考虑应力作用的锂电池仿真方法及系统、装置、存储介质制造方法及图纸

本申请提供考虑应力作用的锂电池仿真方法及系统、装置、存储介质，所述方法包括：将锂电池内部物理化学过程与应力场进行耦合修正以构建锂电池的电化学

【技术实现步骤摘要】
考虑应力作用的锂电池仿真方法及系统、装置、存储介质


[0001]本申请属于锂电池
，涉及一种考虑应力作用的锂电池仿真方法及系统、装置、存储介质。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其高能量密度、高循环效率及长使用寿命等优点而成为交通运输、电子产品等众多领域的优先选择，但其安全性一直是行业内公认的“卡脖子”问题。
[0003]常见锂离子电池仿真模型包括经验模型(如等效电路ECM模型)和物理化学模型(如单粒子SPM模型、伪二维P2D模型等)。基于多孔电极理论，Newman等提出的伪二维模型计算复杂度最高，精度及可预测性亦最高，其通过一系列复杂且耦合的偏微分方程来描述锂离子电池内部状态，适用于电极或单体电芯的设计和性能仿真。
[0004]锂离子电池的基本工作原理是锂离子在电极材料活性物质上的嵌入和脱出。在锂离子电池充放电过程中，随着锂离子在固相电极或液相电解液中的运动，锂离子浓度场产生不均匀分布，活性物质反应颗粒(近似为球状)的体积发生膨胀或收缩，产生扩散诱导应力，这种扩散与力学行为是影响电池性能和安全的重要因素。
[0005]除了内部应力，外力作用也是影响电池安全性能的重要因素。锂离子电池在实际使用场景中，由于外部使用不当、生产工艺一致性不佳或电池组内部结构设计不合理等各种因素，电池不可避免地承受外部荷载；这种外部荷载应力亦可使电池产生形变，电芯不同部分发生相对位移，在宏观层面影响电池性能，在微观层面影响电芯内部的物理化学过程，在极端情况下甚至由于机械滥用，将出现电滥用、热滥用、热失控等，导致电池着火甚至爆燃，严重影响电池安全性能。
[0006]目前，基于传统的伪二维模型的锂电池仿真无法考虑锂电池的内部扩散诱导应力和外部荷载的作用，因此无法精准判断锂离子电池的工作状态。

技术实现思路

[0007]本申请的目的在于提供一种考虑应力作用的锂电池仿真方法及系统、装置、存储介质，用于解决上述现有技术中存在的问题。
[0008]第一方面，本申请提供一种考虑应力作用的锂电池仿真方法，所述方法包括：将锂电池内部物理化学过程与应力场进行耦合修正以构建锂电池的电化学
‑
力耦合模型，所述应力场包括内部扩散诱导应力和外部荷载应力；计算锂电池的内部扩散诱导应力；测量锂电池的外部荷载应力；将计算得到的所述内部扩散诱导应力以及测量得到的所述外部荷载应力带入至所述电化学
‑
力耦合模型并对模型进行仿真求解，获取反映锂电池工作状态的物理量。
[0009]在第一方面的一种实现方式中，所述电化学
‑
力耦合模型包括：
[0010]应力
‑
扩散耦合修正的固相传质方程，表示为：
[0011][0012][0013]其中，c
s
为固相锂离子浓度，t为时间，D
s
为锂离子固相扩散系数，θ
M
为应力修正项系数，σ
c
为内部扩散诱导应力，σ
e
为外部荷载应力，为梯度运算符，Ω为偏摩尔体积，R为普适气体常数，F为法拉第常数；
[0014]固相电势方程，表示为：
[0015][0016]其中，x为伪二维模型中的x轴坐标点，σ
eff
为固相有效电导率，φ
s
为固相电势，a为锂电池的比表面积，j
n
为锂离子通量；
[0017]液相传质方程，表示为：
[0018][0019]其中，ε
e
为电极中的电解液体积分数，c
e
为液相锂离子浓度，为锂离子液相有效扩散系数，t
c
为阳离子转移数；
[0020]液相电势方程，表示为：
[0021][0022]其中，φ
e
为液相电势，i
e
为液相电流密度，κ
eff
为锂离子液相有效电导率，T为锂电池的温度，为热动力学因子；
[0023]巴特勒福尔默方程，表示为：
[0024][0025]其中，i0为电极交换电流密度，c
s,max
为锂离子固相最大浓度，c
ss
为反应颗粒固相表面浓度，α
a
、α
c
为电极反应转化系数。
[0026]在第一方面的一种实现方式中，计算锂电池的内部扩散诱导应力包括采用下式计算锂电池电芯正负电极内的活性材料球状反应颗粒的扩散诱导应力：
[0027][0028]其中，σ
c
为内部扩散诱导应力，r为伪二维模型中的r轴坐标点，Ω为偏摩尔体积，E为杨氏模量，v为泊松比，R为活性材料球状反应颗粒的半径，c为实际锂离子浓度与参考浓度的差值。
[0029]在第一方面的一种实现方式中，测量锂电池的外部荷载应力包括：将应变传感器固定于锂电池的外表面受外部荷载最大的点，采用所述应变传感器获取所述外部荷载应力。
[0030]在第一方面的一种实现方式中，所述方法还包括采用所述反映锂电池工作状态的物理量评估锂电池的安全状态，当所述反映锂电池工作状态的物理量超过设定阈值范围则判定锂电池工作异常。
[0031]在第一方面的一种实现方式中，所述反映锂电池工作状态的物理量包括电芯厚度变化。
[0032]在第一方面的一种实现方式中，所述电芯厚度变化通过下式计算获得：
[0033][0034]其中，dL
total
为电芯厚度变化量，n为电芯内部正负电极层数，ε
neg
为负极固相活性材料体积分数，Ω
neg
为负极偏摩尔体积，c
neg_avg
为负极固相锂离子平均浓度，L
neg
为负电极厚度，ε
pos
为正极固相活性材料体积分数，Ω
pos
为正极偏摩尔体积，c
pos_avg
为正极固相锂离子平均浓度，L
pos
为正电极厚度，σ
e
为外部荷载应力，E为杨氏模量。
[0035]第二方面，本申请提供一种考虑应力作用的锂电池仿真系统，所述系统包括：模型构建模块，被配置为将锂电池内部物理化学过程与应力场进行耦合修正以构建锂电池的电化学
‑
力耦合模型，所述应力场包括内部扩散诱导应力和外部荷载应力；计算模块，被配置为计算锂电池的内部扩散诱导应力；测量模块，被配置为测量锂电池的外部荷载应力；仿真模块，被配置为将计算得到的所述内部扩散诱导应力以及测量得到的所述外部荷载应力带入至所述电化学
‑
力耦合模型并对模型进行仿真求解，获取反映锂电池工作状态的物理量。
[0036]第三方面，本申请提供一种考虑应力作用的锂电池仿真装置，所述装置包括：存储器，被配置为存储计算机程序；以及处理器，被配置为调用所述计算机程序以执行根据本申请第一方面所述的考虑应力作用的锂电池仿真方法。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑应力作用的锂电池仿真方法，其特征在于，所述方法包括：将锂电池内部物理化学过程与应力场进行耦合修正以构建锂电池的电化学
‑
力耦合模型，所述应力场包括内部扩散诱导应力和外部荷载应力；计算锂电池的内部扩散诱导应力；测量锂电池的外部荷载应力；将计算得到的所述内部扩散诱导应力以及测量得到的所述外部荷载应力带入至所述电化学
‑
力耦合模型并对模型进行仿真求解，获取反映锂电池工作状态的物理量。2.根据权利要求1所述的考虑应力作用的锂电池仿真方法，其特征在于，所述电化学
‑
力耦合模型包括：应力
‑
扩散耦合修正的固相传质方程，表示为：表示为：其中，c
s
为固相锂离子浓度，t为时间，D
s
为锂离子固相扩散系数，θ
M
为应力修正项系数，σ
c
为内部扩散诱导应力，σ
e
为外部荷载应力，
▽
为梯度运算符，Ω为偏摩尔体积，R为普适气体常数，F为法拉第常数；固相电势方程，表示为：其中，x为伪二维模型中的x轴坐标点，σ
eff
为固相有效电导率，φ
s
为固相电势，a为锂电池的比表面积，j
n
为锂离子通量；液相传质方程，表示为：其中，ε
e
为电极中的电解液体积分数，c
e
为液相锂离子浓度，为锂离子液相有效扩散系数，t
c
为阳离子转移数；液相电势方程，表示为：其中，φ
e
为液相电势，i
e
为液相电流密度，κ
eff
为锂离子液相有效电导率，T为锂电池的温度，为热动力学因子；巴特勒福尔默方程，表示为：其中，i0为电极交换电流密度，c
s,max
为锂离子固相最大浓度，c
ss
为反应颗粒固相表面浓
度，α
a
、α
c
为电极反应转化系数。3.根据权利要求1所述的考虑应力作用的锂电池仿真方法，其特征在于，计算锂电池的内部扩散诱导应力包括采用下式计算锂电池电芯正负电极内的活性材料球状反应颗粒的扩散诱导应力：其中，σ
c
为内部扩散诱导应力，r为伪二维模型中的r轴坐标点，Ω为偏摩尔体积，E为杨氏...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈思元，魏琼，赵恩海，严晓，韦良长，江铭臣，项琳，李倩，顾单飞，
申请(专利权)人：上海玫克生储能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：