CN108037456A - 一种锂离子电池热分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池热分析方法，包括电芯进行HPPC电性能测试，获取电压电流参数；搭建电芯等效电路模型，绘制电芯发热功率MAP图；建立电芯CFD散热模型，将发热功率MAP图输入到CFD散热模型中，获取锂离子电池模拟温升变化曲线；对锂离子电池进行充放电实验，获取锂离子电池的实际温升变化曲线；对比所述模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线。本发明通过对电芯进行HPPC电性能测试，获取电芯的电压与电流参数，进一步获取电芯发热功率MAP图以及锂离子电池的模拟温升变化曲线，对比锂离子电池的实际温升变化曲线，修改相关模拟仿真参数修正模拟温升变化曲线使其与实际温升变化曲线尽可能逼近。本发明创造用于分析锂离子充放电过程热分析。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，更具体地说涉及一种锂离子电池充放电过程的热分析方法。
背景技术
现有的电池产品中，锂电池由于具有高能量密度、高输出功率、充放电寿命长等优点，在电动汽车领域中被广泛应用。
在实际应用中，锂离子电池在充放电过程中由于自身具有内阻的原因会产生大量的热量，从而导致锂离子电池自身温度上升，而电池本身过高的温度，又容易影响电池的性能，使用寿命，甚至会出现燃烧爆炸现象。
现有的锂离子电池生产厂商在生产制造电池过程中，缺乏对电池内部的温度场进行仿真分析，缺乏一套对电池充放电过程的发热性能预测方案，导致有相当一部分的电池内部的热管理系统不达标而不得不重新返工，影响了厂商的生产进度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种锂离子电池充放电过程的热分析方法。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种锂离子电池热分析方法，包括以下步骤：
步骤A：选定锂离子电池的电芯，设置电芯充放电测试参数，对所述电芯进行HPPC电性能测试，获取所述电芯电压和电流参数；
步骤B：设置并搭建电芯等效电路模型，将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型中，计算每个荷电状态点下的发热功率，绘制电芯发热功率MAP图；
步骤C：建立电芯CFD散热模型，将所述发热功率MAP图输入到CFD散热模型中，进行锂离子电池温升模拟实验，获取锂离子电池模拟温升变化曲线；
步骤D：对锂离子电池进行充放电实验，获取锂离子电池的实际温升变化曲线；
步骤E：对比所述模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，修正步骤B中所述电芯等效电路模型参数。
作为上述技术方案的进一步改进，步骤A中所述测试参数包括测试温度以及温度步长，所述HPPC电性能测试流程包括如下步骤：
步骤A01：设置测试温度为10℃至50℃，温度步长为5℃；
步骤A02：将所选定锂离子电池的电芯在100％的剩余电量状态下，静置保持一个小时；
步骤A03：以0.5C倍率放电10％剩余电量，在静置一个小时；
步骤A04：以2C倍率放电10秒，静置40秒，再以1C倍率充电10秒；
步骤A05：以0.5C倍率放电10％剩余电量，静置一个小时；
步骤A06：重复步骤A04至A05，直到电芯剩余电量为零；
步骤A07：根据温度步长，调整测试温度，重复步骤A02至A06；
步骤A08：输出电芯电压和电流参数。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤B中利用MATLAB软件搭建所述电芯等效电路模型，所述电芯等效电路模型包括待测电芯、电阻R0、电阻RP以及电容C，所述电阻RP与电容C并联后与待测电芯以及电阻R0串联。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B01：运用MATLAB软件软件设置并搭建电芯等效电路模型；
步骤B02：将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型的待测电芯中；
步骤B03：运用回溯法计算待测电芯每个荷电状态点下的发热功率，绘制电芯发热功率MAP图。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤C包括以下步骤：
步骤C01：利用CFD软件设置锂离子电池的物理模型，设置锂离子的参数属性，所述锂离子的参数属性包括密度、比热容以及传热系数；
步骤C02：设置边界条件，所述边界条件包括温度和压力；
步骤C03：设置温升模拟实验初始条件，包括电芯和环境的温度和压力；
步骤C04：设置电芯热源，将步骤B中所获取的发热功率MAP图赋予电芯热源；
步骤C05：设置CFD求解器，包括设置求解器中电芯充放电运行时间、时间步长及内部迭代次数；
步骤C06：启动仿真，绘制锂离子电池模拟温升变化曲线。
作为上述技术方案的进一步改进，所述步骤E包括以下步骤：
步骤E1：从模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线分别划分出高温和低温区域，对比模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线的高温和低温区域数据是否符合，如果是，证明所述电芯等效电路模型设置正确，否则修正电芯等效电路模型参数；
步骤E2：结合模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，计算两者绝对误差以及仿真精度。
本发明的有益效果是：本发明通过对电芯进行HPPC电性能测试，获取电芯的电压与电流参数，进一步获取电芯发热功率MAP图以及锂离子电池的模拟温升变化曲线，对比锂离子电池的实际温升变化曲线，是否符合要求，并通过修改相关模拟仿真参数修正模拟温升变化曲线使其与实际温升变化曲线尽可能逼近，完成锂离子电池热分析。本发明创造用于分析锂离子充放电过程热分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明的热分析方法流程图；
图2是本发明的电芯等效电路模型原理图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有连接关系，并非单指元件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少连接，来组成更优的电路结构。本发明创造中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1～图2，本发明创造公开了一种锂离子电池热分析方法，包括以下步骤：
步骤A：选定锂离子电池的电芯，设置电芯充放电测试参数，对所述电芯进行HPPC电性能测试，获取所述电芯的电压和电流参数；
步骤B：设置并搭建电芯等效电路模型，将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型中，计算电芯每个荷电状态点下的发热功率，绘制电芯的发热功率MAP图；
步骤C：建立电芯CFD散热模型，将所述发热功率MAP图输入到CFD散热模型中，进行锂离子电池温升模拟实验，获取锂离子电池模拟温升变化曲线；
步骤D：对锂离子电池进行充放电实验，获取锂离子电池的实际温升变化曲线；
步骤E：对比所述模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，修正步骤B中所述电芯等效电路模型参数。
具体地，本发明创造在锂离子电池生产前，选定锂离子电池中电芯种类，通过HPPC电性能测试设备测试电芯的电压电流参数；之后将电芯的电压电流参数输入电芯等效电路模型中，获取电芯的发热功率MAP图；再然后将电芯的发热功率MAP图输入利用该电芯的锂离子电池的CFD散热模型中，获取锂离子电池的模拟温升变化曲线；最后与锂离子电池通过实际实验获取的实际温升变化曲线作对比，通过对比结果修正电芯等效电路模型相关参数，使模拟温升变化曲线尽可能逼近实际温升变化曲线。
本发明通过对电芯进行HPPC电性能测试，获取电芯的电压与电流参数，进一步获取电芯发热功率MAP图以及锂离子电池的模拟温升变化曲线，对比锂离子电池的实际温升变化曲线，是否符合要求，并通过修改相关模拟仿真参数修正模拟温升变化曲线使其与实际温升变化曲线尽可能逼近，完成锂离子电池热分析。此后在进行其他各种锂离子电池生产前，直接将所生产的锂离子电池相关参数输入到电芯等效电路模型中，按照步骤B与步骤C的流程获取电芯发热功率MAP图和锂离子电池模拟温升变化曲线，此时设计方可将该模拟温升变化曲线视为实际温升变化曲线。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造中，需要设置电芯进行HPPC电性能测试的测试流程，为了能够提供电芯电参数测试的准确度，本发明创造具体实施方式中，步骤A所述测试参数包括测试温度以及温度步长，所述HPPC电性能测试流程包括如下步骤：
步骤A01：设置测试温度为10℃至50℃，温度步长为5℃；
步骤A02：将所选定锂离子电池的电芯在100％的剩余电量状态下，静置保持一个小时；
步骤A03：以0.5C倍率放电10％剩余电量，在静置一个小时；
步骤A04：以2C倍率放电10秒，静置40秒，再以1C倍率充电10秒；
步骤A05：以0.5C倍率放电10％剩余电量，静置一个小时；
步骤A06：重复步骤A04至A05，直到电芯剩余电量为零；
步骤A07：根据温度步长，调整测试温度，重复步骤A02至A06；
步骤A08：输出电芯电压和电流参数。
上述步骤完成以后，HPPC电性能测试仪器能够自行输出电芯的电压与电流参数。
进一步作为优选的实施方式，为获取准确的电芯发热功率MAP图，本发明创造具体实施方式中，所述步骤B中利用MATLAB软件搭建所述电芯等效电路模型，所述电芯等效电路模型包括待测电芯、电阻R0、电阻RP以及电容C，所述电阻RP与电容C并联后与待测电芯以及电阻R0串联，其中所述电阻R0为电芯等效内阻，电阻RP为电芯等效的极化内阻，所述电容C为电芯等效的极化电容。
再进一步，本发明创造具体实施方式中，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B01：运用MATLAB软件软件设置并搭建电芯等效电路模型；
步骤B02：将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型；
步骤B03：运用回溯法计算待测电芯每个荷电状态点下的发热功率，绘制待测电芯发热功率MAP图。
具体地，本发明创造利用如下公式1至公式10计算每个荷电状态点下的发热功率。
V0＝∑ai*SOCi 公式1
E0＝∑E0,i*SOCi 公式3
EP＝∑EP,i*SOCi 公式5
Eτ＝∑Eτ,i*SOCi 公式7
上述公式1至公式10中，V0表示图2中断开位置的开路电压。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造所述步骤C将所获取的发热功率MAP图赋予所进行热分析仿真的锂离子电池中的电芯，从而进行下一步通过CFD软件进行锂离子电池模拟温升实验，获取锂离子电池模拟温升变化曲线，即模拟锂离子电池在一定环境条件下，锂离子电池充放电时的温度与时间关系。具体地，本发明创造具体实施方式中，所述步骤C包括以下步骤：
步骤C01：利用CFD软件设置锂离子电池的物理模型，设置锂离子的参数属性，所述锂离子的参数属性包括密度、比热容以及传热系数；
步骤C02：设置边界条件，所述边界条件包括温度和压力；
步骤C03：设置温升模拟实验初始条件，包括电芯和环境的温度和压力；
步骤C04：设置电芯热源，将步骤B中所获取的发热功率MAP图赋予电芯热源；
步骤C05：设置CFD求解器，包括设置求解器中电芯充放电运行时间、时间步长及内部迭代次数；
步骤C06：启动仿真，绘制锂离子电池模拟温升变化曲线。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，获取锂离子电池实际温升变化曲线，需要通过实际实验获取，获取锂离子电池实际温升变化曲线过程包括如下步骤：
步骤D01：搭建实验台架，根据锂离子电池的具体情况(如尺寸、容量)，搭建可以进行指定工况的充放电实验台架；
步骤D02：进行实验，获取电芯在充放电过程的温升曲线实验数据，实验中的采温点需要与仿真模型中的温度监控点保持一致；
步骤D03：实验数据处理，实际温升变化曲线的高低温区域，将实际温升变化曲线的时间步长及温度有效数字保持一致。
进一步作为优选的实施方式，本发明创造具体实施方式中，所述步骤E包括以下步骤：
步骤E1：从模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线分别划分出高温和低温区域，对比模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线的高温和低温区域数据是否符合，如果是，证明所述电芯等效电路模型设置正确，否则修正电芯等效电路模型参数；
步骤E2：结合模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，计算两者绝对误差以及仿真精度。
具体地，通过上述步骤A至步骤D，得出参数一定的锂离子电池的模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，最后所述步骤E中将两曲线进行对比，判断两曲线之间的绝对误差以及仿真精度是否符合要求，如果符合，则证明了步骤A至步骤C中所涉及的参数设置正确，可利用步骤A至步骤C的方法对实际生产的锂离子电池进行充分电热分析，分析结果准确，可行性强。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：选定锂离子电池的电芯，设置电芯充放电测试参数，对所述电芯进行HPPC电性能测试，获取所述电芯的电压和电流参数；所述测试参数包括测试温度、温度步长以及测试流程；
步骤B：设置并搭建电芯等效电路模型，将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型中，计算电芯每个荷电状态点下的发热功率，绘制电芯发热功率MAP图；
步骤C：建立电芯CFD散热模型，将所述发热功率MAP图输入到CFD散热模型中，进行锂离子电池温升模拟实验，获取锂离子电池模拟温升变化曲线；
步骤D：对锂离子电池进行充放电实验，获取锂离子电池的实际温升变化曲线；
步骤E：对比所述模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，修正步骤B中所述电芯等效电路模型参数。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，步骤A中所述测试参数包括测试温度以及温度步长，所述HPPC电性能测试流程包括如下步骤：
步骤A01：设置测试温度为10℃至50℃，温度步长为5℃；
步骤A02：将所选定锂离子电池的电芯在100％的剩余电量状态下，静置保持一个小时；
步骤A03：以0.5C倍率放电10％剩余电量，在静置一个小时；
步骤A04：以2C倍率放电10秒，静置40秒，再以1C倍率充电10秒；
步骤A05：以0.5C倍率放电10％剩余电量，静置一个小时；
步骤A06：重复步骤A04至A05，直到电芯剩余电量为零；
步骤A07：根据温度步长，调整测试温度，重复步骤A02至A06；
步骤A08：输出电芯电压和电流参数。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，所述步骤B中利用MATLAB软件搭建所述电芯等效电路模型，所述电芯等效电路模型包括待测电芯、电阻R0、电阻RP以及电容C，所述电阻RP与电容C并联后与待测电芯以及电阻R0串联。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B01：运用MATLAB软件软件设置并搭建电芯等效电路模型；
步骤B02：将步骤A中所获取的电芯电压和电流参数输入到所述电芯等效电路模型的待测电芯中；
步骤B03：运用回溯法计算待测电芯每个荷电状态点下的发热功率，绘制电芯发热功率MAP图。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，所述步骤C包括以下步骤：
步骤C01：利用CFD软件设置锂离子电池的物理模型，设置锂离子的参数属性，所述锂离子的参数属性包括密度、比热容以及传热系数；
步骤C02：设置边界条件，所述边界条件包括温度和压力；
步骤C03：设置温升模拟实验初始条件，包括电芯和环境的温度和压力；
步骤C04：设置电芯热源，将步骤B中所获取的发热功率MAP图赋予电芯热源；
步骤C05：设置CFD求解器，包括设置求解器中电芯充放电运行时间、时间步长及内部迭代次数；
步骤C06：启动仿真，绘制锂离子电池模拟温升变化曲线。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池热分析方法，其特征在于，所述步骤E包括以下步骤：
步骤E1：从模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线分别划分出高温和低温区域，对比模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线的高温和低温区域数据是否符合，如果是，证明所述电芯等效电路模型设置正确，否则修正电芯等效电路模型参数；
步骤E2：结合模拟温升变化曲线以及实际温升变化曲线，计算两者绝对误差以及仿真精度。
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