一種鋰離子電池建模方法技術

一種鋰離子電池建模方法，包括以下步驟：步驟S1：在介觀尺度下建立電池單元的三維電化學有限元模型；步驟S2：在宏觀尺度下建立電池單體的三維熱學有限元模型；步驟S3：建立電池單元的三維電化學有限元模型和電池單體的三維熱學有限元模型之間的耦合關系；通過一致映射和廣義拉伸的方式將三維電化學有限元模型中電池單元的三維產(chǎn)熱率場依次復制給三維熱學有限元模型中電池單體內(nèi)電芯的各個電池單元作為熱源；以及通過一致映射的方式將三維熱學有限元模型中電池單體中電芯內(nèi)的各個電池單元的三維平均溫度場復制給三維電化學有限元模型中的電池單元，實時調(diào)整電池單元各個位置的固、液相擴散系數(shù)和固、液相電導率。液相電導率。液相電導率。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種鋰離子電池建模方法


[0001]本專利技術涉及電池
，尤其涉及一種鋰離子電池建模方法，具體涉及一種考慮電池內(nèi)部分層結(jié)構的三維電化學
?
三維熱耦合多尺度建模方法。

技術介紹

[0002]在鋰離子電池的充放電過程中，電化學反應和電荷輸運過程產(chǎn)生的熱量不僅會使電池的溫度升高，還會使電池組的溫度一致性變差。快速的溫升可能引發(fā)電池內(nèi)部材料之間的副反應，導致活性物質(zhì)的不可逆損失，從而加快電池的老化速率，降低其循環(huán)壽命。當電池的溫度超過90℃時，甚至可能引發(fā)鏈式的熱失控，造成電池的自燃和爆炸。電池組的溫度不一致會使并聯(lián)支路的充放電電流不均勻，從而導致部分單體電池過充過放，嚴重時甚至會使某些單體電池加速衰減，最終導致電池組過早失效。此外，隨著快速充電技術的發(fā)展，充電功率和充電電流的增加將會帶來更嚴重的產(chǎn)熱和溫升問題。
[0003]通過在電池表面粘貼傳感器或在電池內(nèi)部預埋傳感器，可以測得電池表面的溫度或電池內(nèi)部某個點的溫度，但是上述實驗方法無法完整揭示單體電池內(nèi)部的溫度的分布水平和變化過程。因此，目前單體電池尺度下產(chǎn)熱和溫升問題的研究主要依靠有限元建模和仿真計算，一般先建立電池的電化學
?
熱耦合模型，然后利用實驗結(jié)果驗證模型的有效性，最后采用驗證后的模型對電池的電化學場、產(chǎn)熱率場和溫度場進行仿真計算。但是，目前常用的建模方法主要有以下三個方面的缺陷。首先，電化學子模型通常采用P2D模型或二維模型，只能考慮厚度方向上或某個平面上的電化學反應，無法獲得電池內(nèi)部的三維電化學場，如電流密度、電勢和鋰離子濃度的三維分布。其次，熱學子模型通常將包括多個電池單元的單體電池簡化為一個整體的均質(zhì)化結(jié)構，忽略了單體電池內(nèi)部的分層結(jié)構和材料組分。最后，在電化學
?
熱耦合模型中，通常先將電化學子模型計算出的平均體積產(chǎn)熱率耦合到熱學子模型中作為均勻分布的熱源，再將熱學子模型計算出的平均溫度耦合到電化學子模型中影響其電化學反應和電荷輸運；然而在電池的實際工作過程中，電池內(nèi)部各個位置的產(chǎn)熱率場會實時影響各個位置的溫度場，而各個位置的溫度場會反過來實時影響各個位置的電化學場。
[0004]目前在單體電池尺度下仍然缺乏考慮電池內(nèi)部分層結(jié)構的三維電化學
?
三維熱耦合多尺度建模方法。這主要是由于以下三個方面原因造成的。首先，需要建立考慮電池內(nèi)部分層結(jié)構的三維電化學子模型，求解出電池內(nèi)部的三維電化學場，才能精確計算出電池內(nèi)部的三維產(chǎn)熱率場，但是這種電化學模型的計算量對于具有許多個電池單元的多層單體電池來說過于龐大。其次，需要建立考慮電池內(nèi)部分層結(jié)構的三維熱學子模型，才能精確計算出電池內(nèi)部的三維溫度場。最后，需要將電化學子模型和熱學子模型在時間上和空間上進行雙向耦合，才能考慮電池內(nèi)部各個位置上電化學場、產(chǎn)熱率場和溫度場之間的實時影響。

技術實現(xiàn)思路

[0005]本專利技術的主要目的是提出一種鋰離子電池建模方法，實現(xiàn)考慮電池內(nèi)部分層結(jié)構
的三維電化學
?
三維熱耦合，旨在解決上述技術問題。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本專利技術提出一種鋰離子電池建模方法，包括以下步驟：
[0007]步驟S1：在介觀尺度下建立電池單元的三維電化學有限元模型；
[0008]步驟S2：在宏觀尺度下建立電池單體的三維熱學有限元模型；所述電池單體內(nèi)部的電芯具備多層步驟S1中所述的電池單元；
[0009]步驟S3：建立電池單元的三維電化學有限元模型和電池單體的三維熱學有限元模型之間的耦合關系；通過一致映射和廣義拉伸的方式將三維電化學有限元模型中電池單元的三維產(chǎn)熱率場依次復制給三維熱學有限元模型中電池單體內(nèi)電芯的各個電池單元作為熱源；以及通過一致映射的方式將三維熱學有限元模型中電池單體中電芯內(nèi)的各個電池單元的三維平均溫度場復制給三維電化學有限元模型中的電池單元，實時調(diào)整電池單元各個位置的固、液相擴散系數(shù)和固、液相電導率。
[0010]優(yōu)選地，在步驟S1中，所述電池單元為雙層結(jié)構，包括電池單元第Ⅰ層和電池單元第Ⅱ?qū)樱浑姵貑卧冖駥印㈦姵貑卧冖驅(qū)臃謩e包括負極片和正極片，在負極片與正極片之間設置有隔膜；所述負極片包括負極集流體和負極活性層；所述正極片包括正極集流體和正極活性層。
[0011]優(yōu)選地，所述電池單元第Ⅰ層和電池單元第Ⅱ?qū)庸餐捎猛徽龢O集流體，所述電池單元從內(nèi)部向兩側(cè)依次包括正極集流體、正極活性層、隔膜、負極活性層、負極集流體。
[0012]優(yōu)選地，采用先映射再掃掠的方式對電池單元進行網(wǎng)格劃分，再定義電池單元中負極片、正極片、隔膜的材料組分和電化學參數(shù)，施加電動力學邊界條件，得到電池單元的三維電化學有限元模型。
[0013]優(yōu)選地，在步驟S2中，所述電池單體包括電芯、鋁塑膜、正極耳、負極耳；采用先映射再掃掠的方法對電芯、正極耳、負極耳、鋁塑膜形狀規(guī)則部分進行網(wǎng)格劃分，采用自由四面體對鋁塑膜形狀不規(guī)則部分進行網(wǎng)格劃分，然后定義電芯、鋁塑膜、正極耳、負極耳的材料組分和熱物性參數(shù)，施加熱源和熱力學邊界條件，得到電池單體的三維熱學有限元模型。
[0014]優(yōu)選地，在步驟S3中，利用步驟S1中建立的三維電化學有限元模型計算出電池單元的三維電化學場，包括電流密度、電勢和鋰離子濃度的三維分布，計算方法如下：
[0015]活性材料中的電流密度i
s
滿足固相歐姆定律：
[0016][0017]式中，σ
s
為活性材料的有效電導率，φ
s
為活性材料中的電勢；
[0018]電解液中的電流密度i
l
滿足液相歐姆定律：
[0019][0020]式中，σ
l
為電解液的離子電導率，φ
l
為電解液中的電勢，R為通用氣體常數(shù)，T為溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，f
±
是電解液的平均摩爾活性系數(shù)，C
l
為電解液中的鋰離子濃度，t
+
為鋰離子的傳遞數(shù)；
[0021]活性顆粒內(nèi)部的鋰擴散滿足Fick第二擴散定律：
[0022][0023][0024]式中，C
s
為活性顆粒中的鋰濃度，t為時間，J
s
為顆粒中的鋰通量，D
s
為活性材料的鋰擴散系數(shù)；
[0025]鋰離子在電解液中的擴散和遷移滿足Fick第二擴散定律：
[0026][0027][0028]式中，J
l
為電解液中的鋰離子通量，D
l
為電解液的鋰離子擴散系數(shù)；
[0029]在步驟S3中，利用步驟S1中建立的三維電化學有限元模型計算出雙層電池單元的三維電化學產(chǎn)熱率場，計算方法如下：
[0030]電池單元的電化學產(chǎn)熱率由可逆產(chǎn)熱率q
rev
和不可逆產(chǎn)熱率q
inrev
組成，二者分別由下式計算：
[0031][0032][0033]式中，i
int
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種鋰離子電池建模方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟S1：在介觀尺度下建立電池單元(100)的三維電化學有限元模型(300)；步驟S2：在宏觀尺度下建立電池單體(200)的三維熱學有限元模型(400)；所述電池單體(200)內(nèi)部的電芯(201)具備多層步驟S1中所述的電池單元(100)；步驟S3：建立電池單元(100)的三維電化學有限元模型(300)和電池單體(200)的三維熱學有限元模型(400)之間的耦合關系；通過一致映射和廣義拉伸的方式將三維電化學有限元模型(300)中電池單元(100)的三維產(chǎn)熱率場依次復制給三維熱學有限元模型(400)中電池單體(200)內(nèi)電芯(201)的各個電池單元(100)作為熱源；以及通過一致映射的方式將三維熱學有限元模型中(400)電池單體(200)中電芯(201)內(nèi)的各個電池單元(100)的三維平均溫度場復制給三維電化學有限元模型(300)中的電池單元(100)，實時調(diào)整電池單元(100)各個位置的固、液相擴散系數(shù)和固、液相電導率。2.如權利要求1所述的一種鋰離子電池建模方法，其特征在于：在步驟S1中，所述電池單元(100)為雙層結(jié)構，包括電池單元第Ⅰ層(101)和電池單元第Ⅱ?qū)?102)；電池單元第Ⅰ層(101)、電池單元第Ⅱ?qū)?102)分別包括負極片(1)和正極片(2)，在負極片(1)與正極片(2)之間設置有隔膜(3)；所述負極片(1)包括負極集流體(11)和負極活性層(12)；所述正極片(2)包括正極集流體(21)和正極活性層(22)。3.如權利要求2所述的一種鋰離子電池建模方法，其特征在于：所述電池單元第Ⅰ層(101)和電池單元第Ⅱ?qū)?102)共同采用同一正極集流體(21)，所述電池單元(100)從內(nèi)部向兩側(cè)依次包括正極集流體(21)、正極活性層(22)、隔膜(3)、負極活性層(12)、負極集流體(11)。4.如權利要求1所述的一種鋰離子電池建模方法，其特征在于：采用先映射再掃掠的方式對電池單元(100)進行網(wǎng)格劃分，再定義電池單元(100)中負極片(1)、正極片(2)、隔膜(3)的材料組分和電化學參數(shù)，施加電動力學邊界條件，得到電池單元(100)的三維電化學有限元模型(300)。5.如權利要求1所述的一種鋰離子電池建模方法，其特征在于：在步驟S2中，所述電池單體(200)包括電芯(201)、鋁塑膜(202)、正極耳(203)、負極耳(204)；采用先映射再掃掠的方法對電芯(201)、正極耳(203)、負極耳(204)、鋁塑膜(202)形狀規(guī)則部分進行網(wǎng)格劃分，采用自由四面體對鋁塑膜(202)形狀不規(guī)則部分進行網(wǎng)格劃分，然后定義電芯(201)、鋁塑膜(202)、正極耳(203)、負極耳(204)的材料組分和熱物性參數(shù)，施加熱源和熱力學邊界條件，得到電池單體(200)的三維熱學有限元模型(400)。6.如權利要求1所述的一種鋰離子電池建模方法，其特征在于：在步驟S3中，利用步驟S1中建立的三維電化學有限元模型(3...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：李華，錢順友，張楊，趙元，楊中發(fā)，王慶杰，袁再芳，
申請(專利權)人：貴州梅嶺電源有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：