一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，步骤包括：确定锂电池组构型与几何结构，构建面向热滥用的锂电池组多物理场仿真模型和热滥用安全评估模型，对随机参数进行抽样，开展相应的多物理场仿真与热安全性分析，获得热安全边界和热失控延滞期，并对结果进行分布拟合，基于应力强度干涉模型进行热安全风险评估。该方法同时考虑了多场多单体耦合效应和载荷工况、生产工艺水平、退化等因素引起的随机不确定性对热安全性的影响，能够准确地对锂电池组热安全性进行评估，给出热滥用安全边界及风险概率。给出热滥用安全边界及风险概率。给出热滥用安全边界及风险概率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法
所属

[0001]本专利技术涉及锂电池热安全性领域，特别是一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其能量/功率密度高，循环寿命长等优点，已广泛应用于汽车动力、储能等系统。然而，近年来锂电池起火、燃烧、爆炸等安全事故频现，阻碍了锂电池的深入发展与应用，因此锂电池的安全性至关重要。对于锂离子电池而言，热失控是其安全事故发生的主要原因之一，其主要特征是电池温度迅速升高，进而发生燃烧甚至爆炸。研究锂离子电池热安全性，准确地评估锂离子电池在热激励下的安全边界，对于预防锂电池安全事故的发生、降低事故的损失具有重要意义。
[0003]目前锂电池热滥用测试包括热箱测试、热冲击、温度循环、火烧等，其中以热箱测试为主。热箱测试是为了评估电池的高温时的安全性。通过观察分析电池在高温环境中的副反应生热、材料损耗、热失控的持续时间和最高温度，以此来评估电池的高温安全性。目前学者们主要从组成材料的热参数测试、热滥用实验和仿真三个方面开展关于锂离子电池热滥用的研究。其中，组成材料的热参数测试主要通过差示扫描量热仪(DSC)和加速量热仪(ARC)进行测量，但材料层的热性能参数无法直接用于评估锂电池组实际使用过程中的热安全性。鉴于电池模组级热滥用实验安全风险较大、成本较高，目前主要针对电池单体开展，通过研究单体热失控表征，利用有限元、有限体积等方法开展锂电池组的热失控及传播仿真，进而对模组级电池产品的热安全性进行分析。
[0004]然而，仍存在以下不足：1)现有锂电池热安全性分析方法主要针对单体或单一物理场，无法全面准确地评估多物理场耦合作用下的锂电池组热安全性；2)现有基于物理仿真的锂电池热安全性评估是确定性的，对于其中各电池单体的分散性和随机不确定性考虑不充分。实际工程中，锂电池组中随机不确定性主要包括环境温度、输出功率、电流等运行工况随机性，质量、初始内阻等由生产工艺水平造成的电池参数随机性，容量、内阻等由退化引起的参数随机性等，这些因素都会影响锂电池组的热安全。因此，锂电池组的热安全性评估还需要考虑热失控发生的概率，即风险。
[0005]鉴于此，为了对多物理场耦合作用下的锂电池组开展热安全性评估，准确量化风险概率，有必要给出一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决锂电池组热安全性评估技术存在的问题，提出一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。该方法基于多物理场仿真，考虑到实际工程中的随机不确定性，从安全风险的角度对锂电池组热安全性及安全事故发生的概率进行评估，主要包含以下步骤：
[0007]步骤1：确定锂电池组构型与几何结构。分析锂电池的串并联结构，确定锂电池组
的构型，根据锂电池组的几何结构，构建三维CAD模型。
[0008]步骤2：构建面向热滥用的锂电池组多物理场仿真模型。从电池单体和模组两个层级出发进行构建，锂电池单体的模型包括电化学模型、等效电路模型、黑箱模型及混合模型；锂电池组的多物理场耦合建模需要在电池单体模型的基础上，考虑电池单体之间的电场、热场、流场的交互影响；用串并联电路描述电池组内电场表征，构建包含热失控单体内短路的锂电池组串并联电路模型；用于描述热滥用及传热行为的锂电池热场模型则需要根据其内部的几何结构和散热情况，在能量、质量、动量守恒的基础上选择适当的模型，包括固体传热模型、基于层流、k
‑
ε、k
‑
ω湍流的流体动力学模型、流热耦合模型、热辐射模型；此外，锂电池组在热滥用情况下产热机理模型不仅需要考虑电池热失控情况下材料分解的产热，还需要考虑正常充放电的产热。
[0009]步骤3：构建热滥用安全风险评估模型。热滥用安全风险评估模型包括载荷工况随机性模型、电池参数随机性模型和安全风险评价模型；针对载荷工况，锂电池组的工况涉及环境温度、输出功率、运行电流，统计电池组电压、电流、温度的实测数据，利用核密度估计方法构建载荷工况的随机性模型，得到各个温度、功率、电流下的概率密度；针对电池参数，分析参数随机性主要原因，采用高斯或Weibull分布类型构建其随机性模型：利用高斯分布描述受生产工艺水平影响的电池参数，包括电池质量、初始容量、初始内阻、几何尺寸，利用Weibull分布描述使用退化导致的参数随机性，包括容量退化量、内阻增加量；针对安全风险评价，基于应力
‑
强度干涉理论构建温度、功率因素联合的热安全性评价模型，其中应力为载荷工况，强度为锂电池组的热安全边界。
[0010]步骤4：对锂电池组随机参数进行抽样，形成仿真抽样方案。基于步骤3中构建的锂电池参数随机性模型，利用抽样方法对随机参数进行抽样，形成仿真抽样方案，并传递给多物理场仿真模型。
[0011]步骤5：开展多物理场仿真与分析。基于步骤2构建的多物理场仿真模型和步骤3的仿真抽样方案，确定锂电池组仿真模型参数，开展多物理场仿真与分析。
[0012]步骤6：开展热安全性分析。结合多物理场仿真结果，开展热安全性分析，包括热安全边界分析和热失控延滞期分析，其中热安全边界分析包括临界环境温度分析、临界输出功率分析、临界运行电流分析；针对热安全边界分析，算法流程为：首先选择待分析的参数X，X可为临界环境温度、输出功率、运行电流；确定材料热失控温度，记为T
TR
，并设置参数X的多物理场仿真初始值；确定其他锂电池组仿真模型参数，开展多物理场仿真分析；获得锂电池组内所有电池单体中温度最大值的仿真结果，记为T
max
；判断T
TR
和T
max
的大小，若T
max
>T
TR
，则根据二分法减小并更新参数X，再次开展多物理场仿真分析；若T
max
＜T
TR
，则进一步判断T
max
与T
TR
差的绝对值是否满足误差要求；如不满足，则根据二分法增大并更新参数X，继续进行多物理场仿真分析，如满足误差要求，则算法收敛并输出参数X，即为热安全临界值。
[0013]步骤7：仿真结果分析与分布拟合。基于多物理场仿真与热安全性分析结果，包括多组临界环境温度、临界输出功率、临界运行电流、热失控延滞期，开展结果的分散性分析与分布拟合，获得热安全性分析结果服从的最佳分布类型及分布参数。
[0014]步骤8：热滥用安全风险分析与评估。基于步骤3中构建的载荷工况随机性模型和基于应力
‑
强度干涉的温度、功率因素联合的热安全性评价模型，利用可靠性分析方法计算模型，获得锂电池组的热滥用安全风险概率。
[0015]步骤9：输出热安全性评估结果。热安全性评估结果包括热滥用安全风险概率、热安全边界临界值分布类型及参数、热失控延滞期分布类型及参数、热失控传播路径，通过数据列表、曲线图、柱状图、三维云图形式进行结果展示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，其特征在于：它包含以下步骤：步骤1：确定锂电池组构型与几何结构；步骤2：构建面向热滥用的锂电池组多物理场仿真模型；步骤3：构建热滥用安全风险评估模型；步骤4：对锂电池组随机参数进行抽样，形成仿真抽样方案；步骤5：开展多物理场仿真与分析；步骤6：开展热安全性分析；步骤7：仿真结果分析与分布拟合；步骤8：热滥用安全风险分析与评估；步骤9：输出热安全性评估结果；通过以上步骤，给出了一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。2.根据权利要求1所述的一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤1中，分析锂电池的串并联结构，确定锂电池组的构型，根据锂电池组的几何结构，构建三维CAD模型。3.根据权利要求1所述的一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤2中，从电池单体和模组两个层级出发进行构建，锂电池单体的模型包括电化学模型、等效电路模型、黑箱模型及混合模型；锂电池组的多物理场耦合建模需要在电池单体模型的基础上，考虑电池单体之间的电场、热场、流场的交互影响；用串并联电路描述电池组内电场表征，构建包含热失控单体内短路的锂电池组串并联电路模型；用于描述热滥用及传热行为的锂电池热场模型则需要根据其内部的几何结构和散热情况，在能量、质量、动量守恒的基础上选择适当的模型，包括固体传热模型、基于层流、k
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ε、k
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ω湍流的流体动力学模型、流热耦合模型、热辐射模型；此外，锂电池组在热滥用情况下产热机理模型不仅需要考虑电池热失控情况下材料分解的产热，还需要考虑正常充放电的产热。4.根据权利要求1所述的一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，其特征在于：所述步骤3中，热滥用安全风险评估模型包括载荷工况随机性模型、电池参数随机性模型和安全风险评价模型；针对载荷工况，锂电池组的工况涉及环境温度、输出功率、运行电流，统计电池组电压、电流、温度的实测数据，利用核密度估计方法构建载荷工况的随机性模型，得到各个温度、功率、电流下的概率密度；针对电池参数，分析参数随机性主要原因，采用高斯或Weibull分布类型构建其随机性模型：利用高斯分布描述受生产工艺水平影响的电池参数，包括电池质量、初始容量、初始内阻、几何尺寸，利用Weibull分布描述使用退化导致的参数随机性，包括容量退化量、内阻增加量；针对安全风险评价，基于应力
‑
强度干涉理论构建温度、功率因素联合的热安全性评价模型，其中应力为载荷工况，强度为锂电池组的热安全边界。5.根据权利要求1所述的一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，其特征在于：
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【专利技术属性】
技术研发人员：夏权，任羿，杨德真，王自力，孙博，冯强，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：