CN111104759B - 锂电池焊接形状的设计仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池设计制造技术领域，提供了一种锂电池焊接形状的设计仿真方法。包括如下步骤：取初始原型电池样品，进行恒流放电测试；取初始原型电池样品，进行脉冲放电测试；确定原型电池样品的优化几何参数，建立焊接部件的三维实体模型；将模型文件导入仿真平台，形成焊接轮廓面。通用性强，可适用不同材料体系和容量大小的电池。

Description

锂电池焊接形状的设计仿真方法
技术领域
本发明涉及电池设计制造技术领域，特别是涉及一种锂电池焊接形状的设计仿真方法。
背景技术
对于锂离子电池系统，无论是软包电池单体、方型电池单体、圆柱电池单体，还是电池模块及系统，均存在大量的焊接结构，例如软包电池的芯包与极耳、芯包与软连接片、软连接片和极柱等。焊接结构主要起到紧固、导电及导热作用，直接影响电池及系统的整体性能及生产效率。因此，焊接结构的设计优化是电池设计及制造的重要环节。
现有方法可以实现对焊接内阻的测量，帮助工程师进行设计选择，但一方面该方法只能测量焊接二维区域的平均内阻，无法获取通过焊接的电传导和热传导性能及分布情况；另一方面，该方法要求对样品进行测试，即每种形式的焊接形状都需要有对应的样品才能进行测试和对比，通用性差。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种锂电池焊接形状的设计仿真方法，通用性强，可适用不同材料体系和容量大小的电池。
根据本发明实施例的锂电池焊接形状的设计仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，取初始原型电池样品，进行恒流放电测试，获取电池的端电压、正负极耳的温度和电池表面中心的温度；
步骤2，取初始原型电池样品，进行脉冲放电测试，获取不同设定荷电状态下电池开始放电时的电池端电压的瞬间下降值、放电结束后电池端电压的瞬间跃升值、放电电流以及电池端电压的零输入响应；
步骤3，建立锂电池放电过程和脉冲放电后静置状态的二阶等效电路模型表达式：
其中，UOCV为对应设定荷电状态值下的开路电压，R1和R2为基于静置状态的极化电阻，C1和C2为基于静置状态的极化电容；
步骤4，计算每个设定荷电状态值下的欧姆内阻R0：
其中，R0，N为第N个设定荷电状态值下的欧姆内阻；Udown为放电时的电池端电压的瞬间下降值；Uup为放电结束后电池端电压的瞬间跃升值；I为放电电流；
步骤5，计算放电过程的电压：
计算放电过程的发热功率：
P＝I2[R0(SOC)+R1(SOC)+R2(SOC)]
步骤6，确定原型电池样品的优化几何参数，建立焊接部件的三维实体模型，并保存模型文件；
步骤7，将模型文件导入仿真平台，进行模型处理和网格划分，在接触面建立焊接结构轮廓线，通过线分割，形成焊接轮廓面。
根据本发明实施例的一种锂电池焊接形状的设计仿真方法，通用性强，可适用不同材料体系和容量大小的电池，基于所建立的数字化电池模型，可以获得电池内部焊接区域的电流分布和温度分布等无法通过实验获取的信息，而且只需对原型电池进行测试，各种焊接形状的设计选择过程无需再制作样品，既节省了制作成本，又节省了电池开发优化的周期。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤8，将接触面的导电系数及步骤3、步骤4和步骤5中获得的电池模型参数载入仿真平台。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤9，建立仿真边界条件，保证电流的大小与步骤1中的电流相同，对流换热系数为零。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤10，相同放电时间内，将步骤9中获得的端电压数据与步骤1中端电压数据对比，保证两者相对偏差小于等于2％。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤11，将步骤9中的换热系数增加设定值，计算获得正极温度、负极温度和电池中心温度，并与步骤1中得到的对应温度一一对比，保证绝对偏差小于等于1.5K，保存数据参数模型文件。
根据本发明的一个实施例，所述步骤1和所述步骤2中的测试温度为25±2℃。
根据本发明的一个实施例，所述荷电状态值的范围为95％～5％，且相邻设定所述荷电状态值的间隔小于等于5％。
根据本发明的一个实施例，所述步骤6中的模型文件为STP格式文件。
根据本发明的一个实施例，所述步骤7中的两个待焊接部件的接触面采用激光焊接方式焊接。
根据本发明的一个实施例，所述步骤2中的脉冲放电测试为基于功率辅助型电池测试手册中的混合动力脉冲能力特性测试方法对电池进行脉冲放电测试。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例电池焊接形状的设计仿真方法的等效电路示意图；
图2为本发明实施例电池焊接形状的设计仿真方法的焊接连接示意图；
图3为图2中A处的局部放大示意图；
图4为本发明实施例电池焊接形状的设计仿真方法的流程框图。
附图标记：
1：电池芯包；2：汇流排；3：接触面；4：焊接轮廓线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1至图4所示，本发明实施例提供一种锂电池焊接形状的设计仿真方法，包括如下步骤：
步骤1，取初始原型电池样品，进行恒流放电测试，获取电池的端电压、正负极耳的温度和电池表面中心的温度；
步骤2，取初始原型电池样品，进行脉冲放电测试，获取不同设定荷电状态下电池开始放电时的电池端电压的瞬间下降值、放电结束后电池端电压的瞬间跃升值、放电电流以及电池端电压的零输入响应；
步骤3，建立锂电池放电过程和脉冲放电后静置状态的二阶等效电路模型表达式：
其中，UOCV为对应设定荷电状态值下的开路电压，R1和R2为基于静置状态的极化电阻，C1和C2为基于静置状态的极化电容；
步骤4，计算每个设定荷电状态值下的欧姆内阻R0：
其中，R0，N为第N个设定荷电状态值下的欧姆内阻；Udown为放电时的电池端电压的瞬间下降值；Uup为放电结束后电池端电压的瞬间跃升值；I为放电电流；
步骤5，计算放电过程的电压：
计算放电过程的发热功率：
P＝I2[R0(SOC)+R1(SOC)+R2(SOC)]
步骤6，确定原型电池样品的优化几何参数，建立焊接部件的三维实体模型，并保存模型文件；
步骤7，将模型文件导入仿真平台，进行模型处理和网格划分，在接触面建立焊接结构轮廓线，通过线分割，形成焊接轮廓面。
根据本发明实施例的一种锂电池焊接形状的设计仿真方法，通用性强，可适用不同材料体系和容量大小的电池，基于所建立的数字化电池模型，可以获得电池内部焊接区域的电流分布和温度分布等无法通过实验获取的信息，而且只需对原型电池进行测试，各种焊接形状的设计选择过程无需再制作样品，既节省了制作成本，又节省了电池开发优化的周期。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤8，将接触面的导电系数及步骤3、步骤4和步骤5中获得的电池模型参数载入仿真平台。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤9，建立仿真边界条件，保证电流的大小与步骤1中的电流相同，对流换热系数为零。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤10，相同放电时间内，将步骤9中获得的端电压数据与步骤1中端电压数据对比，保证两者相对偏差小于等于2％。
根据本发明的一个实施例，还包括：步骤11，将步骤9中的换热系数增加设定值，计算获得正极温度、负极温度和电池中心温度，并与步骤1中得到的对应温度一一对比，保证绝对偏差小于等于1.5K，保存数据参数模型文件。
根据本发明的一个实施例，所述步骤1和所述步骤2中的测试温度为25±2℃。
根据本发明的一个实施例，所述荷电状态值的范围为95％～5％，且相邻设定所述荷电状态值的间隔小于等于5％。
根据本发明的一个实施例，所述步骤6中的模型文件为STP格式文件。
根据本发明的一个实施例，所述步骤7中的两个待焊接部件的接触面采用激光焊接方式焊接。
根据本发明的一个实施例，所述步骤2中的脉冲放电测试为基于功率辅助型电池测试手册中的混合动力脉冲能力特性测试方法对电池进行脉冲放电测试。
如图2和图3所示，本实施例以两个电池芯包1通过汇流排2连接，通过本方法对焊接接触面3进行优化设计，焊接轮廓线4构成长方形焊接形状，具体的：
原型电池测试
步骤1，取初始原型电池样品，进行恒流放电测试，获取电池端电压、正负极耳温度和电池表面中心温度数据。
步骤2，取初始原型电池样品(与步骤1中的电池样品同型号)，基于FreedomCar(功率辅助型电池)测试手册中的混合动力脉冲能力特性测试方法对电池进行脉冲放电测试，获取不同设定SOC(荷电状态)处电池开始放电时的电池端电压的瞬间下降值、放电结束后电池端电压的瞬间跃升值、放电电流以及电池端电压的零输入响应数据。其中，测试温度为25±2℃，SOC区间为95％～5％，间隔小于等于5％。
图1对应参考计算公式：
U0＝IR0
U＝OCV-U0-U1-U2
电-热性能耦合模型参数辨识
步骤3，建立锂电池放电过程和脉冲放电后静置状态的二阶等效电路模型表达式：
步骤4，每个设定SOC值下的欧姆内阻R0采用下式计算：
R0，N为第N个设定SOC值下的欧姆内阻；Udown放电时的电池端电压的瞬间下降值；Uup放电结束后电池端电压的瞬间跃升值；I放电电流。
步骤5，每个设定SOC值下的开路电压Uocv，极化电阻R1和R2和极化电容C1和C2基于静置状态的表达式，采用最小二乘法进行辨识。
步骤6，采用多项式拟合的方法建立Uocv、R0、R1、R2、C1和C2与设定SOC的关系
步骤7，放电过程的电压采用下式描述：
放电过程电池的发热功率采用下式描述：
P＝I2[R0(SOC)+R1(SOC)+R2(SOC)]
几何模型建立
步骤8，确定所需优化的原型锂电池的几何参数，采用Space claim建模软件建立焊接部件的三维实体模型，将几何模型保存为STP格式文件。
步骤9，在ANSYS workbench(仿真平台)中建立Fluent项目文件，导入几何模型文件，进行模型处理和网格划分，几何模型处理过程要单独建立焊接部位的结合面接触对，主要操作步骤是在原接触面建立焊接结构轮廓线，通过线分割，形成激光焊接轮廓面。
步骤10，载入电池模型，输入步骤3、步骤4、步骤5、步骤6和步骤7中所辨识的模型参数的多项式系数，及结合面的导电系数。
步骤11，建立模拟仿真边界条件：电流的大小与步骤1相同，热传导边界设置为绝热(对流换热系数为零)，运行求解计算。
步骤12，对比步骤11中得到的端电压数据与步骤1中的端电压数据，若在相同放电时间内，所对应的端电压数据相对偏差小于等于2％，则进入步骤13，否则回到步骤2。
步骤13，对流换热系数增加5，运行求解计算，计算得到的正极、负极和电池中心温度与步骤1中得到的对应温度一一对比，若三个温度的绝对偏差均不大于1.5K，则保存仿真项目文件为ori.wbj，此即为对应于此型电池的数字化电池模型。若三个温度的绝对偏差不满足均不大于1.5K的条件，则增大设定对流换热系数，重新计算。
步骤14，将步骤13中获得ori.wbj文件另存为des1.wbj文件，仅对几何模型中的焊接形状进行设计修改，网格划分后运行计算，查看新设计的焊接区域的电流分布和温度分布、温度变化情况是否满足优化要求，如不满足，则继续对焊接形状进行修改，进行计算。
本发明实施例建立的锂电池焊接形状优化的设计仿真方法具有以下优点：
所建立的方法通用性强，不受电池材料体系、容量大小等的影响。
基于所建立的数字化电池模型，可以获得电池内部焊接区域的电流分布和温度分布等无法通过实验获取的信息。
因此方法基于试验验证后的仿真方法，评价其他焊接形状的电性能和热特性时，无需再制作相应的物理样机，进行虚拟验证即可。
几何处理过程，根据不同的焊接结构设计建立单独的焊接结合面接触对。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，取初始原型电池样品，进行恒流放电测试，获取电池的端电压、正负极耳的温度和电池表面中心的温度；
步骤2，取初始原型电池样品，进行脉冲放电测试，获取不同设定荷电状态下电池开始放电时的电池端电压的瞬间下降值、放电结束后电池端电压的瞬间跃升值、放电电流以及电池端电压的零输入响应；
步骤3，建立锂电池放电过程和脉冲放电后静置状态的二阶等效电路模型表达式：
；
；
其中，UOCV为对应设定荷电状态值下的开路电压，R1和R2为基于静置状态的极化电阻，C1和C2为基于静置状态的极化电容；
步骤4，计算每个荷电状态值下的欧姆内阻R0：
；
其中，R0，N为第N个荷电状态值下的欧姆内阻；Udown为放电时的电池端电压的瞬间下降值；Uup为放电结束后电池端电压的瞬间跃升值；I为放电电流；
步骤5，计算放电过程的电压：
；
计算放电过程的发热功率：
；
步骤6，确定原型电池样品的优化几何参数，建立焊接部件的三维实体模型，并保存模型文件；
步骤7，将模型文件导入仿真平台，进行模型处理和网格划分，在接触面建立焊接结构轮廓线，通过线分割，形成焊接轮廓面；
步骤8，将接触面的导电系数及步骤3、步骤4和步骤5中获得的电池模型参数载入仿真平台。
2.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，还包括：
步骤9，建立仿真边界条件，保证电流的大小与步骤1中的电流相同，对流换热系数为零。
3.根据权利要求2所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，还包括：
步骤10，相同放电时间内，将步骤9中获得的端电压数据与步骤1中端电压数据对比，保证两者相对偏差小于等于2%。
4.根据权利要求3所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，还包括：
步骤11，将步骤9中的换热系数增加设定值，计算获得正极温度、负极温度和电池中心温度，并与步骤1中得到的对应温度一一对比，保证绝对偏差小于等于1.5K，保存数据参数模型文件。
5.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，所述步骤1和所述步骤2中的测试温度为25±2℃。
6.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，所述荷电状态值的范围为95%~5%，且相邻设定所述荷电状态值的间隔小于等于5%。
7.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，所述步骤6中的模型文件为STP格式文件。
8.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，所述步骤7中的两个待焊接部件的接触面采用激光焊接方式焊接。
9.根据权利要求1所述的锂电池焊接形状的设计仿真方法，其特征在于，所述步骤2中的脉冲放电测试为基于功率辅助型电池测试手册中的混合动力脉冲能力特性测试方法对电池进行脉冲放电测试。
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