CN107977500A - 一种锂离子电池的热仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种锂离子电池的热仿真方法，包括以下步骤：1)构建锂电池模型；2)根据所建模型利用“热‑电场耦合”计算电极的发热率和电阻值；3)根据输入的电池直流内阻数据，以及2)中获得的电极电极电阻值，获得卷心内阻值；4)根据卷心内阻计算卷心的发热率；5)根据电极的发热率、以及卷心的发热率计算电芯整体热分布。本发明的优点在于解决了不能分别考虑极柱和卷心部分的发热特征，在极柱位置采取“热‑电场耦合”模型，能准确计算极柱位置的过流和发热情况，卷心位置产热为电芯产热和极柱产热之差。此发明能精确预测锂离子电池极柱位置、卷心位置的温度分布，以达到电池包BMS能精确诊断电池温度的目的。

Description

一种锂离子电池的热仿真方法

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池的热仿真方法。

背景技术

在能源危机与环境污染的双重压力下，汽车动力系统电动化逐渐成为未来汽车的技术发展主流。汽车动力系统电动化的主要特征之一即使用动力电池作为汽车主要的能量供给来源。在锂离子动力电池的使用及储存过程中，温度对电池的性能、寿命、安全性都有重要影响。

首先，锂离子电池的温度影响其能量与功率性能。温度较低时，电池的内阻明显增大，电池的可用能量和功率大大降低。其次，锂离子电池的工作或者存放温度影响其使用寿命，电池的适宜工作温度在10℃～30℃之间。过高的温度会加速电池内部的副反应，在过低的温度下充电，可能引发电池内部析锂，产生安全隐患。

限于我国各地区不同季度的温度条件，电动汽车动力电池需要经受高、低温度等比较恶劣的环境影响，将缩短电池使用寿命、降低电池性能。因此在动力电池系统开发时需要考虑其热性能，其热设计时需要评估电在各种温度和充放电边界条件下，电池系统的温度表现。目前，为了加快项目开发进度，通常会引入热仿真技术，即通过计算机模拟得到电池系统的温度场信息，现有的方法往往不能分别考虑极柱和卷心部分的发热特征，从而不能准确预知极柱位置、卷心位置的热场分布。由于电池包的温度采集一般布置在电池包极柱的位置，因此无法通过极柱的位置预知电池卷心的温度情况，从而导致电池包BMS对电池的温度诊断产生误差。

因此，迫切需要一种能精确预测锂离子电池极柱位置、卷心位置的温度分布的热仿真方法，以达到电池包BMS能精确诊断电池温度的目的。

发明内容

本发明实现一种锂离子电池的热仿真方法，该仿真方法能够分别考虑极柱和卷心部分的发热特征，能准确预知极柱位置、卷心位置的热场分布。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种锂离子电池的热仿真方法，包括以下步骤：

1)构建锂电池模型；

2)根据所建模型利用“热-电场耦合”计算电极的发热率和电阻值；

3)根据输入的电池直流内阻数据，以及2)中获得的电极电极电阻值，获得卷心内阻值；

4)根据卷心内阻计算卷心的发热率；

5)根据电极的发热率、以及卷心的发热率计算电芯整体热分布。

所述1)中构建模型时需要进行赋值的参数包括：电池直流内阻数据、正负极极柱材料的金属种类、密度、热熔比、导电系数、电导率，以及卷心的卷心密度和导热系数。

所述2)中使用的锂电池模型的赋值参数包括正负极极柱材料的金属种类、密度、热熔比、导电系数、电导率，利用“热-电场耦合”计算时施加边界条件包括电流密度和零电势面。

所述2)中极柱的电阻值r_极柱和极柱的发热量Q_V的计算方法为

所述3)中卷心的直流内阻数据的获得方法：将电池荷电态调至半电，在设定的温度下充分搁置，直至达到温度平衡，以设定大小I_脉冲的脉冲电流对电池放电，得到电池的电压降△U，则电池直流内阻数据

所述3)中卷心的内阻为电池直流内阻r_总和极柱内阻r_极柱的差值。

所述4)中卷心的发热率Q_卷心＝I²*r_卷心*t。

所述5)中计算电芯整体热分布时需设置电芯表面与环境的热交换数据，包括测试的环境温度T_ext，电池与空气的对流换热系数h，则电芯表面与环境的热交换量q₀＝h(T_ext-T)。

本发明的优点在于解决了不能分别考虑极柱和卷心部分的发热特征，在极柱位置采取“热-电场耦合”模型，能准确计算极柱位置的过流和发热情况，卷心位置产热为电芯产热和极柱产热之差。此发明能精确预测锂离子电池极柱位置、卷心位置的温度分布，以达到电池包BMS能精确诊断电池温度的目的。

附图说明

下面对本申请说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：

图1为锂离子电池的热仿真方法原理图：

图2为电池放电状态下电压反馈图。

具体实施方式

如图1所示，锂离子电池的热仿真方法包括以下步骤：

S1，锂离子电池内部极柱和卷心部分发热分别考虑；

S2，极柱位置采用“热-电场耦合”模型计算；

S3，卷心部分依据电池直流内阻数据输入；

S4，根据极柱和卷心不同的发热水平计算电芯整体热分布。

仿真前需要预先建立模型，锂离子电池按照计算需要简化为一负极极柱、一正极极柱、一卷心以及一外部的壳体附件。例如，负极极柱的材质为铜铝混合，正极极柱的材质为铝，卷心为卷绕式结构，壳体附件材质为铝。

在S2中，所用的“热-电场耦合”模型中不同组成材料输入对应的物性参数(密度、比热容、导热系数、电导率等)。例如，负极极柱的材质为铜铝混合，正极极柱的材质为铝，所以分别输入铜和铝的各项物性参数。具体为：密度ρ_铜＝8960kg/m³、ρ_铝＝2700kg/m³，比热容Cp_铜＝385J/(kg*K)、Cp_铝＝900J/(kg*K)，导热系数λ_铜＝250W/(m*K)、λ_铝＝150W/(m*K)，电导率σ_铜＝5.998e7S/m、σ_铝＝3.774e7S/m。

在S2中，分别在两个极柱的下表面施加面电流密度边界条件，在上表面施加零电势面边界条件。例如，以1C 42A的电流水平计算，负极的电流面密度为i_S＝4.925e6A/m²、正极的电流面密度为i_S＝2.885e6A/m²。零电势面设置边界条件为V＝0。

在S2中，依据所用的“热-电场耦合”模型，可以得到极柱各部位的电流密度I_V、由此而产生的电压降△U_极柱，CAE软件可以按照公式(1)、(2)分别计算主极柱的阻值r_极柱和极柱的发热量Q_V。

在S3中，电池的直流内阻测试方法为，将电池荷电态调至半电，在特定的温度下充分搁置，直至达到温度平衡(通常时间在12～24h左右)，以一定大小的脉冲电流对电池放电，本案中以4C(168A)放电10s，得到的电压反馈如图2所示，其中△U为电池的电压降，I_脉冲为脉冲电流大小，依据公式(3)即可算得电池的总内阻r_总：

在S3中，卷心的内阻为电池直流内阻r_总和极柱内阻r_极柱的差值，卷心的发热Q_卷心按照公式(4)、(5)进行：

r_卷心＝r_总-r_极柱 (4)

Q_卷心＝I²*r_卷心*t (5)

在S4中，分别输入热源--极柱发热Q_V和卷心发热Q_卷心，计算电芯整体热分布时设置电芯表面与环境的热交换，此处设置第三类Robin边界条件，如公式(6)描述。T_ext为测试的环境温度，h为电池与空气的对流换热系数，例如在自然对流情况，取经验值h＝5W/(m²*K)，q₀为电池与环境的换热量；

q₀＝h(T_ext-T) (6)

该方法通过分别考虑极柱和卷心部分的发热，能准确预知极柱位置、卷心位置的热场分布。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种锂离子电池的热仿真方法，其特征在于,包括以下步骤：

1)构建锂电池模型；

2)根据所建模型利用“热-电场耦合”计算电极的发热率和电阻值；

3)根据输入的电池直流内阻数据，以及2)中获得的电极电极电阻值，获得卷心内阻值；

4)根据卷心内阻计算卷心的发热率；

5)根据电极的发热率、以及卷心的发热率计算电芯整体热分布。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述1)中构建模型时需要进行赋值的参数包括：电池直流内阻数据、正负极极柱材料的金属种类、密度、热熔比、导电系数、电导率，以及卷心的卷心密度和导热系数。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述2)中使用的锂电池模型的赋值参数包括正负极极柱材料的金属种类、密度、热熔比、导电系数、电导率，利用“热-电场耦合”计算时施加边界条件包括电流密度和零电势面。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述2)中极柱的电阻值r_极柱和极柱的发热量Q_V的计算方法为

5.根据权利要求4所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述3)中卷心的直流内阻数据的获得方法：将电池荷电态调至半电，在设定的温度下充分搁置，直至达到温度平衡，以设定大小I_脉冲的脉冲电流对电池放电，得到电池的电压降△U，则电池直流内阻数据

6.根据权利要求5所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述3)中卷心的内阻为电池直流内阻r_总和极柱内阻r_极柱的差值。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述4)中卷心的发热率Q_卷心＝I²*r_卷心*t。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的锂离子电池的热仿真方法，其特征在于：所述5)中计算电芯整体热分布时需设置电芯表面与环境的热交换数据，包括测试的环境温度T_ext，电池与空气的对流换热系数h，则电芯表面与环境的热交换量q₀＝h(T_ext-T)。