CN109815569B - 锂离子电池外部短路仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池外部短路仿真方法，其包括以下步骤：S1、参数获取步骤；S2、电路模型建立步骤，该电路模型包括串联的发热内阻和短路电阻；S3、求解步骤，基于步骤S1获取的参数，并基于步骤S2所建立的电路模型关系，建立以锂离子电池剩余电量为变量的偏微分方程，且基于已知的锂离子电池初始电量的数据、锂离子电池的电压及内阻随锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据，求解出短路电阻的电压值及电流值随短路时间的变化数据。本发明所述的锂离子电池外部短路仿真方法，可节省大量研发成本，并可通过仿真结果对电池进行针对性的优化设计，从而使电池具有较好的安全性能。

Description

锂离子电池外部短路仿真方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池外部电路仿真方法。

背景技术

随着人们环保意识的提高及国家的推广，采用电能作为动力的新能源车辆越来越受到欢迎。锂离子电池作为新能源车辆的“心脏”，其安全性能关系到车上人员的安全，因此其安全性能备受关注。在引起电池发生失效，甚至起火等危险状况的原因中，短路是重要的原因之一，电池的短路包括内部短路和外部短路。

通过对电池短路过程的研究，可更好的了解短路过程，以在电池设计之初就对设计进行优化，提高锂离子电池的安全性能。目前对电芯外部短路的研究主要是基于实物的研究，即通过将电池产品进行短路处理，来对电池的短路进行研究，不过锂离子电池从设计到量产分为不同阶段，如果对每个阶段都选取一定数量的平行样品进行测试，不仅会增加大量的产品成本，还会增加人力、物力的消耗，并且短路实验对电芯造成的损伤是不可修复的，因此其成本会大大增加。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种锂离子电池外部短路仿真测试方法，以能够通过软件仿真的方法对电池短路情况进行更为细致的研究，同时还能降低成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种锂离子电池外部短路仿真方法，其包括以下步骤：

S1、参数获取步骤；

S2、电路模型建立步骤；建立将锂离子电池等效为串接于电路中的发热电阻的电路模型，且所述电路模型中还包括与所述发热电阻串联的短路电阻；

S3、求解步骤；基于步骤S1获取的参数，并基于步骤S2所建立的电路模型关系，建立以锂离子电池剩余电量为变量的偏微分方程，且基于已知的所述锂离子电池初始电量的数据、所述锂离子电池的电压随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据及所述锂离子电池的电阻随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据，求解出所述短路电阻的电压值及电流值随短路时间的变化数据。

进一步的，还包括建立几何热模型步骤：所述几何热模型包括若干并列布置的极组，包裹各极组的壳体，以及布置于所述壳体上的正极柱和负极柱，还包括分别构成所述正极柱和所述负极柱与所述极组连接的连接件。

进一步的，还包括为几何热模型赋予材质步骤，所述正极柱及正极柱与所述极组之间的连接件被赋予铝材质，所述负极柱及负极柱与所述极组之间的连接件被赋予铜箔材质，所述壳体被赋予铝材质。

进一步的，还包括几何热模型热量求解步骤，所述正极柱和所述负极柱构成所述几何热模型的热源，且所述正极柱和所述负极柱的功率之和随短路时间变化的数据和等于步骤S3所得到的所述短路电阻的电压值及电流值的乘积随短路时间变化的数据。

进一步的，还包括热通量设置步骤，该步骤用以建立所述几何热模型外部的空气对流换热模型。

进一步的，还包括锂离子电池失效判定步骤，所述电池失效的判定条件为电池电压等于2V。

进一步的，还包括锂离子电池失效判定步骤，所述锂离子电池失效的判定条件为设于所述锂离子电池内部的隔膜的温度达到130～140℃。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

(1)本发明所述的锂离子电池外部短路仿真方法，通过建立电路模型，并基于该电路模型建立以电池剩余电量为变量的偏微分方程，并基于已知的所述锂离子电池初始电量的数据、所述电路模型的电压随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值的数据及所述锂离子电池的电阻随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值的数据，可解出该偏微分方程，得到短路电阻电压及电流的变化，不仅可得知该电路模型短路时详细的变化过程，还可节省大量的人力、物力成本。

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电路模型；

图2为本发明实施例所述的几何热模型；

图3为本发明实施例所述的短路电压随短路时间的变化曲线；

图4为本发明实施例所述的短路电流随短路时间的变化曲线；

图5为本发明实施例所述的热几何模型随短路时间的温度变化曲线。

附图标记说明：

1-壳体，2-极组，3-连接件，4-正极柱，5-负极柱；

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。

本实施例涉及一种锂离子电池外部短路仿真方法，以对锂离子电池外部短路的情况进行仿真研究，其具体包括以下步骤：

S1、参数获取步骤；

S2、电路模型建立步骤；建立将锂离子电池等效为串接于电路中的发热电阻的电路模型，且所述电路模型中还包括与所述发热电阻串联的短路电阻；

S3、求解步骤；基于步骤S1获取的参数，并基于步骤S2所建立的电路模型关系，建立以锂离子电池剩余电量为变量的偏微分方程，且基于已知的所述锂离子电池初始电量的数据、所述锂离子电池的电压随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据及所述锂离子电池的电阻随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据，求解出所述短路电阻的电压值及电流值随短路时间的变化数据。

具体的来说，步骤S2中，由于锂离子电池外部短路时，等效为在锂离子电池的电芯之间串接了一个阻值很小的短路电阻R0。对电芯在短路的过程中产热的情况研究时，可将该电芯等效为与短路电阻R0串连的发热电阻R，图1中由方框A所围构的部分表示电池，也即可以等效为发热电阻R的部分。

步骤S3中，为了便于数据处理，本实施例中，该步骤基于COMSOL软件的PDE模块进行。本实施例中，由于该电路模型中的电芯等效为发热电阻，因此可采用一般形式边界偏微分方程。

首先定义变量a＝q_c/q₀：

其中，q_c为电芯剩余电量，q₀为电芯初始电量，a为荷电状态SOC。

经电路分析可知：

Is＝Ue(a)/(R(a)+R0)，U_S＝Ue(a)*R0/(R(a)+R0)：

其中Is、Us为短路时短路电阻R0两端的电流和电压，Ue和R分别为电芯的开路电压OCV和电芯的内阻，本实施例中，该电芯的内阻与发热电阻R的阻值相等；Ue(a)和R(a)分别表示在荷电状态为a时，电芯的开路电压OCV和电芯的内阻，Ue(a)和R(a)均会随电池的荷电状态a发生变化。

其次，在COMSOL软件的PDE模块定义剩余电量q_c为因变量，可得到一般形式边界偏微分方程：

控制方程中e_a为质量系数，d_a为阻尼系数，Г为守恒通量，f为源相，由于采用qc对时间t的偏导数作为短路过程中的电流，当ea设置为1，da设置为1，Γ设置为0，源相f设置为-Is时，此时方程变为所需要的

即得到短路电流Is与剩余电量q_c及短路时间的关系。

将步骤S1所获取的参数，其具体可通过实际测量获取，具体包括：电芯的初始电量q₀，开路电压Ue随荷电状态a的变化数据，以及电芯的内阻R随荷电状态a的变化数据，作为已知参数进行求解，该求解过程可由COMSOL软件自动进行。通过该自动求解，可得到短路电阻R0的电压Us及电流Is随短路时间的变化数据。通过该数据，可得知短路电阻随短路时间变化的发热功率。在短路时，短路电阻R0阻值极小，瞬间产热很高，它就会把热量传给电芯，电芯的温度就会逐渐升高，也即电芯短路时的产热效率可认为等于短路电阻R0的发热效率。

为了对电芯在短路时的发热情况进行进一步的研究，本实施例中，该锂离子电池外部短路仿真方法还包括建立几何热模型的步骤：该几何热模型包括并列布置的若干极组2，包裹各极组2的壳体1，以及布置于壳体1上的正极柱4和负极柱5，还包括分别构成正极柱4和负极柱5与极组2连接的连接件3，本实施例中该极组2具体为四组。

建立该模型以后，在COMSOL软件中对该几何热模型赋予合适的材质，本实施例中，正极柱4及正极柱4与极组2之间的连接件3被赋予铝材质，负极柱5及负极柱5与极组2之间的连接件3被赋予铜箔材料，壳体1被赋予铝材质。

赋予几何热模型材质后，本实施例中，对其进行发热研究，本实施例中，该锂离子电池外部短路仿真方法还包括几何模型热量分析步骤，在该步骤中，正极柱4和负极柱5构成了该几何热模型的热源，该热源的产热功率已由步骤S3得到，其也随短路时间、也即荷电状态变化，此步骤中也可通过软件自动求解。

当然，除了该热源外，随着电芯内部温度的升高，电芯内会引发一系列的副反应，比如SEI膜反应，负极与电解液反应，正极与电解液反应，粘接剂反应，电解液分解反应。不过实际电芯外短路测试条件下，由于保险丝的保护作用，电流过大时会瞬间熔断，副反应很难发生，且为了更好的观测短路时电流和电压的整体变化过程，因此本几何热模型仅考虑上述的正极柱4和负极柱5的热源。

此外，本实施例中，该锂离子电池外部短路仿真方法还包括热通量设置步骤，用以建立几何热模型外部空气对流换热模型，以更加精确的反应电芯的热变化。

进行上述步骤以后，对该几何热模型进行有限元网格划分，由于电芯的特殊层状结构，其中会出现厚度非常小的层体，因此本实施例中优选采用三角形网格的划分方式，至此，完成电芯整体热模型的建立。

为了得到电芯在正常使用条件下短路电流与短路时间的关系，本实施例中，在该电芯整体热模型中还设有电芯失效判定条件。具体的，可通过电压判定，当电芯电压在2V左右时，会严重影响电池内部某些材料的结构，同时会发生不必要的副反应，电池的容量衰减会极具上升，造成不可逆的容量损失，因此以电芯电压等于2V作为失效判定边界条件。当然，除了通过电压判定以外，还可通过电芯内部的隔膜熔断作为电芯失效的判定条件，当隔膜温度达到130～140℃时，即判定短路过程失效。

进行上述步骤后，在软件内添加求解器，并进行时间设置，开始计算，得到如图3至图5所示的，短路时短路电阻R0的电压Us、短路电流Is以及电芯的温度随短路时间的变化曲线。

为了进一步探究短路电阻R0对电芯模型的温升曲线、短路电流随短路时间的变化曲线及电芯短路电压随时间的变化曲线的影响，还可改变R0的阻止进行多次模拟，比如可将R0的阻值设为0.001Ω、0.002Ω、0.0035Ω、0.01Ω，以得到不同短路电阻时的结果，本实施例中均在图3至图5中体现。

综上所示，本实施例的锂离子电池外部短路仿真方法，通过对锂离子电池的外部电路情况进行仿真分析，可节省大量研发成本，通过分析还可对电池进行针对性的优化设计，并可预测电池在外部短路情况下的热行为，还可预测电池在不同短路电流下的最大短路时间，从而能帮助制定电池正常使用的安全边界窗口。

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 (7)

1.一种锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、参数获取步骤；

S2、电路模型建立步骤；建立将锂离子电池等效为串接于电路中的发热电阻的电路模型，且所述电路模型中还包括与所述发热电阻串联的短路电阻；

S3、求解步骤；基于步骤S1获取的参数，并基于步骤S2所建立的电路模型关系，建立以锂离子电池剩余电量为变量的偏微分方程，且基于已知的所述锂离子电池初始电量的数据、所述锂离子电池的电压随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据以及所述锂离子电池的电阻随所述锂离子电池剩余电量与初始电量的比值变化的数据，求解出所述短路电阻的电压值及电流值随短路时间的变化数据；

其中，步骤S3中，首先定义变量a＝q_c/q₀；

q_c为电芯剩余电量，q₀为电芯初始电量，a为荷电状态SOC；

Is＝Ue(a)/(R(a)+R0)，U_S＝Ue(a)*R0/(R(a)+R0)；

Is、Us为短路时短路电阻R0两端的电流和电压，Ue和R分别为电芯的开路电压OCV和电芯的内阻，该电芯的内阻与发热电阻R的阻值相等；Ue(a)和R(a)分别表示在荷电状态为a时，电芯的开路电压OCV和电芯的内阻；

其次，在COMSOL软件的PDE模块定义剩余电量q_c为因变量，得到：

e_a为质量系数，d_a为阻尼系数，Γ为守恒通量，f为源相，当ea设置为1，da设置为1，Γ设置为0，源相f设置为-Is时，得到短路电流Is与剩余电量q_c及短路时间的关系：

2.根据权利要求1所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括建立几何热模型步骤：所述几何热模型包括若干并列布置的极组(2)，包覆各所述极组的壳体(1)，以及布置于所述壳体上的正极柱(4)和负极柱(5)，还包括分别构成所述正极柱(4)和所述负极柱(5)与所述极组(2)连接的连接件(3)。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括为几何热模型赋予材质步骤，所述正极柱(4)以及正极柱(4)与所述极组(2)之间的连接件(3)被赋予铝材质，所述负极柱(5)以及所述负极柱(5)与所述极组(2)之间的连接件(3)被赋予铜箔材料，所述壳体(1)被赋予铝材质。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括几何热模型热量求解步骤，所述正极柱(4)和所述负极柱(5)构成所述几何热模型的热源，且所述正极柱(4)和所述负极柱(5)的功率之和随短路时间变化的数据和等于步骤S3所得到的所述短路电阻的电压值及电流值的乘积随短路时间变化的数据。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括热通量设置步骤，该步骤用以建立所述几何热模型外部的空气对流换热模型。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括锂离子电池失效判定步骤，所述电池失效的判定条件为电池电压等于2V。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池外部短路仿真方法，其特征在于：还包括锂离子电池失效判定步骤，所述锂离子电池失效的判定条件为设于所述锂离子电池内部的隔膜的温度达到130～140℃。

Images