CN106650134A - 一种锂离子电池系统热仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种锂离子电池系统热仿真方法，利用电化学模型计算单体电池不可逆化学反应生热，利用混合脉冲功率法测量单体电池在不同电池荷电态下的直流内阻，利用欧姆定律模型根据单体电池的直流内阻计算单体电池产生的焦耳热，将单体电池的不可逆化学反应热和焦耳热作为热源边界条件，耦合到锂离子电池系统温度场中，利用传导传热模型、辐射传热模型和对流传热模型叠加计算锂离子电池系统温度场，将得到的锂离子电池系统温度作为单体电池的温度边界条件，进行热仿真求解。本发明采用了多模型耦合，提高了仿真结果的精度，能够快速、准确对锂离子电池系统进行热仿真分析，仿真结果既可以指导电池系统热设计和热管理，又可以判断单体电池状态系统一致性问题。

Description

一种锂离子电池系统热仿真方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池系统热仿真方法，具体涉及一种多物理模型耦合的锂离子电池系统热仿真方法。
背景技术
锂离子电池系统热仿真由于涉及到成百上千只单体电池以及结构件，一般的仿真方式是将每只单体电池等效成一个热源，通过实际测得的单体电池热参数作为输入计算整个系统的温度分布，但是单体电池在不同温度下的热参数不一致，将单体电池等效成简单热源与实际不符合，仿真得到的结果与实际存在较大的偏差，而且无法判别单体电池是否满足电池系统应用场景。
发明内容
本发明提供一种锂离子电池系统热仿真方法，采用了多模型耦合，可以得到不同时刻单体电池和电池系统的参数，提高了仿真结果的精度，能够快速、准确对锂离子电池系统进行热仿真分析，仿真结果既可以指导电池系统热设计和热管理，又可以判断单体电池状态系统一致性问题。
为了达到上述目的，本发明提供一种锂离子电池系统热仿真方法，利用电化学模型计算单体电池不可逆化学反应生热，利用混合脉冲功率法测量单体电池在不同电池荷电态下的直流内阻，利用欧姆定律模型根据单体电池的直流内阻计算单体电池产生的焦耳热，将单体电池的不可逆化学反应热和焦耳热作为热源边界条件，耦合到锂离子电池系统温度场中，利用传导传热模型、辐射传热模型和对流传热模型叠加计算锂离子电池系统温度场，将得到的锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件，进行热仿真求解。
所述的电化学模型采用Newman电池模型根据电化学原理计算单体电池不可逆化学反应生热。
所述的电化学模型包含负极集流体、负极活性材料、隔膜、正极活性材料、正极集流体，排列顺序为“负极集流体、负极活性材料、隔膜、正极活性材料、正极集流体、正极活性材料、隔膜、负极活性材料、负极集流体”，以此为循环依次排列，第一层和最后一层都为负极集流体。
所述的传导传热模型采用热传导方程计算单体电池与单体电池之间、单体电池与结构件之间、结构件与结构件之间的热交换。
所述的辐射传热模型采用基尔霍夫辐射定律计算结构件和单体电池空气之间的热交换。
所述的流传热模型采用对流换热公式计算电池系统内部不同位置的空气之间的热交换。
将单体电池的热源和锂离子电池系统的温度场进行耦合和将锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件时，不进行雅可比矩阵的修订。
在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，设置仿真停止条件，所述的仿真停止条件包含：温度最大值，温差值，电压最高值，电压最低值，时间，循环次数。
在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，所有表格输入和曲线输入的边界条件，都采用三次样条的方式进行插值，边界延伸采用端点斜率进行直线延伸，保证输入的连续。
所述的物理模型输入不限定维度，正极活性材料和负极活性材料均采用多孔电极模型方程进行计算，还辅以双电层理论，根据胡克扩散定律计算锂离子的迁移量。
本发明采用了多模型耦合，可以得到不同时刻单体电池和电池系统的参数，提高了仿真结果的精度，能够快速、准确对锂离子电池系统进行热仿真分析，仿真结果既可以指导电池系统热设计和热管理，又可以判断单体电池状态系统一致性问题。
附图说明
图1是本发明的模型示意图。
图2是锂离子单体电池物理模型示意图。
图3是图2的局部视图，为单体电池材料叠放顺序图。
图4是负极活性材料V-SOC关系的三次样条插值图。
图5是R-SOC关系的三次样条插值图。
图6是锂离子电池系统物理模型示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图6，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种锂离子电池系统热仿真方法，包含以下步骤：
利用电化学模型计算单体电池不可逆化学反应生热；
利用混合脉冲功率法（HPPC）测量单体电池在不同电池荷电态（SOC）下的直流内阻，其中，正负极锂离子浓度与材料理论嵌锂浓度之比定义为电池荷电态；
利用欧姆定律模型根据单体电池的直流内阻计算单体电池产生的焦耳热；
将单体电池的不可逆化学反应热和焦耳热作为热源边界条件，耦合到锂离子电池系统温度场中；
利用传导传热模型、辐射传热模型和对流传热模型叠加计算锂离子电池系统温度场；
将得到的锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件；
进行热仿真求解，得到温度场对空间和时间的分布T(x,y,z,t)，电池电压对时间的分布V(t)，锂离子浓度对空间和时间的分布C(x,y,z,t)。
其中，所述的电化学模型采用Newman电池模型根据电化学原理计算单体电池不可逆化学反应生热，如图2~图3所示，单体电池1的电化学模型包含负极集流体1.1、负极活性材料1.2、隔膜1.3、正极活性材料1.4、正极集流体1.5，与实际生产中一致，排列顺序为“负极集流体、负极活性材料、隔膜、正极活性材料、正极集流体、正极活性材料、隔膜、负极活性材料、负极集流体”，以此为循环依次排列，第一层和最后一层都为负极集流体。其中，边界条件按照如下方式进行设定，负极集流体电压设置为0V，正极集流体电压设置为4.2V，初始温度设定锂离子电池系统中该电池周围的平均温度，放电电流密度设置为17.5A/cm2(1C)。
所述的欧姆定律模型采用欧姆定律计算单体电池的焦耳热，电池内阻R随电池荷电态（SOC）变化，将R~SOC关系制成表格作为欧姆定律模型的输入。如图4所示，根据正负极活性材料物质的电化学参数，得到不同SOC状态下正负极活性材料的电极电位，通过现有浓度与最大浓度的比例计算当前理论SOC，然后进行线型偏移校正得到实际SOC。如图5所示，采用HPPC法测量单体电池在不同SOC下的电池内阻R，采用三次样条插值的方式使得输入连续，通过不同SOC计算得到电池内阻R值，将电池内阻R值作为欧姆定律模型的输入，用于计算单体电池焦耳热。
所述的传导传热模型采用热传导方程计算单体电池与单体电池之间、单体电池与结构件之间、结构件与结构件之间的热交换，单体电池导热系数通过将组成材料的导热系数以长度（厚度）为权值加和得到。
所述的辐射传热模型采用基尔霍夫辐射定律计算结构件和单体电池空气之间的热交换。
所述的流传热模型采用对流换热公式计算电池系统内部不同位置的空气之间的热交换。
将单体电池的热源和锂离子电池系统的温度场进行耦合和将锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件时，不进行雅可比矩阵的修订，从而减少计算时间。
在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，设置仿真停止条件，所述的仿真停止条件包含：温度最大值，温差值，电压最高值，电压最低值，时间，循环次数。
在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，所有表格输入和曲线输入的边界条件，都采用三次样条的方式进行插值，边界延伸采用端点斜率进行直线延伸，保证输入的连续。
所述的物理模型输入不限定维度，在电化学模型中，正极活性材料和负极活性材料均采用多孔电极模型，正极活性材料和负极活性材料除了以多孔电极模型方程进行计算，还辅以双电层理论，根据胡克扩散定律计算锂离子的迁移量，进一步提高计算结果的准确性。
如图6所示，将单体电池1、结构件3和空气4放入箱体3，组成锂离子电池系统，通过设定不同单元不同的材料属性，将每个单体电池1的温度输入设定为周围的平均温度，结构件3与单体电池1之间以及单体电池与单体电池之间的传热方式为热传导，将结构件3、单体电池1和箱体2与空气4之间的导热方式设置为辐射，空气4本身设置为层流流体，采用对流换热方程进行计算，初始压强设定为1 atm。边界条件按照如下方式设定，初始温度为25℃，箱体外环境温度恒定为25℃，热源设定为单体电池生热总和，但是不对雅可比矩阵进行修正。对于整个仿真模型，设定一系列停止条件如下，仿真时间3600s，最高电压不超过4.25V，最低电压不低于2.8V，最高温度不大于45℃，最高温差不大于10℃。
模型设定结束后，采用瞬时求解器对模型进行求解，得到温度场对空间和时间的分布T(x,y,z,t)，电池电压对时间的分布V(t)，锂离子浓度对空间和时间的分布C(x,y,z,t)，由于采用了多模型耦合，可以得到不同时刻单体电池和电池系统的参数，提高了仿真结果的精度，能够快速、准确对锂离子电池系统进行热仿真分析，仿真结果既可以指导电池系统热设计和热管理，又可以判断单体电池状态系统一致性问题。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，利用电化学模型计算单体电池不可逆化学反应生热，利用混合脉冲功率法测量单体电池在不同电池荷电态下的直流内阻，利用欧姆定律模型根据单体电池的直流内阻计算单体电池产生的焦耳热，将单体电池的不可逆化学反应热和焦耳热作为热源边界条件，耦合到锂离子电池系统温度场中，利用传导传热模型、辐射传热模型和对流传热模型叠加计算锂离子电池系统温度场，将得到的锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件，进行热仿真求解。
2.如权利要求1所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的电化学模型采用Newman电池模型根据电化学原理计算单体电池不可逆化学反应生热。
3.如权利要求2所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的电化学模型包含负极集流体、负极活性材料、隔膜、正极活性材料、正极集流体，排列顺序为“负极集流体、负极活性材料、隔膜、正极活性材料、正极集流体、正极活性材料、隔膜、负极活性材料、负极集流体”，以此为循环依次排列，第一层和最后一层都为负极集流体。
4.如权利要求1所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的传导传热模型采用热传导方程计算单体电池与单体电池之间、单体电池与结构件之间、结构件与结构件之间的热交换。
5.如权利要求1所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的辐射传热模型采用基尔霍夫辐射定律计算结构件和单体电池空气之间的热交换。
6.如权利要求1所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的流传热模型采用对流换热公式计算电池系统内部不同位置的空气之间的热交换。
7.如权利要求1所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，将单体电池的热源和锂离子电池系统的温度场进行耦合和将锂离子电池系统温度场作为单体电池的温度边界条件时，不进行雅可比矩阵的修订。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，设置仿真停止条件，所述的仿真停止条件包含：温度最大值，温差值，电压最高值，电压最低值，时间，循环次数。
9.如权利要求8所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，在对锂离子电池系统进行热仿真过程中，所有表格输入和曲线输入的边界条件，都采用三次样条的方式进行插值，边界延伸采用端点斜率进行直线延伸，保证输入的连续。
10.如权利要求9所述的锂离子电池系统热仿真方法，其特征在于，所述的物理模型输入不限定维度，正极活性材料和负极活性材料均采用多孔电极模型方程进行计算，还辅以双电层理论，根据胡克扩散定律计算锂离子的迁移量。
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