CN110110358B - 一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法及装置，涉及一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法和系统，该方法首先建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，再基于原边副边的无线能量传输原理设置用于模拟锂离子电池的模拟单体，然后利用建立生热模型对锂离子电池进行生热估计，再利用生热估计计算所述生热功率，利用锂离子电池生热功率计算生热电流，将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值，进而对所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过获取的模拟单体表面或内部的温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证，从而评估锂离子电池系统的安全性，实现锂离子电池模组热失控管控实验验证。

Description

一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法及装置

技术领域

本发明涉及电池安全领域，具体涉及一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法及装置。

背景技术

锂离子电池的热失控问题是制约电动汽车行业产业化发展的关键问题，单体电池热失控可能导致热蔓延，从而导致热失控电池所在模组、电池箱甚至整车的安全问题，因而必须对热失控导致的热蔓延问题加以研究与评估。

当前多使用真实锂离子电池单体及模组来模拟热失控引发的热蔓延过程，但这种实验方法为破坏性实验，测试中使用的单体及模组不能够重复使用，且实验过程中产生的高温、火焰等过程可能引发安全问题；而纯模型仿真方法则难以准确模拟电池系统的温度分布，因此无法可靠评价电池模组的热蔓延问题。

发明内容

为了解决现有热失控蔓延过程的模拟多使用真实锂离子电池单体及模组导致不能重复使用且实验过程容易引发的安全问题，本发明了提供一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法，通过无线能量传输控制的原边副边方式模拟锂离子电池的电池模组内某单体发生热失控，根据模拟单体的实际温度采样结果判定该热失控是否会导致热蔓延，从而评估锂离子电池系统的安全性，实现锂离子电池模组热失控管控实验验证。本发明还涉及一种锂离子电池热失控蔓延模拟系统。

本发明技术方案如下：

一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述方法基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，再基于原边副边的无线能量传输原理利用副边及生热元件所在回路分别模拟正常工作下锂离子电池的模拟单体和热失控下锂离子电池的模拟单体，然后利用建立的锂离子电池正常生热预测模型或锂离子电池热失控生热预测模型对锂离子电池进行生热估计，再利用所述生热估计计算所述锂离子电池生热功率，利用所述锂离子电池生热功率计算所述锂离子电池生热电流，将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值，进而对所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过获取的模拟单体表面或内部的温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证。

优选地，所述方法基于锂离子电池电化学反应原理利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压并结合锂离子电池电化学反应过程中的包括电阻热、极耳热和/或可逆热的若干热源以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型再进一步耦合为三维电化学-热-机耦合模型，所述三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型。

优选地，所述方法利用建立的锂离子电池正常生热预测模型进行锂离子电池正常生热估计或利用建立的锂离子电池热失控生热预测模型进行锂离子电池热失控生热估计，在进行生热估计后，将所述生热估计结合温度云图采用微积分原理计算所述锂离子电池正常工作的生热功率或锂离子电池热失控时的生热功率。

优选地，所述方法按照所需要模拟的锂离子电池模组将构建的若干模拟单体组件排列，各模拟单体内的生热元件的生热均通过各自对应的原边进行调节控制。

优选地，所述方法将组件排列的各模拟单体之间设置阻燃材料，进而在判定热失控蔓延时验证阻燃材料对热失控蔓延的阻碍性能。

优选地，所述方法通过无线能量传输方式控制生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池工作和热失控状态下的生热过程，所述无线能量传输基于电流的磁效应与电磁感应原理，通过磁共振传递能量；

和/或，所述生热元件为电阻丝；

和/或，所述方法将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边电流或电压或占空比的期望值，进而对所述原边电流或电压或占空比进行调节实现生热元件模拟生热。

优选地，所述方法在生热元件模拟生热后还对其进行降温控制以模拟锂离子电池在不同温度下的热失控蔓延。

优选地，所述方法通过多个布置在各模拟单体表面或内部的温度传感器感知热失控过程中锂离子电池外表面及内部的温度分布，从而判定锂离子电池热失控蔓延状态。

一种锂离子电池热失控蔓延模拟系统，其特征在于，包括依次连接的生热估计模块、生热模拟装置、生热功率计算模块、生热电流计算模块、调节处理模块、温度测量模块和热失控蔓延判定模块，所述调节处理模块与生热模拟装置相连；

所述生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，并利用建立的模型对锂离子电池进行生热估计；所述生热模拟装置包括与锂离子电池单体传热系数相对应的壳体，在所述壳体内部根据生热预测模型设置用于无线能量传输的副边及生热部件所构建的回路，在所述壳体外部放置用于无线能量传输的原边；所述生热功率计算模块利用所述生热估计计算所述锂离子电池生热功率，所述生热电流计算模块利用所述锂离子电池生热功率计算所述锂离子电池生热电流，所述调节处理模块将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值进而对生热模拟装置的所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块获取模拟单体表面或内部的温度，由所述热失控蔓延判定模块根据温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证。

优选地，所述生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压并结合锂离子电池电化学反应过程中的包括电阻热、极耳热和/或可逆热的若干热源以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型再进一步耦合为三维电化学-热-机耦合模型，所述三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型；所述生热功率计算模块将所述生热估计结合温度云图采用微积分原理计算所述锂离子电池正常工作的生热功率或锂离子电池热失控时的生热功率；

和/或，所述生热模拟装置按照所需要模拟的锂离子电池模组将多个壳体及其内回路形成的若干模拟单体组件排列，且组件排列的各模拟单体之间设置阻燃材料；

和/或，所述系统还包括冷却装置，所述冷却装置与生热模拟装置相连。

本发明技术效果如下：

本发明提供了一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法，利用锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，根据无线能量传输原理将副边及生热元件等形成回路从而建立能够模拟锂离子电池单体正常工作的模拟单体和生热的模拟单体，然后利用锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型对锂离子电池进行生热估计，提高了生热估计的精度，生热估计包括了锂离子电池正常工作生热和热失控状态的生热，通过生热值计算生热功率，在利用生热功率计算对应的生热电流，将计算的所述锂离子电池生热电流作为模拟单体副边电流需求值来计算模拟单体原边电压期望值，按照电压期望值对原边进行调节以实现生热元件模拟生热，从而模拟了正常工作锂离子电池单体及热失控锂离子电池单体的生热过程，最后通过获取的模拟单体表面和内部的温度分布判定热失控蔓延所处状态以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证，可以根据临近锂离子电池的实际温度采样结果判定该热失控是否会导致蔓延，从而评估锂离子电池系统的安全性。本发明由于利用原边副边的无线能量原理来构建锂离子电池的模拟单体进行实验，模拟锂离子电池模组内某单体发生热失控，并非采用真实的锂离子电池单体及模组，故能够重复利用并且消除了安全隐患，提高了实验效率，实现锂离子电池模组热失控管控实验验证。本发明所述方法原理可靠，可以反复模拟锂离子电池热失控蔓延过程，在生热元件模拟生热后还可以通过降温控制模拟锂离子电池在不同温度下的热失控蔓延过程。本发明能够精确模拟锂离子电池热失控过程的热蔓延情况，还可以通过在组件排列的各模拟单体间布置阻燃材料，还可判定热失控蔓延时阻燃材料对热失控蔓延的阻碍性能，进一步提高热失控模拟精度。

本发明还涉及一种锂离子电池热失控蔓延模拟系统，该系统与上述锂离子电池热失控蔓延模拟方法相对应，可理解为是实现上述方法的系统，本系统包括依次连接的生热估计模块、生热模拟装置、生热功率计算模块、生热电流计算模块、调节处理模块、温度测量模块和热失控蔓延判定模块，调节处理模块与生热模拟装置相连，各模块相互配合协同工作，利用了电化学反应原理、电池模组生热机理、无线能量传输原理、电路元件可控生热、热失控机理等等，实现锂离子电池热失控蔓延模拟。本发明热失控蔓延模拟系统结构简单、容易制作、成本较低、模拟精度高，能够满足实验需要，能够可靠评价锂离子电池模组的热蔓延问题。

附图说明

图1为锂离子电池热失控蔓延模拟方法流程图。

图2为锂离子电池热失控蔓延模拟系统内无线能量传输LC式基本原理图。

图3为锂离子电池热失控蔓延模拟系统内电路拓扑结构图。

图4a和图4b分别为模拟的不带阻燃材料和带阻燃材料的锂离子电池模组示意图。

图5为锂离子电池热失控蔓延模拟系统结构图。

具体实施方式

本发明的原理是基于锂离子电池热失控预测模型和锂离子电池正常生热预测模型，结合锂离子电池模拟单体对锂离子电池进行生热估计，再利用生热估计计算锂离子电池生热功率，利用锂离子电池生热功率计算锂离子电池生热电流，以计算得到的参数调节模拟单体以实现其按需求生热，再通过获取的模拟单体表面或内部的温度分布判定热失控蔓延状态以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证。

下面结合附图对本发明的技术方案做详细的说明。

本发明涉及一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法，图1示出了本发明锂离子电池热失控蔓延模拟方法的流程图，具体地，本发明方法首先基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，再基于原边副边的无线能量传输原理利用副边及生热元件所在回路分别模拟正常工作下锂离子电池的模拟单体和热失控下锂离子电池的模拟单体，然后再利用建立的锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型对锂离子电池进行生热估计，再利用所估计生热值计算对应锂离子电池的生热功率，利用锂离子电池生热功率计算锂离子电池生热电流，将计算的锂离子电池生热电流作为模拟单体副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值，进而对所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过获取的模拟单体表面和内部的温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证。

本发明的所述方法利用了锂离子电池生热机理，也可称为锂离子电池模组生热原理，其中，锂离子电池模组生热包括单体锂离子电池正常生热与单体锂离子电池热失控条件下生热。正常单体锂离子电池生热与单体锂离子电池材料非均匀性、老化程度、复杂工况等条件相关。在锂离子电池热失控发生时，锂离子电池内的生热主要包含两部分，即锂离子电池正常电化学反应生热及副反应生热，这时锂离子电池的副反应生热占据生热的主要部分。锂离子电池模组由若干个电池单体组成，其中包含正常工作锂离子电池单体与热失控锂离子电池单体。锂离子电池模组生热可由各模拟单体的生热的综合加以模拟。

所述方法还利用了锂离子电池电化学反应原理，锂离子电池内部生热属于电化学反应的热效应，符合热平衡方程：

上式中，

为导热速率，Q为锂离子电池的总生热速率，ρ为密度，c为锂离子浓度，t为时间，τ为时间常数。总生热速率Q则与锂离子电池的电化学-热模型有关。

常用的锂离子电池发热功率公式为：

上式中，E为平衡状态电池开路电压，U为实际工作电压，I为工作电流；dE/dT为电池反应的熵系数，表示电池电压随温度的变化关系；其具体值可以通过平衡电位法或量热法测量得到；T为电池温度。

对上式进行化简，可得到：

上式右边第一项I²R是电池电阻热，又称不可逆热，该项是由于电池内阻(极化电阻与欧姆电阻)产生的热量。

为电池熵变热，属于可逆热。

锂离子电池热失控副反应生热：

锂离子电池热失控过程中除了正常的可逆热与不可逆热之外，还有因温度升高产生的副反应生热，且该部分副反应热是最重要的生热来源。副反应主要包含SEI膜分解，锂离子电池负极锂与粘结剂反应，正极材料与电解液反应和电解液分解反应等。

综上，基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，进而利用建立的锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型对锂离子电池进行生热估计。进一步地，可以是基于锂离子电池电化学反应原理并利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压等参数结合锂离子电池电化学反应过程中的若干热源(比如电阻热、极耳热和/或可逆热等等)以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型，再进一步将各模型耦合为三维电化学-热-机耦合模型，三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型。也就是说本发明建立的锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型均属于三维电化学-热-机耦合模型。再进行生热功率计算，也就是说分别进行了正常生热预测模型生热功率计算和热失控生热预测模型生热功率计算，具体地，正常生热预测模型生热功率计算方法：基于锂离子电池电化学反应基本原理，综合考虑锂离子电池电化学反应过程中电阻热、极耳热、可逆热等多种热源，综合考虑锂离子电池电化学反应过程中蠕变、机械应力、各项异性材料等，建立锂离子电池三维电化学-热-机耦合模型，综合考虑多个物理场模拟锂离子电池充放电过程中的生热情况及温度云图，采用微积分原理计算瞬时生热功率；热失控预测模型生热功率计算方法：基于锂离子电池电化学反应基本原理，综合考虑锂离子电池电化学反应过程中电阻热、极耳热、可逆热等多种热源，综合考虑锂离子电池热失控过程中多类副反应产生热量，综合考虑锂离子电池热失控反应过程中局部材料破坏、局部材料分解等，建立锂离子电池三维电化学-热-机耦合模型，综合考虑多个物理场模拟锂离子电池充放电过程中的生热情况及温度云图，采用微积分原理计算瞬时生热功率。

本发明的所述方法还利用了电路元件生热原理：本发明方案中电路元件优选加热电阻，电流流经加热电阻时，电功全部转化为热输出，依据焦耳定律，当生热功率Q及电阻丝阻值R已知时，可计算出加热电流瞬时值。通过调整加热电流值，即可模拟锂离子电池热失控过程。电阻丝的生热功率Q可通过锂离子电池生热模型或锂离子电池内短路模型获得，通过调节模组生热电阻阻值，再配合调整加热电流，实时得到所需的生热功率。

生热电流计算：本发明方案优选加热电阻作为发热元件。模拟单体发热电路拓扑结构如图3所示，图3中电阻R代表发热用电阻丝，电源E为无限能量传输的副边，CT为优选设置的电流传感器，E、R和CT形成回路，加热电流根据焦耳定律计算如下：

加热电阻丝实际阻值与温度相关，且不同加热电阻的温度函数不同，需要结合具体的电阻与温度关系式以确定电阻值。

本发明的所述方法还根据建立的生热预测模型制作模拟锂离子电池的模拟单体，基于原边副边的无线能量传输原理利用副边及生热元件所在回路分别模拟正常工作下锂离子电池的模拟单体和热失控下锂离子电池的模拟单体。无线能量传输原理：本发明方案采用无线能量传输的方式为生热元件供电，减少因导线通过大电流所带来的生热而产生的误差，同时也能使得实验结果更加精确。无线能量传输原理基于电流的磁效应与电磁感应原理，通过磁共振在原边与副边之间传递能量。原边可简化为电压控制的电流源，通过控制原边电压值实现副边的负载电流的改变，期望的实时副边负载电流由生热功率及生热电阻匹配获取。

本方案对于每一个单体组件采用恒流源的方式，通过控制原边电压值，改变副边负载电流值。图2为无线能量传输LC式基本原理图，图2中左半部分是原边，右半部分为副边，由交流电源AC经过整流电路整流后通过感应耦合电路将能量传递到副边的负载R_L中。需要说明的是，图2中的负载R_L即为图3中的加热电阻R。

原边副边间能量传输效率计算公式为：

其中，ω为谐振频率，M为互感，R_L为负载电阻，R₁为原边电阻，R₂为副边电阻。

副边电流大小为：

其中，ω为谐振频率，M为互感，R_L为负载电阻，R₁为原边电阻，R₂为副边电阻，U₁为原边电压。由上式可知，在电路参数及电源频率不变时，副边电流值只与原边电压值相关。在计算得到副边电流后，可计算得到原边电压。副边虽然因自身内阻在交流电驱动下也会发热，但该发热量相对于原边发热量及负载电阻发热量较低，故而可忽略不计。

本发明方法可以按照所需要模拟的锂离子电池模组的电池单体排列布置将构建的若干模拟单体组件排列配置，如图4a所示，以模拟9个锂离子电池模拟单体为例，E1、E2…E9均理解为是图3所示回路，即模拟单体，各模拟单体内的生热元件的生热均通过各自对应的原边进行调节控制；此外，进一步优选地，还可以如图4b所示，在依照需求在排列配置的各模拟单体之间设置阻燃材料以判定锂离子电池热失控蔓延时验证阻燃材料对热失控蔓延的阻碍性能，阻燃材料包括毛毡和气凝胶。

本发明方法通过无线能量传输方式控制生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池正常工作和热失控状态下的生热过程，无线能量传输基于电流的磁效应与电磁感应原理，通过磁共振传递能量，其中生热元件优选为生热电阻，本方法中将计算得到的锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边电流或电压或占空比的期望值，进而对所述原边电流或电压或占空比进行对应调节实现生热元件模拟生热。

本发明方法中在生热元件模拟生热后通过对其进行降温控制可以模拟锂离子电池在不同温度下的热失控蔓延，降温控制通过冷却系统实现，优选地，冷却系统具体包括风冷系统、液冷系统和直冷系统。

本发明方法通过多个布置在各模拟单体表面或内部的温度传感器实时感知热失控过程中模拟单体外表面及内部的温度分布，从而判定锂离子电池热失控蔓延状态。优选地，锂离子电池热失控的判断标准包括：单位时间内锂离子电池平均温度超过许用值；单位时间内锂离子电池最高温度超过许用值；单位时间内锂离子电池温升速率超过许用值；单位时间内锂离子电池容量降低速率超过许用值；单位时间内锂离子电池电化学反应副产物气体浓度超过许用值等。

应用本发明方法的具体实验方案的模拟单体的布置阵列参考图4所示：

1.生热元件模拟生热后不进行降温控制，即无辅助冷却系统，模拟单体间无阻燃材料；判定标准，模拟单体生热速率超过1℃/s；测试环境：室温25摄氏度，相对湿度50％，大气压力1atm。

实验内容：设定模拟单体E1发生热失控，持续监测模拟单体E2、E4、E5温度及温升速率。当检测到模拟单体E2生热速率超过1℃/s时，认为模拟单体E2发生热失控蔓延，并检测模拟单体E1、E3温度及温升速率，直至所有模拟单体均发生热失控蔓延现象。

2.生热元件模拟生热后对其进行降温控制，即有冷却系统比如采用液冷辅助散热系统，模拟单体间无阻燃材料；判定标准，模拟单体最高温度超过120℃；测试环境：室温25摄氏度，相对湿度50％，大气压力1atm。

实验内容：设定模拟单体E7发生热失控，持续监测模拟单体E4、E5、E8温度。当检测到模拟单体E4最高温度超过120℃时，认为模拟单体E4发生热失控蔓延，并检测模拟单体E1、E2温度，直至所有模拟单体均发生热失控蔓延现象。

3.生热元件模拟生热后不进行降温控制，即无辅助冷却系统，模拟单体间使用气凝胶作为阻燃材料；判定标准，模拟单体压降超过其他模拟单体压降1V；测试环境：室温25摄氏度，相对湿度50％，大气压力1atm。

实验内容：设定模拟单体E4发生热失控，持续监测模拟单体E1、E2、E5、E7、E8温度电压。当检测到模拟单体E5压降超过其他单体1V时，认为模拟单体E5发生热失控蔓延，并检测模拟单体E3、E6、E9温度，直至所有模拟单体均发生热失控蔓延现象。

4.生热元件模拟生热后对其进行降温控制，即有冷却系统比如采用直冷辅助散热系统，模拟单体间使用气凝胶作为阻燃材料；判定标准：模拟单体最高温度超过120度且电池生热速率超过1℃/s；测试环境：室温25摄氏度，相对湿度50％，大气压力1atm。

实验内容：设定模拟单体E5发生热失控，持续监测所有模拟单体温度及温升速率。当检测到模拟单体E2生热速率超过1℃/s但最高温度持续低于120℃时可认为热失控蔓延尚未发生，持续监测所有模拟单体温度及温升速率，直至模拟单体电容量下降至0或直至所有单体均发生热失控蔓延现象。

热失控蔓延模拟原理：当模拟锂离子电池热失控过程时，装置内包含模拟正常工作电池的模拟单体与模拟热失控电池的模拟单体，通过调整无线传输装置的原边，可根据生热模型实时调节模拟单体的生热功率；通过温度传感器可得到模拟单体的表面温度及内部温度，从而判定模拟模组是否出现热蔓延现象。

本发明方案在建立单体电池生热模型及单体电池热失控组件基础上，通过模拟单体按需求电池包结构阵列排列的方法，将模拟单体按照实际锂离子电池组的电池单体布置方式布置。如图4b所示，按照需要将模拟单体组件排列成组，在模组内各模拟单体组件之间安装阻燃材料，则可以验证阻燃材料对热失控蔓延的阻碍性能。在模拟系统上安装冷却系统，进行降温控制，则可实现对应不同温度的锂离子电池散热过程的模拟。

本发明还公开的一种锂离子电池热失控蔓延模拟系统，参照图5所示，本系统包括依次连接的生热估计模块、生热模拟装置、生热功率计算模块、生热电流计算模块、调节处理模块、温度测量模块和热失控蔓延判定模块，所述调节处理模块与生热模拟装置相连；其中，生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，并利用建立的模型对锂离子电池进行生热估计；生热模拟装置包括与锂离子电池单体传热系数相对应的壳体，在所述壳体内部根据生热预测模型设置用于无线能量传输的副边及生热部件所构建的回路，壳体及其内部回路分别构建模拟正常工作下锂离子电池的模拟单体和热失控下锂离子电池的模拟单体，在所述壳体外部放置用于无线能量传输的原边；生热功率计算模块利用所述生热估计计算锂离子电池生热功率，生热电流计算模块利用锂离子电池生热功率计算锂离子电池生热电流，调节处理模块将计算的锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值进而对生热模拟装置的原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块获取模拟单体表面或内部的温度，由热失控蔓延判定模块根据温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证。

优选地，本系统中生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压并结合锂离子电池电化学反应过程中的包括电阻热、极耳热和/或可逆热的若干热源以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型再进一步耦合为三维电化学-热-机耦合模型，三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型；生热功率计算模块将所述生热估计结合温度云图采用微积分原理计算所述锂离子电池正常工作的生热功率或锂离子电池热失控时的生热功率；本发明所述系统利用了电化学反应原理、电池模组生热机理、无线能量传输原理、电路元件可控生热、热失控机理等等，可参考图2和图3所示以及本发明前述方法中的各相关原理介绍。优选地，如图4a所示，生热模拟装置按照所需要模拟的锂离子电池模组将多个壳体及其内回路形成的若干模拟单体组件排列，进一步如图4b所示在组件排列的各模拟单体之间设置阻燃材料；优选地，本系统还包括冷却装置，所述冷却装置与生热模拟装置相连，冷却装置用于实现不同温度下的锂离子电池热失控蔓延模拟。本系统可以多次反复应用于锂离子电池热失控蔓延模拟实验中，还可模拟不同SOC、不同SOH及不同工况下的锂离子电池热失控过程；通过多个温度传感器的设置能便捷感知热失控过程时电池外表面及内部的温度分布，从而及时确定锂离子电池热失控蔓延的实时状态。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述方法基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，再基于原边副边的无线能量传输原理利用副边及生热元件所在回路分别模拟正常工作下锂离子电池的模拟单体和热失控下锂离子电池的模拟单体，然后利用建立的锂离子电池正常生热预测模型或锂离子电池热失控生热预测模型对锂离子电池进行生热估计，再利用所述生热估计计算所述锂离子电池生热功率，利用所述锂离子电池生热功率计算所述锂离子电池生热电流，将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值，进而对所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过获取的模拟单体表面或内部的温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证；

所述方法通过无线能量传输方式控制生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池工作和热失控状态下的生热过程，所述无线能量传输基于电流的磁效应与电磁感应原理，通过磁共振传递能量；

所述方法将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边电流或电压或占空比的期望值，进而对所述原边电流或电压或占空比进行调节实现生热元件模拟生热。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述方法基于锂离子电池电化学反应原理利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压并结合锂离子电池电化学反应过程中的包括电阻热、极耳热和/或可逆热的若干热源以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型再进一步耦合为三维电化学-热-机耦合模型，所述三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，利用建立的锂离子电池正常生热预测模型进行锂离子电池正常生热估计或利用建立的锂离子电池热失控生热预测模型进行锂离子电池热失控生热估计，在进行生热估计后，将所述生热估计结合温度云图采用微积分原理计算所述锂离子电池正常工作的生热功率或锂离子电池热失控时的生热功率。

4.根据权利要求1至3之一所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，按照所需要模拟的锂离子电池模组将构建的若干模拟单体组件排列，各模拟单体内的生热元件的生热均通过各自对应的原边进行调节控制。

5.根据权利要求4所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，将组件排列的各模拟单体之间设置阻燃材料，进而在判定热失控蔓延时验证阻燃材料对热失控蔓延的阻碍性能。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述生热元件为电阻丝。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述方法在生热元件模拟生热后还对其进行降温控制以模拟锂离子电池在不同温度下的热失控蔓延。

8.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控蔓延模拟方法，其特征在于，所述方法通过多个布置在各模拟单体表面或内部的温度传感器感知热失控过程中锂离子电池外表面及内部的温度分布，从而判定锂离子电池热失控蔓延状态。

9.一种锂离子电池热失控蔓延模拟系统，其特征在于，包括依次连接的生热估计模块、生热模拟装置、生热功率计算模块、生热电流计算模块、调节处理模块、温度测量模块和热失控蔓延判定模块，所述调节处理模块与生热模拟装置相连；

所述生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理并结合锂离子电池电化学反应过程中的热源以及锂离子电池生热机理分别建立锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型，并利用建立的模型对锂离子电池进行生热估计；所述生热模拟装置包括与锂离子电池单体传热系数相对应的壳体，在所述壳体内部根据生热预测模型设置用于无线能量传输的副边及生热部件所构建的回路，在所述壳体外部放置用于无线能量传输的原边；所述生热功率计算模块利用所述生热估计计算所述锂离子电池生热功率，所述生热电流计算模块利用所述锂离子电池生热功率计算所述锂离子电池生热电流，所述调节处理模块将计算的所述锂离子电池生热电流作为副边电流需求值来计算原边相应参数的期望值进而对生热模拟装置的所述原边相应参数进行调节实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块获取模拟单体表面或内部的温度，由所述热失控蔓延判定模块根据温度分布判定热失控蔓延以完成锂离子电池热失控蔓延模拟验证；

所述系统还包括冷却装置，所述冷却装置与生热模拟装置相连。

10.根据权利要求9所述的锂离子电池热失控蔓延模拟系统，其特征在于，所述生热估计模块基于锂离子电池电化学反应原理利用锂离子电池SOC、锂离子电池SOH、锂离子电池外形和电池标称电压并结合锂离子电池电化学反应过程中的包括电阻热、极耳热和/或可逆热的若干热源以及锂离子电池生热机理建立锂离子电池电化学模型、锂离子电池产热传热模型和锂离子电池老化模型再进一步耦合为三维电化学-热-机耦合模型，所述三维电化学-热-机耦合模型包括锂离子电池正常生热预测模型和锂离子电池热失控生热预测模型；所述生热功率计算模块将所述生热估计结合温度云图采用微积分原理计算所述锂离子电池正常工作的生热功率或锂离子电池热失控时的生热功率；

和/或，所述生热模拟装置按照所需要模拟的锂离子电池模组将多个壳体及其内回路形成的若干模拟单体组件排列，且组件排列的各模拟单体之间设置阻燃材料。

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