CN110826240B - 一种二次蓄电池仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种二次蓄电池仿真方法，包含：获取蓄电池的制造差异分布；选取参数；分割成多个微小仿真单元，包含卷心包、卷绕面、电化学单元和粒子层级；排布并联微小仿真单元；仿真开始，输入工作电流、起始电量、温度和截止条件；依次计算各个层级的分支电流；计算粒子层级的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；计算电化学单元层级的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；计算粒子层级的电化学反应并将平均电位与发热量返回到电化学单元层级；计算电化学单元层级热平衡并返回温度变化量；判断是否满足截止条件，若是，仿真结束，若否，则返回重新计算直至满足，仿真结束。本发明的仿真方法贴近实际高容量或大几何尺寸的二次蓄电池的电化学行为。
Description
技术领域
本发明涉及蓄电池仿真领域，特别涉及一种二次蓄电池仿真方法。
背景技术
蓄电池在规定条件下放出的电量多少或放电时间长短称为蓄电池容量。目前，受到市场需求，大几何尺寸的高容量二次蓄电池逐渐成为主流。大几何尺寸的高容量蓄电池与小尺寸容量电池相比，制造差异与温度场分布对蓄电池的影响将特别显着，使得二次蓄电池的电化学仿真行为逐渐偏离实验结果，现有的仿真技术渐渐难以实现高精度仿真水平。例如传统的伪二维电化学模型(P2D模型，Pseudo 2 Dimensional ElectrochemicalModel)未考虑了制造差异与几何结构带来的影响，难以实现仿真结果能与实验相匹配。
基于上述原因，研发一种贴近实际蓄电池的电化学行为(充放电行为)的二次蓄电池仿真方法实为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二次蓄电池仿真方法，通过考虑制造差异与几何结构带来的影响使仿真结果能与实验相匹配，用以解决现有技术中因制造偏差与温度场的影响而导致二次蓄电池的电化学仿真行为逐渐偏离实验结果的问题；本发明的二次蓄电池仿真方式贴近实际蓄电池的电化学行为。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种二次蓄电池仿真方法，包含以下步骤：
S1、获取蓄电池的实际材料制造差异分布；
S2、选取电化学模型参数；
S3、将蓄电池仿真分割，分割成多个微小仿真单元；所述步骤S3中，蓄电池先分割成i个卷心包式的第一层级结构，每个第一层级结构分割成j片卷绕面式的第二层级结构，每片卷绕面分割成k个电化学单元并记为第三层级结构，每个电化学单元分割成n个粒子式的第四层级结构，所述蓄电池被分割成i×j×k×n个所述微小仿真单元；
S4、按照实际蓄电池的几何外型排布所述微小仿真单元且并联所有的微小仿真单元；
S5、电化学仿真计算开始，输入工作电流、起始电量、温度状态和仿真截止条件；
S6、所述工作电流分配到第一层级结构，计算并联的第一层级结构的分支电流；
S7、所述第一层级结构分配到的电流继续分支到所述第二层级结构，计算并联的第二层级结构的分支电流；
S8、所述第二层级结构分配到的电流继续分支到所述第三层级结构，计算并联的第三层级结构的分支电流；
S9、所述第三层级结构分配到的电流继续分支到所述第四层级结构，计算并联的第四层级结构的分支电流；
S10、计算所述第四层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；
S11、计算所述第三层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；
S12、计算所述第四层级结构的电化学反应的平均电位与发热量，并将平均电位与发热量的结果返回到所述第三层级结构；
S13、计算所述第三层级结构的热平衡，并返回计算的温度变化量至第三层级结构和第四层级结构；
S14、判断电压值是否满足截止条件，若满足，则仿真结束，若不满足，则返回到步骤S6循环进行，直至满足截止条件，仿真结束。
优选地，所述步骤S1中，通过实际材料制造差异分布得到制造差异分布函数；所述制造差异分布函数如下：
其中，x表示参数，μ表示参数的均值，σ表示参数的标准差。
优选地，所述步骤S2中，从所述制造差异分布函数中随机取值作为电化学模型参数值，选取的模型参数包含有电极颗粒尺寸、电极孔隙率、电极涂布密度、电解液浓度和隔离膜孔隙率。
优选地，所述步骤S4中，进一步包含：
将获取的模型参数带入所述第四层级结构，且将多个所述第四层级结构并联合成所述第三层级结构，将多个所述第三层级结构并联合成所述第二层级结构，将多个所述第二层级结构并联合成所述第一层级结构，最后将多个所述第一层级结构并联构成蓄电池。
优选地，所述的二次蓄电池仿真方法进一步包含：并联的所有层级单元满足克希合夫电流定律与电压定律的验证条件。
优选地，所述的二次蓄电池仿真方法进一步包含：任意两个第一层级结构之间不发生电极浓度平衡与电解液浓度平衡的物理限制条件、第二层级结构上的任意两片第三层级结构不允许彼此在长度方向上发生电极浓度平衡与电解液浓度平衡的物理限制条件。
优选地，所述仿真截止条件为电压值低于一电压阈值。
优选地，并联的各个第一层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第二层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第三层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第四层级结构的分支电流不完全相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过实际材料的制造差异分布来选取模型参数，并利用大量并联电化学单元以及仿照实物几何三维排布下的热平衡计算，贴近实际高容量或大几何尺寸的二次蓄电池的电化学行为；与传统的伪二维电化学模型(P2D模型)相比，本发明考虑了制造差异与几何结构带来的影响，使仿真结果能与实验相匹配，进而利用仿真模型来指导生产或探索新型产品的可能。
附图说明
图1为本发明的二次蓄电池仿真方法的流程图；
图2为本发明的温度传感器投放位置分布示意图；
图3为本发明的正、负极材料颗粒尺寸分布示意图；
图4为本发明的仿真方法与实验结果对比示意图(电压-时间)；
图5为本发明的仿真方法与实验结果对比示意图(温度-时间)。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，本发明提供一种二次蓄电池仿真方法，包含以下步骤：
S1、获取蓄电池的实际材料制造差异分布，得到制造差异分布函数；
所述步骤S1中，制造差异分布函数是通过各参数的大量数据统计之后，再利用一个或多个不同均值及标准差的高斯分布线性迭加近似而成；所述制造差异分布函数如下：
其中，x表示参数变量，μ表示参数的均值，σ表示参数的标准差。
S2、从制造差异分布函数中随机取值并作为电化学模型参数值，选取的模型参数包含有电极颗粒尺寸、电极孔隙率、电极涂布密度、电解液浓度和隔离膜孔隙率。其中，本实施例中同时选取上述五个参数值且参数值选取之后为定值。值得说明的是，蓄电池的参数不止五个，但本发明中主要选取对蓄电池影响较为显着的电极颗粒尺寸、电极孔隙率、电极涂布密度、电解液浓度和隔离膜孔隙率这五个重要参数。
S3、将原始蓄电池进行仿真分割，分割成无数个微小仿真单元。
所述步骤S3中，进一步包含：
原始蓄电池首先分割成i个卷心包(Jelly Roll level)，记为第一层级结构；每个卷心包可分割成j片卷绕面(sub-JR level)，记为第二层级结构；每片卷绕面可分割成k个电化学单元(unit cell level)，记为第三层级结构；且每个电化学单元可以由n种模型参数组合并联，记为第四层级结构(即粒子层级，particle level)。因此，本发明将原始蓄电池分割成i×j×k×n个微小仿真单元。
特别地，并联单元须满足克希合夫电流定律与电压定律，此为数学运算过程用来检验结果是否计算正确的一个条件；并且，由于受到实际物理限制，任意两个卷心包(第一层级结构)之间不允许发生电极浓度平衡与电解液浓度平衡，卷绕面(第二层级结构)上的任意两片电化学单元(第三层级结构)，不允许彼此在长度方向上发生电化学单元层级的电极浓度平衡与电解液浓度平衡，电极浓度与电解液浓度均为电化学反应过程中的参数。其中，由于电芯由四大部件组成，分别是正极片、隔膜、负极片和电解液，隔膜夹杂在正、负极片之间，并将此“三明治”夹层结构卷绕后，充分浸润电解液，因此各卷绕面之间在长度方上有隔膜阻挡，因此无电极浓度平衡现象但允许电解液浓度平衡(电解液能通过隔膜小孔)。而卷芯包是独立完整的个体，取数个独立卷芯包扔进同个大壳里，以组成更大容量的电池，因此独立电化学个体之间不会有明显的浓度交换平衡现象，平衡主要发生在包个体内部中。
S4、按照实际蓄电池的几何外型，依序排布微小仿真单元，且并联所有的微小仿真单元，用以构造蓄电池。
所述步骤S4中，进一步包含：
将步骤S2中获取的模型参数带入第四层级结构，且将多个第四层级结构并联计算合成第三层级结构；同理，再将多个第三层级结构并联计算合成第二层级结构，然后将多个第二层级结构并联计算合成第一层级结构，最后将多个第一层级结构并联计算构成蓄电池。
S5、电化学仿真计算开始，并输入工作电流、起始电量、温度状态(温度环境)和仿真截止条件。其中，仿真截止条件为电压值低于一电压阈值(例如电压阈值为3.8v)。
S6、输入工作电流后，工作电流先会分配到各个第一层级结构，计算并联的各个第一层级结构的分支电流。其中，并联的各个第一层级结构的分支电流不完全相同。值得说明的是，只有在理想的情况下，每个第一层级结构相同时，分配到各个第一层级结构的分支电流才全部相同。
S7、每个第一层级结构分配到的电流再继续分支到各个第二层级结构，计算并联的各个第二层级结构的分支电流。其中，并联的各个第二层级结构的分支电流不完全相同。值得说明的是，只有在理想的情况下，每个第二层级结构相同时，分配到各个第二层级结构的分支电流才全部相同。
S8、每个第二层级结构分配到的电流再继续分支到各个第三层级结构，计算并联的各个第三层级结构的分支电流。其中，并联的各个第三层级结构的分支电流不完全相同。值得说明的是，只有在理想的情况下，每个第三层级结构相同时，分配到各个第三层级结构的分支电流才全部相同。
S9、每个第三层级结构分配到的电流再继续分支到各个第四层级结构，则计算并联的各个第四层级结构的分支电流。其中，并联的各个第四层级结构的分支电流不完全相同。
S10、计算第四层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡。
S11、计算第三层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡。
其中，以主流负极材为例，负极由石墨构成，而锂原子会与石墨形成锂碳化合物，且石墨属于层状结构，因此锂原子会因为浓度不均而在石墨层中扩散运动，电极浓度意指电极结构内部的锂含量分布，物理量表示为莫耳/体积。由于电化学反应强弱程度与电极表面浓度有关，而第三层级结构与第四层级结构即是电化学方程计算所在位置，并且第二层级结构是集合体现了第三层级结构的电化学计算结果，第三层级结构的平均电压将影响第二层级结构的配给分支电流，同时，第一层级结构是体现第二层级结构的电化学计算结果，第二层级结构的平均电压将会影响第一层级结构的配给分支电流，因此本实施例仅需要计算第三层级结构与第四层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡。
S12、计算第四层级结构的电化学反应，得到平均电位与发热量的结果，并返回平均电位与发热量到第三层级结构(unit cell)；
S13、计算第三层级结构的热平衡，并返回计算的温度变化量至第三层级结构和第四层级结构。因为电化学计算是与温度相关的,而第三层级结构与第四层级结构正是执行电化学计算的结构，此外,热传导方程式也应用在第三层级结构内,因此能实现切割单元间热传递,影响仿真对象全体的温度场变化。S14、判断电压值是否满足截止条件，若满足，则仿真结束，若不满足，则返回到步骤S6，循环进行，直至满足截止条件，仿真结束。
本发明通过实际材料的制造差异分布来选取模型参数，并利用大量并联电化学单元以及仿照实物几何三维排布下的热平衡计算，贴近实际高容量或大几何尺寸的二次蓄电池的电化学行为。为了验证本发明的仿真方法与实际实验结果之间贴合度，通过比较两者的数据结果来进行验证。
如图2所示为本发明的实验过程中温度传感器在蓄电池上的投放位置分布示意图。第一温度传感器#1位于蓄电池的电极表面，第二温度传感器#2位于电池内部，第三温度传感器#3位于蓄电池的壳体，在蓄电池的化学反应过程中分别进行温度的测量。同时，实验过程中，还测量蓄电池的化学反应过程中的电压大小。如图3所示为正、负电极材料颗粒尺寸分布图，Q1和Q2分别表示正、负电极材料颗粒尺寸分布，颗粒大小对蓄电池的充放电有显着的影响，因为其对材料的堆积有直接的影响，从而影响电池性能。
如图4所示为本发明的仿真方法与实验结果对比示意图(电压-时间图)，实验条件为在25℃环境温度下额定容量155Ah蓄电池以1C放电率进行放电。图4中的横坐标为时间，纵坐标为电压值大小。由图4可知，本发明的仿真方法得到的电压-时间曲线结果与实验测量的结果十分贴近。
如图5所示为本发明的仿真方法与实验结果对比示意图(温度-时间图)，实验条件为在25℃环境温度下额定容量155Ah蓄电池以1C放电率进行放电。图5中的横坐标为时间，纵坐标为温度值大小。其中，P1、M1分别表示蓄电池的电极表面的仿真与试验的曲线示意，P2、M2分别表示电池内部的仿真与试验的曲线示意，P3、M3分别表示蓄电池的壳体的仿真与试验的曲线示意。由图5可知，本发明的仿真方法得到的温-时间曲线结果与实验的测量结果十分贴近。
综上所述，本发明将原始电池分割成大量微小单元后，抽取实际制造差异分布函数的数值作为模型参数，再以克希合夫电流与电压定律以及相关的物理条件限制下，并联计算所有微小单元，使得本发明仿真模型将因并联分支电流而出现不均匀的电流分布，而电流又引起单元的电压与热量变化，仿真模型整体呈现多物理场耦合，本发明的仿真方式来贴近实际蓄电池的电化学行为。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (8)
1.一种二次蓄电池仿真方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、获取蓄电池的实际材料制造差异分布；
S2、选取电化学模型参数；
S3、将蓄电池仿真分割，分割成多个微小仿真单元；所述步骤S3中，蓄电池先分割成i个卷心包式的第一层级结构，每个第一层级结构分割成j片卷绕面式的第二层级结构，每片卷绕面分割成k个电化学单元并记为第三层级结构，每个电化学单元分割成n个粒子式的第四层级结构，所述蓄电池被分割成i×j×k×n个所述微小仿真单元；
S4、按照实际蓄电池的几何外型排布所述微小仿真单元且并联所有的微小仿真单元；
S5、电化学仿真计算开始，输入工作电流、起始电量、温度状态和仿真截止条件；
S6、所述工作电流分配到第一层级结构，计算并联的第一层级结构的分支电流；
S7、所述第一层级结构分配到的电流继续分支到所述第二层级结构，计算并联的第二层级结构的分支电流；
S8、所述第二层级结构分配到的电流继续分支到所述第三层级结构，计算并联的第三层级结构的分支电流；
S9、所述第三层级结构分配到的电流继续分支到所述第四层级结构，计算并联的第四层级结构的分支电流；
S10、计算所述第四层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；
S11、计算所述第三层级结构的电极浓度的平衡与电解液浓度的平衡；
S12、计算所述第四层级结构的电化学反应的平均电位与发热量，并将平均电位与发热量的结果返回到所述第三层级结构；
S13、计算所述第三层级结构的热平衡，并返回计算的温度变化量至第三层级结构和第四层级结构；
S14、判断电压值是否满足截止条件，若满足，则仿真结束，若不满足，则返回到步骤S6循环进行，直至满足截止条件，仿真结束。
2.如权利要求1所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
所述步骤S1中，通过实际材料制造差异分布得到制造差异分布函数；所述制造差异分布函数如下：
其中，x表示参数，μ表示参数的均值，σ表示参数的标准差。
3.如权利要求2所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
所述步骤S2中，从所述制造差异分布函数中随机取值作为电化学模型参数值，选取的模型参数包含有电极颗粒尺寸、电极孔隙率、电极涂布密度、电解液浓度和隔离膜孔隙率。
4.如权利要求1或3所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
所述步骤S4中，进一步包含：
将获取的模型参数带入所述第四层级结构，且将多个所述第四层级结构并联合成所述第三层级结构，将多个所述第三层级结构并联合成所述第二层级结构，将多个所述第二层级结构并联合成所述第一层级结构，最后将多个所述第一层级结构并联构成蓄电池。
5.如权利要求1所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
进一步包含：并联的所有层级单元满足克希合夫电流定律与电压定律的验证条件。
6.如权利要求1所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
进一步包含：任意两个第一层级结构之间不发生电极浓度平衡与电解液浓度平衡的物理限制条件、第二层级结构上的任意两片第三层级结构不允许彼此在长度方向上发生电极浓度平衡与电解液浓度平衡的物理限制条件。
7.如权利要求1所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
所述仿真截止条件为电压值低于一阈值。
8.如权利要求1所述的二次蓄电池仿真方法，其特征在于，
并联的各个第一层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第二层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第三层级结构的分支电流不完全相同，和/或，并联的各个第四层级结构的分支电流不完全相同。
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Non-Patent Citations (1)
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