CN110148336B - 一种锂离子电池充电过程故障模拟方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种锂离子电池充电过程故障模拟方法和装置，该方法先建立锂离子电池热失控预测模型，利用锂离子电池热失控预测模型进行生热估计，再基于原边副边的无线能量传输原理设置锂离子电池的模拟单体，计算模拟单体相应参数的期望值，再对原边相应参数进行调节，从而实现模拟单体对对应条件下锂离子电池的充电发热故障的精确模拟，对模拟单体进行采样获得温度场分布并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数，循环上述步骤以完成锂离子电池充电过程故障模拟。本发明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充电过程发生热失控，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。

Description

一种锂离子电池充电过程故障模拟方法和装置

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充电过程故障模拟方法和装置。

背景技术

电动汽车热管理技术已经成为制约电动汽车技术发展以及安全性提高的重要因素之一。锂离子电池在充电过程中会遇到热问题，导致产生热失控的可能，从而导致锂离子电池包燃烧，危害整车安全。

目前针对于单体锂离子电池充电过程中热失控的仿真及实验装置不能很好地满足整车对于安全性的需要。目前的热失控实验有的采用针刺等极端条件诱发电池热失控，但该过程不可控，且该过程较复杂，无法满足实验要求。

发明内容

针对现有单体锂离子电池充电过程中热失控的仿真及实验装置不能很好地满足整车对于安全性的需要、易诱发不可控热失控且过程复杂，难以满足实验要求等问题，本发明提供了一种锂离子电池充电过程故障模拟方法，充分模拟锂离子电池充电过程中热失控，并进一步针对于具体的动态边界条件模拟温度场，能够提高锂离子电池热失控模拟实验精度和安全性。本发明还涉及一种锂离子电池充电过程故障模拟装置。

本发明技术方案如下：

一种锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法包括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建立锂离子电池热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，并利用所述锂离子电池热失控预测模型进行生热计算获得锂离子电池生热功率，还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建立锂离子电池的模拟单体，根据所述锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边理论电流值进而计算原边相应参数的期望值，再对所述原边相应参数进行调节实现模拟单体中的生热元件模拟生热，再对模拟单体温度进行采样并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数，循环上述过程以完成锂离子电池充电过程故障模拟。

优选地，所述方法在计算所述模拟单体副边电流值后，依据所述模拟单体副边电流值和模拟单体间的无线传输效率计算所述模拟单体原边电流值，利用计算得所述模拟单体原边电流值与电源输出电流值计算占空比，调节占空比大小以获取需要原边电流值以实现模拟单体中的生热元件模拟生热。

优选地，所述方法还包括进行不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟，在对模拟单体温度进行采样后，施加动态边界条件输入至锂离子电池热失控预测模型以修正模拟单体的生热功率，通过改变动态边界条件参数获取模拟单体在不同动态边界条件下的生热情况，再进行模拟单体温度采样计算其在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。

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热失控模型和锂离子电池生热模型，再结合锂离子电池电路模型耦合得到的锂离子电池热失控预测模型为三维电化学-热-机耦合模型。

优选地，所述方法中锂离子电池生热功率是利用所述锂离子电池热失控预测模型进行生热估计再将所述生热估计结合温度云图并采用微积分原理计算获得的。

优选地，所述方法按照所需要模拟的锂离子电池模组的结构设置将若干模拟单体排列布置，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；

和/或，所述方法通过无线能量传输方式控制模拟单体内生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池发生充电故障时的生热，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，通过原边电流与电源输出电流之比以计算占空比，进而对所述原边电流按占空比进行调节获取需要的原边电流值以实现对应条件下的生热元件模拟生热。

优选地，所述方法对模拟单体温度进行采样是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锂离子电池充电故障过程中外表面及内部的温度分布。

一种锂离子电池充电过程故障模拟装置，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、温度测量模块和充电过程故障判定模块，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建立锂离子电池热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，并利用建立的所述锂离子电池热失控预测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所述锂离子电池热失控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生热估计的结果计算所述锂离子电池的生热功率，所述生热电流计算模块利用所述锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边电流值并依据对应条件下的无线能量传输效率计算对应原边的电流值；所述调节处理模块将计算的原边电流值按占空比进行调节以获取原边电流期望值进而对充电故障模拟装置的所述原边电流进行调节以实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块对模拟单体进行温度采样并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边电流，由所述充电过程故障判定模块根据温度分布判定锂离子电池过程故障情况。

优选地，所述充电过程故障模拟装置还包括动态边界条件控制模块，所述动态边界条件控制模块与所述温度测量模块相连，所述动态边界条件控制模块采用冷却装置来提供不同的动态边界条件，通过动态边界条件的改变获取模拟锂离子电池在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。

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热失控模型和锂离子电池生热模型，再结合锂离子电池电路模型耦合得到的锂离子电池热失控预测模型为三维电化学-热-机耦合模型；所述生热功率计算模块利用生热估计的结果结合温度云图采用微积分原理计算获得锂离子电池的生热功率；

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。

本发明技术效果如下：

本发明提供了一种锂离子电池充电过程故障模拟方法，利用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热失控模型和锂离子电池生热模型，进一步结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，通过特定技术以及相应参数所建立的锂离子电池热失控预测模型能够准确地进行生热估计，提高了生热功率计算精度，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建立模拟充电故障状态下的锂离子电池的模拟单体，根据所述锂离子电池理论生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边电流值，因能量传输效率也表征了电流的传输效率，依据所述模拟单体副边电流值和对应条件下的模拟单体间的无线传输效率计算所述模拟单体原边相应参数的期望值，比如原边的电流值、电压值、占空比等等，进一步地，可利用计算得所述模拟单体原边电流值与电源输出电流值计算原边占空比，通过逆变器改变占空比大小即可满足原边电流的需求，从而实现模拟单体对对应条件下锂离子电池的充电发热故障的精确模拟，对模拟单体温度进行采样获得特定条件下锂离子电池的温度场分布并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数，循环上述步骤以完成锂离子电池充电过程故障模拟。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充电过程发生热失控，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充电过程故障——热失控模拟和管控实验验证，能够提高锂离子电池热失控模拟实验精度和安全性。

本发明所述方法原理可靠，可以反复模拟锂离子电池充电过程故障情况，在生热元件模拟生热后还可以通过改变动态边界条件(可通过冷却装置来实现)模拟锂离子电池在不同环境下的充电过程故障情况。本发明能够精确模拟锂离子电池在不同充电电压、不同充电电流、不同SOC、不同SOH及不同温度等各种情况下的充电热失控过程，采用无线传输方式为热源供电模拟热失控，避免了复杂的接线设备，便于实验过程中的调试，进一步提高模拟精度。

本发明还涉及一种锂离子电池充电过程故障模拟装置，该装置与上述锂离子电池充电过程故障模拟模拟方法相对应，可理解为是实现上述方法的装置，本装置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、温度测量模块和充电过程故障判定模块，还可进一步包括动态边界条件控制模块，所述动态边界条件控制模块与所述温度测量模块相连，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，实现锂离子电池充电故障模拟。本发明故障模拟装置结构简单、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充电故障时的热失控问题。

附图说明

图1为锂离子电池充电过程故障模拟方法的流程图。

图2为锂离子电池二阶LC电学模型示意图。

图3为模拟单体结构示意图。

图4为无线能量传输基本原理图。

图5为优选的模拟单体摆放阵列的示意图。

图中各标号列示如下：1—温度传感器；2—模拟单体外壳；3—填充物；4—生热电阻；5—副边电感线圈；6—原边电感线圈；7—原边电压源；8—冷媒进口管道；9—散热底板；10—冷媒出口管道；11—模拟单体；12—原边整流电路；13—高频逆变器；14—感应耦合电路；15—副边整流电路。

具体实施方式

本发明的原理是先建立特定的锂离子电池热失控预测模型，利用锂离子电池热失控预测模型进行生热估计，再设置用于模拟锂离子电池的模拟单体，计算模拟单体相应参数的期望值，基于原边副边的无线能量传输原理通过调节逆变器满足实验的需求，从而实现模拟单体对对应条件下锂离子电池的充电发热故障的精确模拟，对模拟单体进行采样获得温度场分布并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数，循环上述步骤以完成锂离子电池充电过程故障模拟。具体是基于所建立的锂离子电池热失控模型和锂离子电池生热模型等耦合得到锂离子电池热失控预测模型，创建锂离子电池模拟单体并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，以计算得到的相关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的温度分布以模拟锂离子电池充电故障时的热分布情况以确定锂离子电池充电过程故障。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充电过程发生热失控，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。

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充电故障模拟方法，图1示出了本发明锂离子电池充电过程故障模拟方法的流程图，参考图1所示，本发明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建立锂离子电池热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，并利用所述锂离子电池热失控预测模型进行生热计算获得锂离子电池于对应条件下的生热功率，之后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建立用于模拟锂离子电池的模拟单体，根据计算得锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边理论电流值进而计算原边相应参数的期望值，原边相应参数可以是原边对应电流值、电压值、或占空比等参数，再对所述原边相应参数进行调节实现模拟单体中的生热元件模拟生热，再通过温度传感器对模拟单体温度进行采样并返回采样结果于锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数修正锂离子电池故障模拟过程，循环上述过程以完成锂离子电池充电过程故障模拟。

锂离子电池过充可能会导致热失控的发生，但由于过充导致的热失控存在一定偶然性，因此可设置不同SOC、不同过充电压、不同锂离子电池老化情况、不同充电电流等各种不同条件参数下锂离子电池充电故障热失控的可能情况，并模拟对应条件下的锂离子电池热失控的生热传热过程。参考图2所示，图2提供了锂离子电池二阶电学模型，锂离子电池二阶RC模型的数学表达如下：

其中，U₀为实际输出电压，Uo_c为开路电压，R₁、C₁用于模拟短时时间常数，R₂、C₂用于模拟长时时间常数，U_R为内阻。

锂离子电池生热分析：锂离子电池热失控过程生热主要包含两部分，即锂离子电池内部主反应热和锂离子电池副反应生热。主反应热指锂离子电池正常生热，主要包含欧姆热、极耳热、可逆热等部分。副反应热是因为锂离子电池内部温度升高导致电池副反应速度加快，导致副反应大量生热，该部分热是锂离子电池发生充电故障时产热的主要热源。锂离子电池充电故障引发热失控过程中的主要生热来自于因高温环境产生的副反应，主要包含电解液分解、正极材料与电解液发生反应、锂与粘结剂发生反应、SEI膜受热分解等过程，上述四个过程为主要的副反应。

本发明通过无线能量传输方式控制模拟单体内生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池发生充电故障时的生热，该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。图3示出了用于模拟锂离子电池的模拟单体结构示意图，参考图3所示，模拟单体采用无线能量传输原理对生热元件供能，使生热元件按需求功率发热。在计算得到生热元件理论生热功率后计算模拟单体副边需求电流，进而计算原边需求电压，通过调节原边电压值改变原边电流值，进而改变副边电流值，再通过改变副边电阻生热功率，这里的生热元件优选生热电阻，如采用电阻丝。

模拟单体主要包括布置于模拟单体外表面的温度传感器1、模拟单体外壳2、导热系数与实际电池接近的填充物3、生热电阻4、副边电感线圈5、原边电感线圈6和原边电压源7。其中，温度传感器1可以采用热敏电阻形式温度传感器，热敏电阻通过感受温度变化产生电压值，通过检测该电压值可计算出热敏电阻表明温度，进而计算出温度传感器布置点的温度值。模拟单体外壳2采用与锂离子电池外壳材料导热系数相近的材料制成，以更精确模拟真实锂离子电池的传热性能。填充物3采用与锂离子电池材料导热系数相近的材料制成，根据所要模拟的锂离子电池的导热系数不同选择不同材料，用于精确模拟真实锂离子电池的传热性能。生热电阻4和副边电感线圈5形成回路，生热电阻4通过电加热方式生热以模拟锂离子电池生热，生热电阻4可布置在模拟单体电池内各处，或采用并联、串联等形式加强局部生热以使得生热效果更加明显。副边电感线圈5和原边电感线圈6通过互感原理传输能量，电感可储存电流变化所引起的磁场，进而电感线圈两侧通过互感原理传递能量。原边电压源7可采用直流电压源或交流电压源，原边电压源7通过改变有效电流值改变副边电流。

本发明方法中在计算模拟单体副边电流值后，依据模拟单体副边电流值和模拟单体间的无线传输效率计算模拟单体原边电流值，利用计算得模拟单体原边电流值与电源输出之比作为计算占空比，调节占空比大小以获取实验需要的原边电流值以实现模拟单体中的生热元件模拟生热。

图4示出了本发明中无线能量传输基本原理图，参考图4所示，感应耦合电路左边为原边，电源经过原边整流电路12整流后通过感应耦合电路14将能量传递到副边的与副边整流电路15连接的负载R中，高频逆变器13用于调节原边电流大小。

由于电路采用恒压源方式连接，故而负载功率与电流大小成正比，从而能量传输效率也表征了电流的传输效率。能量传输效率计算公式为：

其中，P_out代表副边功率值，P_in代表原边功率值。

故而原边电流计算公式为：

I_in＝I_out/η

其中，I_in代表原边电流值，I_out代表副边电流值。

原边电流大小由高频逆变器的占空比控制。占空比的计算方式为：

上式中，I_all代表交流电源的输出电流值，I_in为原边所需电流值。通过逆变器改变占空比大小即可满足原边电流的需求。其中，副边自身内阻虽然也会发热，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。

本发明方法还包括进行不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟，在对模拟单体温度进行采样后，施加动态边界条件输入至锂离子电池热失控预测模型以修正模拟单体的生热功率，通过改变动态边界条件参数获取模拟单体在不同动态边界条件下的生热情况，再进行模拟单体温度采样计算其在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。动态边界条件用于模拟锂离子电池充电故障发生时的外界环境条件，改变动态边界条件用于模拟不同外界环境条件对锂离子电池充电故障的影响。

优选地，可以在模拟装置(或称为生热模拟装置，也可称为模拟单体装置)外部设置冷却系统等设备会实时改变热失控模拟实验的边界条件，称为动态边界条件。通过热失控模型可根据动态边界条件在线修正此刻的发热功率。本方法在应用初始边界条件计算得到加热电流之后，通过温度传感器获取当前电阻丝表面温度，将其作为边界条件输入至热失控模型，重新计算得到发热功率，进而计算修正生热电流，控制生热元件发热以正确反映模拟单体表面温度。

本专利可模拟不同边界条件下充电过程中热失控过程，可满足不同外界环境条件下热失控实验的需要。本发明同时考虑模拟装置对外传热的过程，在精确模拟锂离子电池生热过程之后，为了使模拟装置外侧更精确的表征锂离子电池表面温度分布，模拟装置采用与待模拟锂离子电池相似传热系数的导热材料制成。故而在锂离子电池外表面可以获得精确的锂离子电池热失控温度场分布。

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生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型。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热失控模型和锂离子电池生热模型，再进一步结合锂离子电池电路模型，耦合得到锂离子电池热失控预测模型，本发明建立的锂离子电池热失控预测模型属于三维电化学-热-机耦合模型。之后再进行生热功率计算，具体地计算方法：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充电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。

本发明方法按照所需要模拟的锂离子电池模组的结构设置将若干模拟单体排列布置，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。图5提供了一种模拟单体摆放阵列的示意图，参考图5所示，按照实际的锂离子电池组的排列布置设置模拟单体，冷媒进口管道8、散热底板9、冷媒出口管道10共同构成边界条件控制系统，模拟单体11设置于其上。

本发明方法对模拟单体温度进行采样是通过多个布置在模拟单体表面或内部的温度传感器感知锂离子电池充电故障过程中外表面及内部的温度分布而获得的。

本发明还包括一种锂离子电池充电过程故障模拟装置，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、温度测量模块和充电过程故障判定模块，其中调节处理模块与生热模拟装置相连；

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建立锂离子电池热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，并利用建立的所述锂离子电池热失控预测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所述锂离子电池热失控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；生热功率计算模块利用生热估计的结果计算所述锂离子电池的生热功率，生热电流计算模块利用所述锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边电流值并依据对应条件下的无线能量传输效率计算对应原边的电流值；调节处理模块将计算的原边电流值按占空比进行调节以获取原边电流期望值进而对充电故障模拟装置的所述原边电流进行调节以实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块对模拟单体进行温度采样并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边电流，最后充电过程故障判定模块根据温度分布判定锂离子电池过程故障情况。

本发明锂离子电池充电过程故障模拟装置还包括动态边界条件控制模块，动态边界条件控制模块与温度测量模块相连，动态边界条件控制模块优选采用冷却装置来提供不同的动态边界条件，通过动态边界条件的改变获取模拟锂离子电池在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。

优选地，本发明锂离子电池充电过程故障模拟装置的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热失控模型和锂离子电池生热模型，再结合锂离子电池电路模型耦合得到的锂离子电池热失控预测模型为三维电化学-热-机耦合模型；生热功率计算模块利用生热估计的结果结合温度云图采用微积分原理计算获得锂离子电池的生热功率；和/或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。

本发明可用于锂离子电池充电故障过程中热失控温度分布的精确再现，有利于研究复杂工况及动态边界条件下锂离子电池温度分布，为锂离子电池充电故障过程中热失控安全实验验证提供了较为安全的手段。本发明所述的方法和装置相应采用的方案可模拟不同充电电压、不同充电电流、不同SOC、不同SOH及不同温度等情况下的充电故障热失控过程；本发明方案采用无线传输方式，避免了复杂的接线设备，便于调试，且可多次反复应用于锂离子电池充电故障模拟过程中，一定程度上节约了实验成本。

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 (8)

1.一种锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法包括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热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，所述锂离子电池热失控预测模型为锂离子电池三维电化学-热-机耦合模型，并利用所述锂离子电池热失控预测模型进行生热计算获得锂离子电池生热功率， 还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建立锂离子电池的模拟单体，根据所述锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边理论电流值进而计算原边相应参数的期望值，再对所述原边相应参数进行调节实现模拟单体中的生热元件模拟生热，再对模拟单体温度进行采样并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边相应参数，循环上述过程以完成锂离子电池充电过程故障模拟；

所述模拟单体包括布置于模拟单体外表面的温度传感器、模拟单体外壳、导热系数与实际电池接近的填充物、生热电阻、副边电感线圈、原边电感线圈和原边电压源；其中，模拟单体外壳采用与锂离子电池外壳材料导热系数相近的材料制成，以更精确模拟真实锂离子电池的传热性能，填充物采用与锂离子电池材料导热系数相近的材料制成，根据所要模拟的锂离子电池的导热系数不同选择不同材料，用于精确模拟真实锂离子电池的传热性能；原边电压源采用直流电压源或交流电压源，通过改变有效电流值改变副边电流；并通过改变动态边界条件参数获取模拟单体在不同动态边界条件下的生热情况；

所述方法在计算所述模拟单体副边电流值后，依据所述模拟单体副边电流值和模拟单体间的无线传输效率计算所述模拟单体原边电流值，利用计算得所述模拟单体原边电流值与电源输出电流值计算占空比，调节占空比大小以获取需要原边电流值以实现模拟单体中的生热元件模拟生热。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法还包括进行不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟，在对模拟单体温度进行采样后，施加动态边界条件输入至锂离子电池热失控预测模型以修正模拟单体的生热功率，通过改变动态边界条件参数获取模拟单体在不同动态边界条件下的生热情况，再进行模拟单体温度采样计算其在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法中锂离子电池生热功率是利用所述锂离子电池热失控预测模型进行生热估计再将所述生热估计结合温度云图并采用微积分原理计算获得的。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法按照所需要模拟的锂离子电池模组的结构设置将若干模拟单体排列布置，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；

和/或，所述方法通过无线能量传输方式控制模拟单体内生热元件供电和产热，以模拟锂离子电池发生充电故障时的生热，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。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池充电过程故障模拟方法，其特征在于，所述方法对模拟单体温度进行采样是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锂离子电池充电故障过程中外表面及内部的温度分布。

6.一种锂离子电池充电过程故障模拟装置，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、温度测量模块和充电过程故障判定模块，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热失控模型和锂离子电池生热模型，将锂离子电池生热模型和锂离子电池热失控模型结合锂离子电池电路模型耦合得到锂离子电池热失控预测模型，所述锂离子电池热失控预测模型为锂离子电池三维电化学-热-机耦合模型，并利用建立的所述锂离子电池热失控预测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所述锂离子电池热失控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生热估计的结果计算所述锂离子电池的生热功率，所述生热电流计算模块利用所述锂离子电池生热功率和模拟单体阻值计算所述模拟单体副边电流值并依据对应条件下的无线能量传输效率计算对应原边的电流值；所述调节处理模块将计算的原边电流值按占空比进行调节以获取原边电流期望值进而对充电故障模拟装置的所述原边电流进行调节以实现生热元件模拟生热，再通过温度测量模块对模拟单体进行温度采样并返回锂离子电池热失控预测模型再次进行生热计算进而再次调节原边电流，由所述充电过程故障判定模块根据温度分布判定锂离子电池过程故障情况；

所述模拟单体包括布置于模拟单体外表面的温度传感器、模拟单体外壳、导热系数与实际电池接近的填充物、生热电阻、副边电感线圈、原边电感线圈和原边电压源；其中，模拟单体外壳采用与锂离子电池外壳材料导热系数相近的材料制成，以更精确模拟真实锂离子电池的传热性能，填充物采用与锂离子电池材料导热系数相近的材料制成，根据所要模拟的锂离子电池的导热系数不同选择不同材料，用于精确模拟真实锂离子电池的传热性能；原边电压源采用直流电压源或交流电压源，通过改变有效电流值改变副边电流；并通过改变动态边界条件参数获取模拟单体在不同动态边界条件下的生热情况。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池充电过程故障模拟装置，其特征在于，所述充电过程故障模拟装置还包括动态边界条件控制模块，所述动态边界条件控制模块与所述温度测量模块相连，所述动态边界条件控制模块采用冷却装置来提供不同的动态边界条件，通过动态边界条件的改变获取模拟锂离子电池在对应动态边界条件下的生热功率以完成不同动态边界条件下的锂离子电池充电过程故障模拟。

8.根据权利要求6所述的锂离子电池充电过程故障模拟装置，其特征在于，所述生热功率计算模块利用生热估计的结果结合温度云图采用微积分原理计算获得锂离子电池的生热功率；

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。

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