一种锂离子电池建模方法技术

一种锂离子电池建模方法，包括以下步骤：步骤S1：在介观尺度下建立电池单元的三维电化学有限元模型；步骤S2：在宏观尺度下建立电池单体的三维热学有限元模型；步骤S3：建立电池单元的三维电化学有限元模型和电池单体的三维热学有限元模型之间的耦合关系；通过一致映射和广义拉伸的方式将三维电化学有限元模型中电池单元的三维产热率场依次复制给三维热学有限元模型中电池单体内电芯的各个电池单元作为热源；以及通过一致映射的方式将三维热学有限元模型中电池单体中电芯内的各个电池单元的三维平均温度场复制给三维电化学有限元模型中的电池单元，实时调整电池单元各个位置的固、液相扩散系数和固、液相电导率。液相电导率。液相电导率。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池建模方法


[0001]本专利技术涉及电池
，尤其涉及一种锂离子电池建模方法，具体涉及一种考虑电池内部分层结构的三维电化学
‑
三维热耦合多尺度建模方法。

技术介绍

[0002]在锂离子电池的充放电过程中，电化学反应和电荷输运过程产生的热量不仅会使电池的温度升高，还会使电池组的温度一致性变差。快速的温升可能引发电池内部材料之间的副反应，导致活性物质的不可逆损失，从而加快电池的老化速率，降低其循环寿命。当电池的温度超过90℃时，甚至可能引发链式的热失控，造成电池的自燃和爆炸。电池组的温度不一致会使并联支路的充放电电流不均匀，从而导致部分单体电池过充过放，严重时甚至会使某些单体电池加速衰减，最终导致电池组过早失效。此外，随着快速充电技术的发展，充电功率和充电电流的增加将会带来更严重的产热和温升问题。
[0003]通过在电池表面粘贴传感器或在电池内部预埋传感器，可以测得电池表面的温度或电池内部某个点的温度，但是上述实验方法无法完整揭示单体电池内部的温度的分布水平和变化过程。因此，目前单体电池尺度下产热和温升问题的研究主要依靠有限元建模和仿真计算，一般先建立电池的电化学
‑
热耦合模型，然后利用实验结果验证模型的有效性，最后采用验证后的模型对电池的电化学场、产热率场和温度场进行仿真计算。但是，目前常用的建模方法主要有以下三个方面的缺陷。首先，电化学子模型通常采用P2D模型或二维模型，只能考虑厚度方向上或某个平面上的电化学反应，无法获得电池内部的三维电化学场，如电流密度、电势和锂离子浓度的三维分布。其次，热学子模型通常将包括多个电池单元的单体电池简化为一个整体的均质化结构，忽略了单体电池内部的分层结构和材料组分。最后，在电化学
‑
热耦合模型中，通常先将电化学子模型计算出的平均体积产热率耦合到热学子模型中作为均匀分布的热源，再将热学子模型计算出的平均温度耦合到电化学子模型中影响其电化学反应和电荷输运；然而在电池的实际工作过程中，电池内部各个位置的产热率场会实时影响各个位置的温度场，而各个位置的温度场会反过来实时影响各个位置的电化学场。
[0004]目前在单体电池尺度下仍然缺乏考虑电池内部分层结构的三维电化学
‑
三维热耦合多尺度建模方法。这主要是由于以下三个方面原因造成的。首先，需要建立考虑电池内部分层结构的三维电化学子模型，求解出电池内部的三维电化学场，才能精确计算出电池内部的三维产热率场，但是这种电化学模型的计算量对于具有许多个电池单元的多层单体电池来说过于庞大。其次，需要建立考虑电池内部分层结构的三维热学子模型，才能精确计算出电池内部的三维温度场。最后，需要将电化学子模型和热学子模型在时间上和空间上进行双向耦合，才能考虑电池内部各个位置上电化学场、产热率场和温度场之间的实时影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提出一种锂离子电池建模方法，实现考虑电池内部分层结构
的三维电化学
‑
三维热耦合，旨在解决上述技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种锂离子电池建模方法，包括以下步骤：
[0007]步骤S1：在介观尺度下建立电池单元的三维电化学有限元模型；
[0008]步骤S2：在宏观尺度下建立电池单体的三维热学有限元模型；所述电池单体内部的电芯具备多层步骤S1中所述的电池单元；
[0009]步骤S3：建立电池单元的三维电化学有限元模型和电池单体的三维热学有限元模型之间的耦合关系；通过一致映射和广义拉伸的方式将三维电化学有限元模型中电池单元的三维产热率场依次复制给三维热学有限元模型中电池单体内电芯的各个电池单元作为热源；以及通过一致映射的方式将三维热学有限元模型中电池单体中电芯内的各个电池单元的三维平均温度场复制给三维电化学有限元模型中的电池单元，实时调整电池单元各个位置的固、液相扩散系数和固、液相电导率。
[0010]优选地，在步骤S1中，所述电池单元为双层结构，包括电池单元第Ⅰ层和电池单元第Ⅱ层；电池单元第Ⅰ层、电池单元第Ⅱ层分别包括负极片和正极片，在负极片与正极片之间设置有隔膜；所述负极片包括负极集流体和负极活性层；所述正极片包括正极集流体和正极活性层。
[0011]优选地，所述电池单元第Ⅰ层和电池单元第Ⅱ层共同采用同一正极集流体，所述电池单元从内部向两侧依次包括正极集流体、正极活性层、隔膜、负极活性层、负极集流体。
[0012]优选地，采用先映射再扫掠的方式对电池单元进行网格划分，再定义电池单元中负极片、正极片、隔膜的材料组分和电化学参数，施加电动力学边界条件，得到电池单元的三维电化学有限元模型。
[0013]优选地，在步骤S2中，所述电池单体包括电芯、铝塑膜、正极耳、负极耳；采用先映射再扫掠的方法对电芯、正极耳、负极耳、铝塑膜形状规则部分进行网格划分，采用自由四面体对铝塑膜形状不规则部分进行网格划分，然后定义电芯、铝塑膜、正极耳、负极耳的材料组分和热物性参数，施加热源和热力学边界条件，得到电池单体的三维热学有限元模型。
[0014]优选地，在步骤S3中，利用步骤S1中建立的三维电化学有限元模型计算出电池单元的三维电化学场，包括电流密度、电势和锂离子浓度的三维分布，计算方法如下：
[0015]活性材料中的电流密度i
s
满足固相欧姆定律：
[0016][0017]式中，σ
s
为活性材料的有效电导率，φ
s
为活性材料中的电势；
[0018]电解液中的电流密度i
l
满足液相欧姆定律：
[0019][0020]式中，σ
l
为电解液的离子电导率，φ
l
为电解液中的电势，R为通用气体常数，T为温度，F为法拉第常数，f
±
是电解液的平均摩尔活性系数，C
l
为电解液中的锂离子浓度，t
+
为锂离子的传递数；
[0021]活性颗粒内部的锂扩散满足Fick第二扩散定律：
[0022][0023][0024]式中，C
s
为活性颗粒中的锂浓度，t为时间，J
s
为颗粒中的锂通量，D
s
为活性材料的锂扩散系数；
[0025]锂离子在电解液中的扩散和迁移满足Fick第二扩散定律：
[0026][0027][0028]式中，J
l
为电解液中的锂离子通量，D
l
为电解液的锂离子扩散系数；
[0029]在步骤S3中，利用步骤S1中建立的三维电化学有限元模型计算出双层电池单元的三维电化学产热率场，计算方法如下：
[0030]电池单元的电化学产热率由可逆产热率q
rev
和不可逆产热率q
inrev
组成，二者分别由下式计算：
[0031][0032][0033]式中，i
int
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池建模方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在介观尺度下建立电池单元(100)的三维电化学有限元模型(300)；步骤S2：在宏观尺度下建立电池单体(200)的三维热学有限元模型(400)；所述电池单体(200)内部的电芯(201)具备多层步骤S1中所述的电池单元(100)；步骤S3：建立电池单元(100)的三维电化学有限元模型(300)和电池单体(200)的三维热学有限元模型(400)之间的耦合关系；通过一致映射和广义拉伸的方式将三维电化学有限元模型(300)中电池单元(100)的三维产热率场依次复制给三维热学有限元模型(400)中电池单体(200)内电芯(201)的各个电池单元(100)作为热源；以及通过一致映射的方式将三维热学有限元模型中(400)电池单体(200)中电芯(201)内的各个电池单元(100)的三维平均温度场复制给三维电化学有限元模型(300)中的电池单元(100)，实时调整电池单元(100)各个位置的固、液相扩散系数和固、液相电导率。2.如权利要求1所述的一种锂离子电池建模方法，其特征在于：在步骤S1中，所述电池单元(100)为双层结构，包括电池单元第Ⅰ层(101)和电池单元第Ⅱ层(102)；电池单元第Ⅰ层(101)、电池单元第Ⅱ层(102)分别包括负极片(1)和正极片(2)，在负极片(1)与正极片(2)之间设置有隔膜(3)；所述负极片(1)包括负极集流体(11)和负极活性层(12)；所述正极片(2)包括正极集流体(21)和正极活性层(22)。3.如权利要求2所述的一种锂离子电池建模方法，其特征在于：所述电池单元第Ⅰ层(101)和电池单元第Ⅱ层(102)共同采用同一正极集流体(21)，所述电池单元(100)从内部向两侧依次包括正极集流体(21)、正极活性层(22)、隔膜(3)、负极活性层(12)、负极集流体(11)。4.如权利要求1所述的一种锂离子电池建模方法，其特征在于：采用先映射再扫掠的方式对电池单元(100)进行网格划分，再定义电池单元(100)中负极片(1)、正极片(2)、隔膜(3)的材料组分和电化学参数，施加电动力学边界条件，得到电池单元(100)的三维电化学有限元模型(300)。5.如权利要求1所述的一种锂离子电池建模方法，其特征在于：在步骤S2中，所述电池单体(200)包括电芯(201)、铝塑膜(202)、正极耳(203)、负极耳(204)；采用先映射再扫掠的方法对电芯(201)、正极耳(203)、负极耳(204)、铝塑膜(202)形状规则部分进行网格划分，采用自由四面体对铝塑膜(202)形状不规则部分进行网格划分，然后定义电芯(201)、铝塑膜(202)、正极耳(203)、负极耳(204)的材料组分和热物性参数，施加热源和热力学边界条件，得到电池单体(200)的三维热学有限元模型(400)。6.如权利要求1所述的一种锂离子电池建模方法，其特征在于：在步骤S3中，利用步骤S1中建立的三维电化学有限元模型(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：李华，钱顺友，张杨，赵元，杨中发，王庆杰，袁再芳，
申请(专利权)人：贵州梅岭电源有限公司，
类型：发明
国别省市：