CN108169683B - 多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，包括步骤：S1、建立锂离子电池数据库；S2、建立多层叠片结构锂离子电池几何模型；S3、建立锂离子电池电化学及热效应数值模型；S4、构建基于有限元数值方法的数值求解算法；S5、计算并输出锂离子电池内部分布特征，并生成电池内部分布特征图像。本发明实施例所提供的一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，实现了电池内部特征的动态仿真与预测，在不损伤电池的情况下，高效预估电池分布特征，并有效降低电池设计成本和缩短设计周期。
Description
技术领域
本发明涉及电池特征分析技术领域，尤其涉及一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法。
背景技术
锂离子电池凭借其高能量密度、高功率密度以及较好的循环特性等突出优点，应用促进了混合电动车和电动车的快速发展。反过来，电动车和混合电动的发展促进了锂离子电池往单体大型化的趋势发展。
然而随着电池单体的大型化，电池的不均匀性也呈现出增大的趋势。不均匀性不仅包括电池单体间的不均匀性还包括电池单体内部的不均匀性。
单体之间的不均匀性主要指电池组的离散现象，主要表现为各电池的内阻、电压、容量以及荷电状态等性质的不一致，该情况会造成某个单体电池长期处于过充或过放的状态，不但会缩短电池的使用寿命，还可能导致电池燃烧、爆炸等安全事故。
单体内部的不均匀性主要指电池极片上的电化学反应速率、电流密度、荷电状态以及电解液浓度等性质的非均匀性分布。该不均匀性最大的危害是造成极片上各点理化性质的不均，例如极片应力分布，温度分布等，在长期的循环过程中，致使活性物质脱落，从而造成电池容量的衰减。
对于这两种不均匀性而言，单体之间的不均匀性可以通过电池的全自动化生产和电源管理系统的均衡模块进行消除或降低；而对于单体内部的不均匀性，由于电池的封装密闭特性，因此其内部不均匀性难以运用实验方法进行表征和评判。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，该方法包括步骤：
S1、建立锂离子电池数据库；
S2、建立多层叠片结构锂离子电池几何模型；
S3、建立锂离子电池电化学及热效应数值模型；
S4、构建基于有限元数值方法的数值求解算法；
S5、计算并输出锂离子电池内部分布特征，并生成电池内部分布特征图像。
进一步地，所述多层叠片结构锂离子电池为由隔膜、第一负极活性物质、铜箔、第二负极活性物质、第一正极活性物质、铝箔和第二正极活性物质组成的电芯实体。
进一步地，步骤S1中，建立锂离子电池数据库包括：
S11、获取锂离子电池材料参数；
S12、根据获取的锂离子电池材料参数，获取对应的参数函数。
进一步地，步骤S2中，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型包括：
S21、获取多层叠片结构锂离子电池的尺寸特征；
S22、根据获取的锂离子电池尺寸特征，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型。
进一步地，步骤S3中，建立锂离子电池电化学及热效应数值模型包括：
S31、构建锂离子在活性物质和电解液中的传质方程；
S32、构建电子在电池内部分布的微分方程；
S33、构建热量在电池内部传输的传热微分方程；
S34、构建电极/电解液界面反应的电化学反应方程。
进一步地，步骤S4中，所述基于有限元数值方法的数值求解算法，包括：边界条件定义、网格划分及分步求解器。
进一步地，步骤S4中，构建基于有限元数值方法的数值求解算法包括：
S41、建立模型与参数的相互调用关系；
S42、添加模型的边界条件和初始条件；
S43、对锂离子电池几何模型进行网格划分；
S44、采用瞬态求解。
进一步地，步骤S5中，通过计算，输出锂离子电池内部的具有时空多样性的分布特征，并生成电池内部分布特征图像。
本实施例所提供的一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，实现了电池内部特征的动态仿真与预测，在不损伤电池的情况下，高效预估电池分布特征，并有效降低电池设计成本和缩短设计周期。
附图说明
图1为实施例一中多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法流程图；
图2为实施例二中电池尺寸示意图；
图3为实施例二中另一视角的电池尺寸示意图；
图4为实施例二中多层叠片结构的锂离子电池几何模型示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
图1为本实施例中一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法流程图，如图所示，该方法包括步骤：
S1、建立锂离子电池数据库；
本实施例中所述的多层叠片结构的锂离子电池指的是由隔膜、第一负极活性物质、铜箔、第二负极活性物质、隔膜、第一正极活性物质、铝箔和第二正极活性物质反复多层片状交叠组成的电芯实体。电芯反复交叠的数目根据电池的实际设计情况定义。
本步骤中，所述的锂离子电池数据库是指具有多元因变量的锂离子电池的基本物质属性，具体参数项目指电极活性材料的开路电压数据、焓变数据、固相扩散系数等；电解液的电导率、扩散系数、离子迁移数。具体多元因变量为要为温度、锂离子浓度、活性物质荷电状态。
本步骤中，建立锂离子电池数据库包括：
S11、获取锂离子电池材料参数；
本步骤中，测试锂离子电池材料的相关性质，如电解液电导率、扩散系数、离子迁移数，固相活性物质固相扩散系数、固相电导率等随电解液浓度和温度的变化规律；该步骤也可通过想过文献进行数据收集和总结；
S12、根据获取的锂离子电池材料参数，获取对应的参数函数。
本步骤中，将获得的电池材料相关参数，通过数据拟合，定义成多元函数的表述形式，并内嵌到仿真软件中。
S2、建立多层叠片结构锂离子电池几何模型；
本步骤中，所述的多层叠片结构的锂离子电池几何模型是指根据所需研究电池的实际设计情况，使用参数化设计语言对电池实体模型进行建模，根据电池设计方案设定电池正、负极片数目、极耳和电芯，以及用于容纳电芯的方形金属壳实体或者聚合物电池的铝塑膜外壳。
所述的多层叠片结构的锂离子电池几何模型，在实际计算时如果计算资源不足或为了追求更高的计算效率，可采用单个非重复结构代替电池实际几何模型进行计算。
本步骤中，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型包括：
S21、获取多层叠片结构锂离子电池的尺寸特征；
本步骤中，通过原始设计或实际测量获得电池的尺寸特征，具体指电池极耳位置及尺寸、极片尺寸、活性物质厚度、隔膜尺寸以及外部铝塑膜尺寸；
S22、根据获取的锂离子电池尺寸特征，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型。
本步骤中，根据尺寸数据，建立锂离子电池外部整体和内部电芯，利用布尔操作形成电池外部铝塑膜壳体和内部电芯；在内部电芯的不同位置，通过循环重复操作，由电池厚度方向的一侧向另一侧进行电芯切割或立方体建模，切割位面位置交替为电池各组件厚度，以此形成隔膜、负极活性物质涂层、负极集流体(铜箔)、负极活性物质涂层、隔膜、正极活性物质涂层、正极集流体(铝箔)、正极活性物质涂层、隔膜、负极活性物质涂层……，具体循环次数等于电池正极片的层数；为了追求更高的计算效率，可采用单一非重复结构(负极集流体(铜箔)、负极活性物质涂层、隔膜、正极活性物质涂层、正极集流体(铝箔))来代替整体结构进行降级计算；
S3、建立锂离子电池电化学及热效应数值模型；
本步骤中，所述的锂离子电池电化学及热效应数值模型包括描述锂离子在活性物质内部迁移的固相扩散方程、描述锂离子在电解液内部迁移的液相扩散方程、描述电极/电解液界面反应的电化学反应方程、描述电子在电池内部分布的微分方程、描述热量在电池内部传输的传热微分方程等。
本步骤中，建立锂离子电池电化学及热效应数值模型包括：
S31、构建锂离子在活性物质和电解液中的传质方程；
S32、构建电子在电池内部分布的微分方程；
S33、构建热量在电池内部传输的传热微分方程；
S34、构建电极/电解液界面反应的电化学反应方程。
S4、构建基于有限元数值方法的数值求解算法；
本步骤中，所述的基于有限元数值方法的数值求解算法，具体包括边界条件定义、网格划分以及分步求解器。其中网格划分采用比例因子放大技术，解决了由于锂离子电池的多层叠片状结构，使得网格划分质量差、密度小的问题。
本步骤中，构建基于有限元数值方法的数值求解算法包括：
S41、建立模型与参数的相互调用关系；
本步骤中，赋予材料属性，建立数理模型与参数的相互调用关系。
S42、添加模型的边界条件和初始条件；
本步骤中，添加模型的边界条件和初始条件。边界条件具体指边界充放电电流、外部散热系数、传热方程产热相等；初始条件主要为初始荷电状态、初始电池温度等；
S43、对锂离子电池几何模型进行网格划分；
本步骤中，对电池几何模型进行网格划分。具体采用比例因子放大技术，以解决由于锂离子电池的多层叠片状结构，使得网格划分质量差、密度小的问题。
S44、采用瞬态求解。
本步骤中，采用瞬态求解，求解器优先选用MUMPS求解器。求解时间步长进行计算初期及末期加密化处理，中期可相对疏松。
S5、计算并输出锂离子电池内部分布特征，并生成电池内部分布特征图像。
本步骤中，所述的输出结果为锂离子内部的具有时空多样性的分布特征。这些特征主要是指常规实验方法无法或难以获得的电池内部特征，如内部锂离子浓度分布、内部反应速率分布、内部过电势分布、电池温度场分布等具有时空多样性的分布特征。
本步骤中，通过计算，输出锂离子电池内部的具有时空多样性的分布特征，并生成电池内部分布特征图像。具体包括固相电势分布、液相电势分布、锂离子浓度分布、荷电状态分布、电化学反应速率分布、过电势分布、温度分布等。
本实施例所提供的一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，实现了电池内部特征的动态仿真与预测，在不损伤电池的情况下，高效预估电池分布特征，并有效降低电池设计成本和缩短设计周期。
实施例二
本实施例中采用的电池为某公司生产的10Ah动力磷酸铁锂锂离子电池，正极活性物质为磷酸铁锂、负极活性物质为石墨、隔膜材料为聚丙烯(PP)/聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)三层复合多孔隔膜、电解液为以六氟磷酸锂为溶质的有机溶液，溶剂体积比为：碳酸乙烯酯(EC)：碳酸丙烯酯(PC)：碳酸甲乙酯(EMC)＝1：1：1、正极集流体为厚度10微米后的铝箔、负极集流体为10微米厚的铜箔、电池外壳材料为电池用铝塑膜。电池采用叠片方式生产。
本实施例中，对上述锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法包括：
步骤1、建立锂离子电池数据库；
步骤1.1、测试锂离子电池材料的相关性质，如电解液电导率、扩散系数、离子迁移数，固相活性物质固相扩散系数、固相电导率等随电解液浓度和温度的变化规律；
步骤1.2、将获得的电池材料相关参数，通过数据拟合，定义成与电解液锂离子浓度、电极荷电状态、电池温度相关的多元函数，通过保存成matlab的函数文件(如Parameter.m)或直接在仿真软件中定义数值方程以实现内嵌到仿真软件中。
步骤2、建立多层叠片结构的锂离子电池几何模型；
步骤2.1、通过原始设计或实际测量获得电池的尺寸特征，具体指电池极耳位置及尺寸、极片尺寸、活性物质厚度、隔膜尺寸以及外部铝塑膜尺寸，获得的电池的形状尺寸如图2及图3所示。
步骤2.2、根据具体尺寸数据，电池电芯宽厚高分别为10厘米，1.2厘米和11.5厘米，建立锂离子电池外部整体和内部电芯，利用布尔操作形成电池外部铝塑膜壳体、内部电芯以及电池极耳；
步骤2.3、在内部电芯的不同位置，通过循环重复操作，由电池厚度方向的一侧向另一侧进行电芯切割或立方体建模，第一次切割位面为电池外壳铝塑膜厚度0.15mm，以后切割位面位置依次偏移量交替为电池各组件厚度。第二次切割位面位移量为隔膜厚度，第三次偏移量为负极活性物质涂层厚度，第四次偏移量为负极集流体厚度，第五次偏移量为负极活性物质涂层厚度，第六次偏移量为隔膜厚度，第七次偏移量为正极活性物质厚度，第八次偏移量为正极集流体厚度，第九次偏移量为正极活性物质厚度，第十次偏移量为隔膜厚度……后续交替进行。此形成隔膜、负极活性物质涂层、负极集流体(铜箔)、负极活性物质涂层、隔膜、正极活性物质涂层、正极集流体(铝箔)、正极活性物质涂层、隔膜、负极活性物质涂层……，具体循环次数等于电池正极片的层数(本实施例为32层)；为了追求更高的计算效率，可采用单一非重复结构(负极集流体(铜箔)、负极活性物质涂层、隔膜、正极活性物质涂层、正极集流体(铝箔))来代替整体结构进行降级计算；
图4为本实施例中建立的多层叠片结构的锂离子电池几何模型示意图。
步骤3、建立锂离子电池电化学及热效应数值模型；
步骤3.1、构建锂离子在活性物质和电解液中的传质方程，其具体数理方程形式为：
其中，c1,i代表固相锂离子浓度，D1,i代表固相扩散系数；r代表材料颗粒径向。
c2代表液相锂离子浓度；Sa,i代表活性材料比表面积；
代表有效电解液扩散系数
步骤3.2、构建电子在电池内部分布的微分方程，其具体数理方程形式为：
σc集流体电导率；Ji代表体积电流密度。
t+代表离子迁移数；
代表电解液有效电导率。
步骤3.3、构建热量在电池内部传输的传热微分方程，其具体数理方程形式为：
其中ρi,Cp,i和ki分别为密度、比热容、和热导率。
h是电池表面与环境的热交换系数(W m-2K-1)；d是垂直于电池表面方向上的热量传递特征长度；Tamb是环境温度。本研究中所采用的h和d的数值分别为8W m-2K-1和0.0057m。
步骤3.4、构建电极/电解液界面反应的电化学反应方程，其具体数理方程形式为：
jloc,i为局部电流密度，j0,i为交换电流密度，ηi为过电势。R为理想状态气体常数(8.314472J·mol^(-1)·K^(-1))，T为电池温度(单位为K)
F为法拉第常数、ki为电极界面反应动力学常数；c1,max,i代表最大固相锂离子浓度；c1,sur,i代表表面固相锂离子浓度；αa,i代表阳极电迁移数；αc,i代表阴极电迁移数。
步骤4、搭建基于有限元数值方法的数值求解算法；
步骤4.1、赋予材料属性，建立数理模型与参数的相互调用关系。对正极活性材料涂层赋予开路电势、电导率、孔隙率、固相扩散系数、电压-温度系数、正极界面反应速率常数、比热容、密度、导热系数等；对负极活性材料涂层赋予负极开路电势、电导率、孔隙率、固相扩散系数、电压-温度系数、负极界面反应速率常数、比热容、密度、导热系数等；对电解液赋予锂盐浓度、锂离子液相扩散系数、锂离子迁移数、比热容、密度、导热系数等属性；对隔膜赋予孔隙率、比热容、密度、导热系数等属性；对集流体赋予电导率、比热容、密度、导热系数等属性。上述所赋予的材料属性均为温度、电解液浓度或为荷电状态的函数，通过热模型和电化学模型中的温度、浓度的参数耦合实现数理模型与参数的相互调用。
步骤4.2、添加模型的边界条件和初始条件。以2C放电为例，在正极极耳处定义电流为20A(电流正值表示放电)，在负极极耳设置接地即电压恒定为0V；外部定义为自然对流，对流换热遵循牛顿冷却定律，对流换热系数为5W/(m2K1)，外部环境温度定义为25℃；初始电池温度为25℃等；
步骤4.3、对电池几何模型进行网格划分。网格采用自由扫略和自由四面体剖分相结合的方法，同时采用比例因子放大技术(具体为电池厚度方向放大，放大因子为5)，绘制出尺寸合理，重点区域强化的网格，以保证计算的收敛性。另外如果计算资源充足，可采用自适应网格划分技术，以实现网格的实时调整，获取更高的计算精度。
步骤4.4、采用瞬态求解，求解器优先选用MUMPS求解器。1C放电时理论放电时间为1800s，以此计算求解时间步长进行计算初期及末期加密化处理，中期可相对疏松。本实施例中采用0至1秒时间内计算时间步长为0.1秒、1秒100秒内计算时间步长为1秒，100秒至1730秒时间内计算步长为10秒，1730秒至1800时间内计算时间步长为1秒。这样做能够在加快计算效率的同时尽可能的保证放电初期和末期的准确性。
步骤5、通过计算，输出锂离子内部的具有时空多样性的分布特征，并生成内部分布图像。本实施例中将计算数据导出另存为EXCEL文档，采用ORIGIN软件绘制锂离子电池的相关内部分布特征，如固相电势分布、液相电势分布、锂离子浓度分布、荷电状态分布、电化学反应速率分布、过电势分布、温度分布等。
本实施例所提供的一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，实现了电池内部特征的动态仿真与预测，在不损伤电池的情况下，高效预估电池分布特征，并有效降低电池设计成本和缩短设计周期。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1.一种多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，其特征在于，包括步骤：
S1、建立锂离子电池数据库；
S2、建立多层叠片结构锂离子电池几何模型；
S3、建立锂离子电池电化学及热效应数值模型；
步骤S3中，建立锂离子电池电化学及热效应数值模型包括：
S31、构建锂离子在活性物质和电解液中的传质方程；具体为：
其中，c1,i代表固相锂离子浓度，D1,i代表固相扩散系数；r代表材料颗粒径向；
c2代表液相锂离子浓度；Sa,i代表活性材料比表面积；
代表有效电解液扩散系数；
S32、构建电子在电池内部分布的微分方程；具体为：
σc集流体电导率；Ji代表体积电流密度；
t+代表离子迁移数；
代表电解液有效电导率；R为理想状态气体常数，T为电池温度；
S33、构建热量在电池内部传输的传热微分方程；具体为：
其中ρi,Cp,i和ki分别为密度、比热容、和热导率；
h是电池表面与环境的热交换系数(W m-2K-1)；d是垂直于电池表面方向上的热量传递特征长度；Tamb是环境温度；
S34、构建电极/电解液界面反应的电化学反应方程；具体为：
jloc,i为局部电流密度，j0,i为交换电流密度，ηi为过电势；
F为法拉第常数、ki为电极界面反应动力学常数；c1,max,i代表最大固相锂离子浓度；c1,sur,i代表表面固相锂离子浓度；αa,i代表阳极电迁移数；αc,i代表阴极电迁移数；
S4、构建基于有限元数值方法的数值求解算法；
步骤S4中，所述基于有限元数值方法的数值求解算法，包括：边界条件定义、网格划分及分步求解器；
步骤S4中，构建基于有限元数值方法的数值求解算法包括：
S41、建立模型与参数的相互调用关系；
S42、添加模型的边界条件和初始条件；
S43、对锂离子电池几何模型进行网格划分；
S44、采用瞬态求解；
S5、计算并输出锂离子电池内部分布特征，并生成电池内部分布特征图像。
2.如权利要求1所述的多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，其特征在于，所述多层叠片结构锂离子电池为由隔膜、第一负极活性物质、铜箔、第二负极活性物质、第一正极活性物质、铝箔和第二正极活性物质组成的电芯实体。
3.如权利要求1所述的多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，其特征在于，步骤S1中，建立锂离子电池数据库包括：
S11、获取锂离子电池材料参数；
S12、根据获取的锂离子电池材料参数，获取对应的参数函数。
4.如权利要求1所述的多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，其特征在于，步骤S2中，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型包括：
S21、获取多层叠片结构锂离子电池的尺寸特征；
S22、根据获取的锂离子电池尺寸特征，建立多层叠片结构锂离子电池几何模型。
5.如权利要求1所述的多层叠片结构锂离子电池的内部分布特征仿真分析方法，其特征在于，步骤S5中，通过计算，输出锂离子电池内部的具有时空多样性的分布特征，并生成电池内部分布特征图像。
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