CN109738806B - 模拟电池产热率的方法、装置、介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟电池产热率的方法、装置、介质。其中方法包括：确定所述电池的电化学几何模型，所述电化学几何模型包括正极集流体域或负极集流体域；将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；根据所述热模型进行电池产热率模拟。本发明所述的模拟电池产热率的方法能够精确的进行电性能模拟及产热率计算。

Description

模拟电池产热率的方法、装置、介质

技术领域

本发明涉及锂离子电池性能参数模拟技术领域，特别涉及一种模拟电池产热率的方法、装置、介质。

背景技术

锂离子电池已广泛应用于涉及储能的各个领域，特别是在新能源电动汽车领域，锂离子电池的能量密度是决定电动汽车续航里程长短的关键因素之一。有限元技术在锂电热仿真中的应用，并以程序开发的方式对电池模型进行了参数化的二次开发，在锂电动力系统的电性能仿真中有重要的参考价值。通过数值仿真技术在电池领域的应用，建立相应的锂离子电池模型研究电池的电热特性，能够有效缩短设计周期，节约时间和成本。锂离子电池的充放电过程涉及电化学反应、产热、正负极颗粒的膨胀收缩等复杂情况，要较为准确的建模，就需要建立相应的电化学模型、热模型进行耦合。其中，基于电化学机理建模尤为重要。锂离子从正极颗粒内部扩散、在电极表面的脱嵌反应、在电解液中的迁移与扩散、在负极颗粒表面的再嵌入反应以及其余副反应的进行，会产生一系列的热，包括物理热源及化学热源，只有较为准确的把握每一阶段的产热特性，才能更好的预测电芯性能，降低热失控的发生。目前，在建立电化学几何模型时不考虑正负集流体在有电流存在下的产热情况，忽略了温度的不均一性，并且外接的定向电流的流经路线本身也会改变极耳处的最高温度点，使温度分布和电流密度分布存在误差。

由此，如何合理的建立锂离子电池模型，并精确的进行电性能模拟及产热率计算成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种模拟电池产热率的方法，以精确的进行电性能模拟及产热率计算。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种模拟电池产热率的方法，包括：

确定所述电池的电化学几何模型，所述电化学几何模型包括正极集流体域或负极集流体域；

将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

根据所述热模型进行电池产热率模拟。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法，所述电化学几何模型通过以下方式获得：

将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在所述模拟温度下的物性参数的测量值，根据所述物性参数的测量值形成预设模型，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能；

确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程；

设置边界条件；

将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法，所述热模型通过以下方式获得：

加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

进行网格划分，即获得所述热模型。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

收集所述电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

收集所述锂离子电池的充、放电性能参数测量值，获得相应的测量充、放电性能曲线；

根据所述热模型计算获得与所述测量充、放电性能曲线对应的模拟充、放电性能曲线；

通过所述测量充、放电性能曲线与所述模拟充、放电性能曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

相对于现有技术，本发明所述的模拟电池产热率的方法具有以下优势：

(1)本发明所述的模拟电池产热率的方法，在对电池的产热率进行考察时，将集流体域纳入考察范围，集流体域对应于电池的电极，在电池发生传质、传热过程时该位置也存在温度变化。可见，本发明实施例的几何模型能够更加全面的反应电池的实际状态。

(2)本发明所述的模拟电池产热率的方法，获得所述电池多个域在模拟温度下的物性参数的测量值的同时还可获取相邻域之间的界面的物性参数，所述相邻域之间的界面的物性参数也用于确定电化学几何模型，有利于提高仿真效果。

本发明的另一目的在于介绍一种模拟电池产热率的装置，以实现上述方法。本发明实施例介绍的模拟电池产热率的装置包括：

电化学几何模型生成模块，用于确定所述电池的电化学几何模型，所述电化学几何模型包括正极集流体域或负极集流体域；

热模型生成模块，用于将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

电池产热率模拟模块，用于根据所述热模型进行电池产热率模拟。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的装置，所述电化学几何模型生成模块包括：

域获取单元，用于将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

物性参数测量值获取单元，用于获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在所述模拟温度下的，物性参数的测量值，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能，形成预设模型；

计算方程获取单元，用于确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程；

边界条件取单元，用于设置边界条件；

电化学几何模型确定单元，用于将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的装置，所述热模型生成模块包括：

几何处理单元，用于加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

平均瞬态产热率获取单元，用于为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

边界设置单元，用于进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

网格划分单元，用于进行网格划分，即获得所述热模型。

进一步地，本发明实施例介绍的模拟电池产热率的装置，所述装置还包括温升曲线修正模块，所述温升曲线修正模块包括：

测量温升曲线获取单元，用于收集所述电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

模拟温升曲线获取单元，用于根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

模型参数修正单元，用于通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

所述模拟电池产热率的装置与上述模拟电池产热率的方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明实施例进一步介绍一种软件的计算机可读储存介质，其上存储有程序代码，当所述程序代码被装置执行时，致使所述装置执行前述的方法。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法部分步骤示意图；

图2为本发明实施例所述的电化学几何模型的部分结构示意图；

图3为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的模拟温升曲线与实际的测量温升曲线对比示意图；

图4为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图5为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C充电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图6为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池的目标位置以0.5C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图7为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池的目标位置以1C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图8为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池的目标位置以2C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图9为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池的目标位置以0.5C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图10为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以0.5C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图11为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以1C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图12为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以2C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图13为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以3C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图14为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以0.5C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图15为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以1C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图16为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以2C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图；

图17为本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池以3C放电的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图。

附图标记说明：

1-正极集流体域，2-正极多孔电极域，3-隔膜域，4-负极多孔电极域，5-负极集流体域；

10-正极集流体域末端，12-正极集流体域与正极多孔电极域之间的界面，23-正极多孔电极域与隔膜域之间的界面，34-隔膜域与负极多孔电极域之间的界面，45-负极多孔电极域与负极集流体域之间的界面，50-负极集流体域末端。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明实施例介绍一种模拟电池产热率的方法，包括：

S1：确定所述电池的电化学几何模型，所述电化学几何模型包括正极集流体域或负极集流体域；

如图2所示，在本发明一个优选的实施例中，由锂离子电池由正极指向负极的方向被划分为多个域。多个域至少包括正极集流体域1、正极多孔电极域2、隔膜域3、负极多孔电极域4和负极集流体域5，各域按该次序排列，相邻两个域之间存在界面。其中，正极集流体域对应锂离子电池的正极柱，负极集流体域对应锂离子电池的负极柱。

锂离子电池的性能一定程度的受结构、尺寸的影响。特别地，针对大型电池，在使用过程中电池的各个部分各自具有不同的发热性能，各部分又受到与之相邻的部分的热影响。可见，锂离子电池的产热情况是十分复杂的。本发明实施例中的技术方案区别于现有技术，将锂离子电池分为至少五个域，对各个域分别考察其产热情况，进而综合评价锂离子电池的使用性能及产热率等指标。进一步地，本发明实施例中的技术方案将正极集流体域和负极集流体域也纳入考察范围，使得考察的结果更加全面。

S2：将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

本步骤中，电化学几何模型作为热模型的热源，则在考察所述锂离子电池的能量变化时。

S3：根据所述热模型进行电池产热率模拟。

在本发明一个优选的实施例中，所述电化学几何模型通过以下方式获得：

A1：将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

优选地，本发明实施例中的正极多孔电极域、负极多孔电极域均为单面涂覆，正极集流体域和负极集流体域的厚度为集流体厚度的一半。

A2：获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在所述模拟温度下的物性参数的测量值，根据所述物性参数的测量值形成预设模型，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能；

本步骤中获得所述电池多个域在模拟温度下的物性参数的测量值的同时还可获取相邻域之间的界面的物性参数，所述相邻域之间的界面的物性参数也用于确定电化学几何模型。界面和域的数量为多个，则至少获取部分界面和部分域的物性参数。本步骤中的电化学几何模型可针对矩形电池，则预设模型中的几何尺寸参数可针对矩形电池。

本发明实施例中的技术方案在实施时，至少加载各域的模拟温度的至少部分物性参数的物性参数测量值。或者用户可在加载各域模拟温度的至少部分物性参数的物性参数测量值的基础上，加载各域之间的界面处在所述模拟温度下至少部分物性参数的物性参数测量值。由于实际使用中由于建模软件的建模依据不同针对不同的域进行模拟、计算所需的物性参数不同，用户可根据实际情况进行判定。在某些锂离子电池的设计方案中，至少部分相邻的域之间的界面处也存在一定的物性变化，并且该物性变化会对模拟计算的结果造成影响，则用户可根据实际情况将相邻两相之间的界面的物性参数纳入考察范围。

本发明实施例中的技术方案获得物性参数测量值的方式可为多种。某些物性参数测量值可从书籍文献中直接获得，而某些物性参数测量值可通过实验手段获得。各域的物性参数测量值包括各域对应的材料属性，例如正、负极的开路电势曲线、熵热系数、扩散系数、电导率等。本步骤中的物性参数测量值还包括锂离子电池相应的尺寸参数。锂离子电池相应的尺寸参数包括与各域相对于的尺寸参数，例如正极多孔电极域和负极多孔电极域的孔隙率、曲折度、涂覆厚度以及正极集流体域和负极集流体域的位置等。本步骤中的物性参数测量值还包括电池性能，例如开路电压和所述开路电压对应的脉冲时间。

A3：确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程。

确定传质过程能够一定程度的表征电池使用过程的传质过程，确定传热过程，能够一定程度的表征伴随传质过程的热量变化。

由于本发明实施例中的电池在模拟过程中视为与环境进行热交换的封闭体系，则针对封闭体系内部的传质和传热过程可同时考察。进一步地，可通过传质过程一定程度的表征传热过程。

优选地，所述计算方程包括扩散方程。

本步骤中的传质与传热过程分别考察不同位置的微观情况，考察的主要对象包括：

1)锂离子从颗粒中心扩散到颗粒表面的过程。

在正极多孔电极域和负极多孔电极域的颗粒内部到颗粒表面，主要发生锂离子的扩散，采用Fick扩散定律：

该过程假设颗粒的中心浓度为初始浓度，不随时间变化，扩散到颗粒表面，其边界条件为：

公式(三)表示颗粒中心，公式(四)表示颗粒表面。

式中：C_s-固相中锂离子平均浓度(mol·m^-3)，D_s-固相扩散系数(m²·s)，r-固相颗粒半径，t-扩散时间。

2)颗粒与电解液的界面上发生电极反应的过程。

该过程主要考察正极多孔电极域与隔膜域之间的界面位置，以及隔膜域与负极多孔电极域之间的界面位置，采用Butler-volmer方程：

其中公式(六)用于考察电极界面上发生电化学极化产生过电势。

式中：J-局部反应电流密度(A·m^-2)，av-比表面积(m²·m^-3)，i₀-交换电流密度(A·m^-2)，F-法拉第常数(96487C·mol^-1)，η-过电位(V)，R-通用气体常数(9.314J·mol-1·K^-1)，T-温度(K)，k_a、k_c-阳、阴离子电化学反应速率系数(m·s^-1)，C_s,max-固相最大锂离子浓度(mol·m^-3)，C_l、C_l,ref-电解质盐浓度、参考浓度(mol·m^-3)，

-固相电势(V)，

-液相电势(V)，E_eq-电路电压(V)，ε_s、ε_l-固、液相体积分数，t₊ ⁰-锂离子迁移数，ρ密度(Kg·m^-3)，C_p-热容(J·K_g ^-1·K^-1)，T_amb-环境温度(K)，h-对流换热系数(W·m^-2·K^-1)，q-产热率(W·m^-3)，σ_s、σ_l-活性材料固相电导率、电解质电导率(S·m^-1)。此处，将本发明涉及的物性参数进行解释，并且该解释适用于以下各公式。

3)锂离子传质过程。

锂离子从界面上脱嵌进入正极多孔电极域的电解液中，经电迁移及扩散到隔膜处的电解液，再传输到负极多孔电极域电解液中。正负极多孔电极域和隔膜域孔隙内充满电解液，发生锂离子传质过程，采用Nerst-Plank方程：

正负极多孔电极域与隔膜域的孔隙率及曲折度不同，锂离子运动轨迹也不同，必须对在正负极多孔电极和隔膜区域内电解液的电导率和扩散系数进行修正，其修正方程为：

D_l ^eff＝ε_e ^BruggemanD_l (八)

σ_l ^eff＝ε_e ^Bruggemanσ_l (九)

最后，锂离子从电解液传输到对电极界面，在对电极域的界面上发生电极反应或副反应，再嵌入到颗粒内部，完成一次锂离子传输。锂离子嵌入和脱嵌同样使用上述Fick扩散方程和Butler-volmer方程。

在锂离子电池充电、放电过程中，如发生副反应，需再加载新的多孔电极反应节点，针对副反应进行定义，以此类推。至于锂离子电池充电、放电过程中是否发生副反应、发生的副反应为何，由用户定义。用户可根据实际实验、测量的数据判断是否需要考虑副反应。

A4：设置边界条件；

本步骤中，在设置边界条件时，主要考察正极集流体域和负极集流体域的电势。设置负极集流体末端接地，则负极集流体域末端电势为0V，正极集流体域末端为电流导出。电流密度(A/m²)由电芯的设计方案而定。

A5：将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

在本发明一个优选的实施例中，所述热模型通过以下方式获得：

B1：加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

本步骤中的对所述热模型进行几何处理的方法包括：按实际电芯加入电芯极组，删除没有电流流经的部件，简化模型，并使得模型收敛。所述电芯至少包括一个所述级组。

本步骤中，热模型建立的依据为能量守恒定律，表达式为：

所述能量守恒定律中的电芯平均比热容通过各所述域各自的比热容计算获得。所述能量守恒定律中的电芯平均比热容通过各所述域各自的比热容计算获得。

电芯平均比热容计算可采用质量平均的方法，计算公式采用：

B2：为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

进一步地，本发明实施例中的技术方案针对级组分别考察，能够全面考察锂离子电池不同位置的性能及性能变化。热模型在考察所述电芯的热导系数时针对多个方向分别进行，多个所述方向包括所述电芯的厚度方向和所述电芯的展向。

其中，芯的厚度方向的热导系数的计算可采用：

电芯的展向的热导系数的计算可采用：

B3：进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

在本发明的一个实施例中，环境为空气环境。热模型与环境之间的热交换过程可采用公式：

B4：进行网格划分，即获得所述热模型。

网格划分可根据用户的实际需求进行设置。

网格划分指将模型分为多个小单元，各单元在模型的外表面形成网格状。

在本发明一个优选的实施例中，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

C1：收集所述电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

本步骤中的目标位置可根据用户的实际需求进行选择，在一个优选的实施例中，目标位置可为电芯的中心位置。由于电芯的中心位置距离电池的边界位置最远，该位置受热影响最为明显，针对该位置进行考察能够有效的提高热模型的模拟灵敏度。目标位置还可为标位置包括电芯整体、正极多孔电极域、负极多孔电极域、隔膜域的液相等。

进一步地，本步骤中在至少两个倍率下分别考察测量升温曲线和模拟升温曲线之间的差异，能够较大程度的减小误差，增加升温曲线校验的精准度。

C2：根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

所述倍率优选为0.5C、1C、2C、3C中的至少一个。如图3所示的本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的以NMC811活性材料为正极，石墨活性材料为负极的全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电，模拟温升曲线与实际的测量温升曲线对比示意图。

C3：通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

本步骤中的模拟升温曲线对应于前述的测量升温曲线模拟获得。能够提高测量升温曲线和模拟升温曲线之间的比较的针对性。如图6至图9分别所示的本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池的目标位置在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图，所述目标位置包括电芯整体、正极多孔电极域、负极多孔电极域、隔膜域的液相。所述全电池以NMC811活性材料为正极，石墨活性材料为负极。

修正的实施可通过MATLAB软件进行拟合寻优，根据软件分析的结果对模型参数进行修正。并在每次修正之后继续执行该根据测量升温曲线和模拟升温曲线的修正，直至测量升温曲线和与之对应的所述模拟升温曲线之间的差异达到相应的预设值。

进一步地，本发明实施例中的模型参数包括热参数。热参数包括综合扩散系数等。该综合扩散系数为针对整个热模型的离子扩散系数。可知，在本发明实施例中的升温曲线校验能够至少在所述的至少五个域各自的扩散系数的基础上获得热模型的综合扩散系数。

在本发明一个优选的实施例中，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

D1：收集所述锂离子电池的充、放电性能参数测量值，获得相应的测量充、放电性能曲线；

本步骤中的收集的方式可为多种。收集的方式包括测试、查阅文献。

D2：根据所述热模型计算获得与所述测量充、放电性能曲线对应的模拟充、放电性能曲线；

D3：通过所述测量充、放电性能曲线与所述模拟充、放电性能曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

测量充、放电性能曲线和与之对应的模拟充、放电性能曲线可至少针对两个不同的倍率分别进行。在至少两个不同的倍率下均通过充、放电性能曲线校验方可进行下一步操作。

修正的实施可通过MATLAB软件进行拟合寻优，根据软件分析的结果对模型参数进行修正。并在每次修正之后继续执行根据测量充、放电性能曲线和与之对应的模拟充、放电性能曲线对模型参数的修正，直至测量充、放电性能曲线和与之对应的模拟充、放电性能曲线之间的差异达到相应的预设值。如图4所示的本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图。如图5所示的本发明实施例所述的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C充电的模拟充、放电性能曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图。所述全电池以NMC811活性材料为正极，石墨活性材料为负极。

进一步地，本发明实施例中的模型参数包括电化学参数。电化学参数包括综合电导率等。该综合电导率为针对整个热模型的电导率。可知，在本发明实施例中的根据充、放电性能曲线的修正能够至少在所述的至少五个域各自的电导率的基础上获得热模型的综合电导率。

在本发明一个优选的实施例中，在对热模型进行验证时，既执行根据温升曲线的修正，又执行根据充、放电性能曲线的修正。并且，仅在根据温升曲线的修正和根据充、放电性能曲线的修正分别通过校验的情况下，才判断热模型通过验证。

在本发明一个优选的实施例中，在执行根据温升曲线的修正和/或执行根据充、放电性能曲线的修正时，预设值设置为10％。修正的过程中可采用迭代逼近法。

在本发明一个实施例中，在执行步骤S3时，可遵循以下步骤：

S301：在所述电化学几何模型中对每个域加载热场。

S302：通过对不同热场加载不同的偏微分方程完成产热率模拟。

本步骤中，针对正极多孔电极域和负极多孔电极域，可逆热主要由正负极材料的可逆熵变引起，该部分模拟可采用公式：

不可逆热主要由克服电化学反应极化产生过电势引起，该部分模拟可采用公式：

液相产热主要是锂离子在电解液中传质产生的欧姆热，该部分模拟可采用公式：

S303：优化电芯的设计。

本步骤中针对电芯的优化设计的优化项目包括锂离子电池的尺寸参数、物性参数至少之一。用户可根据模拟结果重新对锂离子电池的尺寸参数和/或物性参数进行设计、选择。如图10至图13分别所示的本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电，目标位置的总发热率、不可逆发热率、可逆发热率、液相发热率的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图，所述目标位置为正极多孔电极域。如图14至图17分别所示的本发明实施例介绍的模拟电池产热率的方法获得的所述全电池在常温下以0.5C、1C、2C、3C放电，目标位置的总发热率、不可逆发热率、可逆发热率、液相发热率的模拟曲线与测量充、放电性能曲线对比示意图，所述目标位置为负极多孔电极域。

本发明实施例进一步介绍一种模拟电池产热率的装置，包括：

电化学几何模型生成模块，用于确定所述电池的电化学几何模型，所述电化学几何模型包括正极集流体域或负极集流体域；

热模型生成模块，用于将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

电池产热率模拟模块，用于根据所述热模型进行电池产热率模拟。

通过本发明实施例中的模拟电池产热率的装置更够实现前述各实施例中的方法。并且，本发明实施例中的模拟电池产热率的装置区别于现有技术，将锂离子电池分为至少五个域，对各个域分别考察其产热情况，进而综合评价锂离子电池的使用性能及产热率等指标。进一步地，本发明实施例中的技术方案将正极集流体域和负极集流体域也纳入考察范围，使得考察的结果更加全面。

在本发明一个优选的实施例中，所述电化学几何模型生成模块包括：

域获取单元，用于将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

物性参数测量值获取单元，用于获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在所述模拟温度下的，物性参数的测量值，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能，形成预设模型；

计算方程获取单元，用于确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程；

边界条件取单元，用于设置边界条件；

电化学几何模型确定单元，用于将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

本步骤中获得所述电池多个域在模拟温度下的物性参数的测量值的同时还可获取相邻域之间的界面的物性参数，所述相邻域之间的界面的物性参数也用于确定电化学几何模型。界面和域的数量为多个，则至少获取部分界面和部分域的物性参数。

本发明实施例中的技术方案在实施时，至少加载各域的模拟温度的至少部分物性参数的物性参数测量值。或者用户可在加载各域模拟温度的至少部分物性参数的物性参数测量值的基础上，加载各域之间的界面处在所述模拟温度下至少部分物性参数的物性参数测量值。由于实际使用中由于建模软件的建模依据不同针对不同的域进行模拟、计算所需的物性参数不同，用户可根据实际情况进行判定。在某些锂离子电池的设计方案中，至少部分相邻的域之间的界面处也存在一定的物性变化，并且该物性变化会对模拟计算的结果造成影响，则用户可根据实际情况将相邻两相之间的界面的物性参数纳入考察范围。

在本发明一个优选的实施例中，所述热模型生成模块包括：

几何处理单元，用于加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

平均瞬态产热率获取单元，用于为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

边界设置单元，用于进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

网格划分单元，用于进行网格划分，即获得所述热模型。

在本发明一个优选的实施例中，所述装置还包括温升曲线修正模块，所述温升曲线修正模块包括：

测量温升曲线获取单元，用于收集所述电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

模拟温升曲线获取单元，用于根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

模型参数修正单元，用于通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

本装置中所述的目标位置可根据用户的实际需求进行选择，在一个优选的实施例中，目标位置可为电芯的中心位置。由于电芯的中心位置距离电池的边界位置最远，该位置受热影响最为明显，针对该位置进行考察能够有效的提高热模型的模拟灵敏度。目标位置还可为标位置包括电芯整体、正极多孔电极域、负极多孔电极域、隔膜域的液相等。

进一步地，本装置在至少两个倍率下分别考察测量升温曲线和模拟升温曲线之间的差异，能够较大程度的减小误差，增加升温曲线校验的精准度。所示倍率优选为0.5C、1C、2C、3C中的至少一个。本装置中所述的模拟升温曲线对应于前述的测量升温曲线模拟获得。能够提高测量升温曲线和模拟升温曲线之间的比较的针对性。

装置中可加载MATLAB软件，则修正的实施可通过MATLAB软件进行拟合寻优，根据软件分析的结果对模型参数进行修正。并在每次修正之后继续执行该根据测量升温曲线和模拟升温曲线的修正，直至测量升温曲线和与之对应的所述模拟升温曲线之间的差异达到相应的预设值。进一步地，本发明实施例中的模型参数包括热参数。热参数包括综合扩散系数等。该综合扩散系数为针对整个热模型的离子扩散系数。

本发明实施例进一步介绍一种计算机可读储存介质，其上存储有程序代码，当所述程序代码被装置执行时，致使所述装置执行前述各实施例中的方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟电池产热率的方法，其特征在于，包括：确定所述电池的电化学几何模型，其中，将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

所述电化学几何模型包括所述正极集流体域或所述负极集流体域；

将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

根据所述热模型进行电池产热率模拟；

其中，所述热模型通过以下方式获得：

加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

进行网格划分，即获得所述热模型。

2.根据权利要求1所述的模拟电池产热率的方法，其特征在于，所述电化学几何模型通过以下方式获得：

获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在模拟温度下的物性参数的测量值，根据所述物性参数的测量值形成预设模型，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能；

确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程；

设置边界条件；

将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

3.根据权利要求1所述的模拟电池产热率的方法，其特征在于，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

收集电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

4.根据权利要求1所述的模拟电池产热率的方法，其特征在于，在获得所述电池的热模型之后，还包括：

收集锂离子电池的充、放电性能参数测量值，获得相应的测量充、放电性能曲线；

根据所述热模型计算获得与所述测量充、放电性能曲线对应的模拟充、放电性能曲线；

通过所述测量充、放电性能曲线与所述模拟充、放电性能曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

5.一种模拟电池产热率的装置，其特征在于，包括：电化学几何模型生成模块，用于确定所述电池的电化学几何模型，其中，域获取单元，用于将所述电池沿由正极指向负极的方向划分为多个域，所述多个域至少包括正极集流体域或负极集流体域；

所述电化学几何模型包括所述正极集流体域或所述负极集流体域；

热模型生成模块，用于将所述电化学几何模型作为热源，获得所述电池的热模型；

电池产热率模拟模块，用于根据所述热模型进行电池产热率模拟；

其中，所述热模型生成模块包括：

几何处理单元，用于加载所述电化学几何模型，对所述电化学几何模型进行几何处理；

平均瞬态产热率获取单元，用于为所述电化学几何模型的各所述域加载热场，获得各所述域的平均瞬态产热率，将所述平均瞬态产热率作为热场；

边界设置单元，用于进行边界设置，所述电池的边界与环境之间存在热交换；

网格划分单元，用于进行网格划分，即获得所述热模型。

6.根据权利要求5所述的模拟电池产热率的装置，其特征在于，所述电化学几何模型生成模块包括：

物性参数测量值获取单元，用于获得所述电池多个域及相邻域之间的界面，在模拟温度下的，物性参数的测量值，所述物性参数包括多个所述域的几何尺寸、材料属性、电池性能，形成预设模型；

计算方程获取单元，用于确定所述电池的离子在传导过程中的计算方程，所述传导过程包括传质过程和/或传热过程；

边界条件获取单元，用于设置边界条件；

电化学几何模型确定单元，用于将所述电池的离子传导过程中的计算方程加载至所述预设模型，应用所述边界条件使所述预设模型收敛，将收敛后的模型确定为所述电化学几何模型。

7.根据权利要求5所述的模拟电池产热率的装置，其特征在于，所述装置还包括温升曲线修正模块，所述温升曲线修正模块包括：

测量温升曲线获取单元，用于收集电芯目标位置的产热率与时间的对应关系，在至少两个倍率下分别获得相应的测量温升曲线；

模拟温升曲线获取单元，用于根据所述热模型计算获得所述目标位置在所述至少两个倍率下各自的模拟温升曲线；

模型参数修正单元，用于通过所述测量温升曲线和与之对应的所述模拟温升曲线之间的差异对所述热模型的至少部分模型参数进行修正。

8.一种包括软件的计算机可读储存介质，其上存储有程序代码，其特征在于，当所述程序代码被装置执行时，致使所述装置执行如权利要求1至4任一项所述的方法。

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