表物质i的电化学反应速率，+代表H+，－代表0代表H2O；电解液中物质的传递是通过对流、扩散、迁移来完成的，对流由作用于电解液的不平衡力所引起。扩散和迁移由物质电化学势的梯度所引起：设置电解液硫酸为二元电解质，在溶剂中1:1分离为H+和c＝c+＝c-(12)以H+的浓度变化来表示电解液浓度变化，扩展公式表式：Deff＝εexD(14)Deff代表电解液有效扩散系数，D代表扩散系数，z+代表H+的电荷数，ν+代表H+的解离系数；V代表对流速度，函数关系(15)符合体积守恒：代表H2O的偏摩尔体积，代表H2SO4的偏摩尔体积；由于体积守恒，固相的体积变化与液相的体积变化相同：电极反应动力学：多孔电极上的电化学反应速率由电极的活性物质比表面积A和电极电流密度j决定：同一电极上会发生阳极反应和阴极反应，电极上的电流受到电极电位、电极处的质量传递和交换电流密度的影响，电极电流密度j用Butler-Volmer方程描述：η＝Φs-Φl-Eeq(19)i0代表交换电流密度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS110：几何模型构建步骤：根据铅酸电池的正极的厚度、电解液槽的厚度、隔膜的厚度和负极的厚度，并按排列顺序，建立一维模型；/nS120：材料属性赋值步骤：赋予铅酸电池几何模型材料属性，其中，正极为二氧化铅，负极为铅，电解液为硫酸；/nS130：物理场设置步骤：根据电极反应方程式、欧姆定律、物质守恒定律与Butler-Volmer方程式，编写在充放电过程中，铅酸电池状态变化的数学方程；/nS140：边界设置步骤：设置边界条件；/n其中，两端为无通量边界；/n铅酸电池的内部四个区域的边界处，铅酸电池的物质通量和铅酸电池的电流密度均连续；/nS150：初始条件设置步骤：设置施加的电流、初始电解液浓度、电极孔隙率，初始电势和模拟停止条件；/nS160：计算步骤：使用牛顿迭代法计算充放电过程中电池状态变化。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S110：几何模型构建步骤：根据铅酸电池的正极的厚度、电解液槽的厚度、隔膜的厚度和负极的厚度，并按排列顺序，建立一维模型；
S120：材料属性赋值步骤：赋予铅酸电池几何模型材料属性，其中，正极为二氧化铅，负极为铅，电解液为硫酸；
S130：物理场设置步骤：根据电极反应方程式、欧姆定律、物质守恒定律与Butler-Volmer方程式，编写在充放电过程中，铅酸电池状态变化的数学方程；
S140：边界设置步骤：设置边界条件；
其中，两端为无通量边界；
铅酸电池的内部四个区域的边界处，铅酸电池的物质通量和铅酸电池的电流密度均连续；
S150：初始条件设置步骤：设置施加的电流、初始电解液浓度、电极孔隙率，初始电势和模拟停止条件；
S160：计算步骤：使用牛顿迭代法计算充放电过程中电池状态变化。


2.根据权利要求1所述的基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S110中，所述一维模型由四部分组成：成分为PbO2的多孔正极、电解液储存槽、多孔隔膜、成分为Pb的多孔负极；
对所述成分为PbO2的多孔正极、所述多孔隔膜和所述成分为Pb的多孔负极中的多孔材料的结构进行均质处理，设置电极与隔膜为孔隙均匀分布的实体；
设置H2SO4为二元电解质，在溶剂中分离为H+和HSO-4，且电解液充满孔隙，所述一维模型由给定的预设电流所控制，在恒温环境下运行。


3.根据权利要求1所述的基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S130中，所述电极反应方程式为：
正极：
负极：


4.根据权利要求1所述的基于电化学原理的辅助铅酸电池设计与检验的模拟方法，其特征在于，在所述步骤S130中：
所述一维模型通过五个未知量来描述电池性能变化：孔隙率、固相电压、液相电压、电解液浓度、以及电解液中的液相电流密度；
在铅酸电池中，有固体的电子导电相和液体的离子导电相，总的电流密度被分为固相电流密度is(依靠电子运动)和液相电流密度il(依靠离子运动)；
i＝is+il(1)
设置整个模型处于电中性状态，总体电流密度的散度为0；



表明从固相中离开的电荷量必定进入了液相，电荷的通量由发生在电极活性物质和电解液界面的电化学反应决定：



A是电极活性物质的比表面积，j代表从固相(电极)到液相(电解液)的交换电流密度，用Butler-Volmer方程表示；
固相电流密度：
在电极中，固相电流密度遵循欧姆定律，与电势梯度相关联：



σeff＝εexmσs(5)
液相电流密度：
在电解液中，液相电流密度遵循欧姆定律，il与电势梯度和浓度梯度相关：



κeff＝εexσl(7)



σeff代表有效固相导电率、κeff代表有效液相导电率、代表有效扩散导电率、Φs代表固相电势、Φl代表液相电势、σl代表电解液离子导电率、t+代表H+的迁移数、ε表示孔隙率
电极的活性物质呈颗粒状，颗粒与颗粒之间存在孔隙，电极表面和电极内部是由这些孔相互连接组成的多孔网络，在多孔电极中的导电路径是曲折的，同时电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱军，董李，张树祥，邵勤思，颜蔚，
申请(专利权)人：肇庆理士电源技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44