CN111125894A - 电池最宜容量的确定方法及系统 - Google Patents

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CN111125894A
CN111125894A CN201911281237.0A CN201911281237A CN111125894A CN 111125894 A CN111125894 A CN 111125894A CN 201911281237 A CN201911281237 A CN 201911281237A CN 111125894 A CN111125894 A CN 111125894A
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determining
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李哲
张剑波
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Tsinghua University
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
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Abstract

本申请涉及一种电池最宜容量的确定方法及系统。所述电池最宜容量的确定方法中考虑到电池需满足的温度需求，根据本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以实现在满足电池单体自身热特性的需求的同时，电池的容量尽可能大。本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以在保证电池热性能良好的基础上实现其电性能的最佳。

Description

电池最宜容量的确定方法及系统
技术领域
本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种电池最宜容量的确定方法及系统。
背景技术
动力电池已经成为电动汽车发展的关键技术，一直是众多生产、研发单位争相投入的热点。电池的性能优劣对电动车整车性能的影响非常重要。其中，电池容量是衡量电池电性能的一项重要指标，它表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量，它的大小直接反映了电池充放电电量的多少。同时，影响电池容量的因素也有很多，比如温度对电池容量有较大的影响。不同容量的电池在相同的放电工况下的温度分布特性是不同的。一旦电池容量过大，容易造成电池热性能恶化，影响电池寿命。而在传统设计电池的过程中，电池容量往往是先确定的量，根据电池工作电压和工作电流来确定电池容量的数值，根据该电池容量的数值设计电池单体。传统设计电池的过程并没有全面的考虑电池热特性，不能够设计出一款具有良好性能的电池。
发明内容
基于此，有必要针对传统设计电池的过程并没有全面的考虑电池热特性，不能够设计出一款具有良好性能的电池的问题，提供一种电池最宜容量的确定方法及系统。
一种电池最宜容量的确定方法，包括：
S100，估计待生产电池的电池容量范围；
S200，确定电池耦合模型，所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数，所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种；
S300，将第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线，所述第一电池容量在所述电池容量范围内；
S400，从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线，依次类推得出第N电池温度曲线，其中，N为正整数，N的取值大于等于2；
S500，通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族；
S600，根据所述待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。
在一个实施例中，根据客户需求确定所述待生产电池的工作电压、工作电流，以确定所述待生产电池的所述电池容量范围。
在一个实施例中，所述S200中确定电池耦合模型的具体步骤，包括：
S210，建立电化学模型，所述电化学模型为一维电化学模型；
S220，建立热模型，所述热模型为三维热平衡模型；
S230，将所述电化学模型和所述热模型进行耦合，生成所述电池耦合模型。
在一个实施例中，所述一维电化学模型包括以下公式或公式组：
Figure BDA0002316811430000021
Figure BDA0002316811430000031
Figure BDA0002316811430000032
Figure BDA0002316811430000033
Figure BDA0002316811430000034
Figure BDA0002316811430000035
其中，is为电子电流密度，
Figure BDA0002316811430000036
为等效固相电导率，φs为固相电势，il为电子电流密度，κeff为等效液相电导率，φl为固相电势，t+为锂离子迁移数，
Figure BDA0002316811430000037
为活度修正系数，cl为锂离子液相浓度，T为温度，R为理想气体常数，F为法拉第常数，cs为锂离子固相浓度，t为时间，r为径向位置，rp为颗粒半径，Ds为锂离子固相扩散系数，jp为颗粒表面反应电流密度，ε为液相的体积分数，Deff为锂离子液相等效扩散系数，αp为比表面积，
Figure BDA0002316811430000038
为双电层电容，αa为阳极传递系数，αc为阴极传递系数，j0为交换电流密度，η为电极过电势，k为反应速率常数，cs,surf为固体颗粒表面锂离子浓度，cs,max为固体颗粒最大锂离子浓度，cl,ref为液相锂离子参考浓度，Ue为平衡电势，
Figure BDA0002316811430000039
为相对颗粒表面活性面积而言的SEI膜电阻。
在一个实施例中，所述三维热平衡模型包括以下公式或者公式组来：
Figure BDA0002316811430000041
Figure BDA0002316811430000042
Figure BDA0002316811430000043
Figure BDA0002316811430000044
ρ为密度，Cp为比热容，T为温度，t为时间，I为电流，R为欧姆内阻，
Figure BDA0002316811430000045
为熵热系数，λ为导热系数，h为对流换热系数，Qtab,j为极耳的产热量，itab为极耳横截面电流密度，Rtab,j为极耳的电阻率，Atab,j为极耳的横截面积。
在一个实施例中，所述三维热平衡模型中温度对所述一维电化学模型中参数的影响，从以下的阿伦尼乌斯方程得到：
Figure BDA0002316811430000046
其中，φ为随温度变化的物理量，φref为该物理量在参考温度下的取值，Eact,φ为该物理量变化过程中需要的活化能。
在一个实施例中，所述待生产电池为方形电池，所述S300具体包括：
S310，给定所述待生产电池的所述第一电池容量；
S320，将所述第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池外型尺寸参数中的长宽比与高宽比、改变所述极耳参数中的极耳偏置距离或者改变所述电芯参数中的电芯宽度，以形成不同的设计方案；
S330，在相同放电环境下，得到所述不同的设计方案下所述待生产电池的最高温度和最大温升；
S340，以所述待生产电池的最高温度为横坐标，最大温差为纵坐标，在坐标系中标注某种设计方案下所述待生产电池的热特性对应的具体坐标；
S350,通过多次改变所述电池耦合模型中的参数，得到所述不同的设计方案下所述第一电池容量的电池热特性的坐标的数值，绘制出所述第一电池温度曲线。
在一个实施例中，所述S400中，包括：
S410，从所述电池容量范围内选取第二电池容量；
S420，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第二电池温度曲线；
S430，从所述电池容量范围内选取第三电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第三电池温度曲线；
S440，依次执行直至从所述电池容量范围内选取第N电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第N电池温度曲线。
在一个实施例中，所述S600中，所述待生产电池的需求参数包括所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差；所述S600具体包括：
S610，根据所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差，确定所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值；
S620，根据所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量。
在一个实施例中，所述S620中，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量的步骤包括：
S621，在坐标系中标注所述待生产电池的温度参数为温度特征点，绘制区域划分直线，以进行可行区域划分；
S622，在所述帕累托前沿曲线族中，找到与所述区域划分直线相交于一点的特征电池温度曲线点；
S623，所述特征电池温度曲线点对应的容量为对应所述温度特征点限定下的最大容量，对应的电池设计为电池最优设计。
一种电池最宜容量的确定系统，包括：
电池容量范围确定装置，用于估计待生产电池的电池容量范围；
电池耦合模型建立装置，用于确定电池耦合模型，所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数，所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种；
电池温度曲线生成装置，用于将第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线，所述第一电池容量在所述电池容量范围内；所述电池温度曲线生成装置，还用于从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线，依次类推得出第N电池温度曲线，其中，N为正整数，N的取值大于等于2；以及
最大电池容量确定装置，用于通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族；所述最大电池容量确定装置还用于根据所述待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。
本申请中提供一种电池最宜容量的确定方法及系统。所述电池最宜容量的确定方法中考虑到电池需满足的温度需求，根据本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以实现在满足电池单体自身热特性的需求的同时，电池的容量尽可能大。本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以在保证电池热性能良好的基础上实现其电性能的最佳。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的电池最宜容量的确定方法的流程图；
图2为本申请一个实施例中提供的一种第一电池温度的曲线示意图；
图3为本申请一个实施例中提供的帕累托前沿曲线族的示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的根据所述帕累托前沿曲线族确定最大电池容量的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
传统的设计方法无法直观地在电池设计过程中实现电池热特性与电特性兼顾的耦合设计。一旦电池容量确定，按照此容量设计出的电池其热性能未必达到最优，可能此时电池单体的温升或温差无法满足实际车用工况的需求。如果首先生产不同容量的电池，再确定热特性是否满足要求，会导致优化过程的成本太高，且有可能优化的结果不是很准确。
针对上述缺陷，本申请以电池为例，提出了一种确定电池单体最宜容量的方法。最宜容量是指，电池在实际某充放电条件下，同时满足最小温差和最小温升要求的条件所能达到的最大容量。即，超过此容量，电池的热特性无法满足要求；低于此容量，电池性能无法达到最优，且单体数目增加，热特性、电特性分布会更加不均匀。
本方案在电池单体在实际工况下从最大温差和最大温升的数值出发，将电池单体的热特性纳入到电池容量确定的指标中。最终可以根据温度控制的实际需求，综合考量电池的工作电压、工作电流、温差和温升，反推容量的最大值，实现电池热、电特性的兼顾，达到满足热-电性能的电池容量设计的最优值。
请参阅图1，本申请提供一种电池最宜容量的确定方法。
所述电池最宜容量的确定方法，具体包括：
S100，估计待生产电池的电池容量范围。所述电池容量范围可以根据实际的生产需求进行设计。比如，在生产需求中希望所述待生产电池的所述电池容量范围在100Ah-200Ah，所述待生产电池的工作温度限制在25-45℃之间，所述待生产电池的温差尽量控制在2℃以内。
S200，确定电池耦合模型，所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数，所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种。
所述待生产电池可以为方形电池、圆柱型或软包电池中的任意一种。所述待生产电池还可以为其他的未来可能的电池结构类型。针对不同的电池类型，所述电池优化参数可以根据电池种类与型号进行重新确定，但具体方法不变。上述设计方案中电池的设计参数可以根据实际需求进行调整。比如，所述待生产电池为方形电池，所述电池外型尺寸参数为长宽比与高宽比、所述极耳参数为极耳偏置距离、所述电芯参数为电芯宽度。
S300，将第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线，所述第一电池容量在所述电池容量范围内。
所述第一电池温度曲线可以是关于电池最高温度与电池最大温差的曲线。所述第一电池温度曲线可以是经过多次改变所述电池优化参数，而得出的多个关于电池最高温度与电池最大温差关系的坐标点。
S400，从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线。依次类推得出第N电池温度曲线，其中，N为正整数，N的取值大于等于2。
本步骤中，获得所述第二电池温度曲线的具体步骤与上述获得所述第一电池温度曲线的具体步骤相同，只是选取的电池容量的数值不同。
S500，通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族。本步骤中，所述帕累托前沿曲线族即为pareto前沿曲线族。所述pareto前沿曲线族可以包括多条电池温度曲线。所述pareto前沿曲线族中包括的电池温度曲线越多，越有利于得出电池容量的最优解。
S600，根据待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。本步骤中，所述需求参数包括但不限定于所述待生产电池的工作温度和/或者所述待生产电池的温差。
本实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法中考虑到电池需满足的温度需求，根据本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以实现在满足电池单体自身热特性的需求的同时，电池的容量尽可能大。本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定方法确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以在保证电池热性能良好的基础上实现其电性能的最佳。
在一个实施例中，根据客户需求确定所述待生产电池的工作电压、工作电流，以确定所述待生产电池的所述电池容量范围。
本实施例中，在S100中，可以根据实际情况下电池的伏安特性曲线，初步确定所述待生产电池的电池容量范围。所述伏安特性曲线包括电池的工作电压和电池的工作电流。在S100中，可以结合不同的实际需求和电池单体的选择偏好，根据电池容量的相关行业标准(如ISO/IEC16898.6等)给出的不同尺寸下容量的参考范围来进行容量的初步确定。
在一个实施例中，所述S200中确定电池耦合模型的具体步骤，包括：
S210，建立电化学模型，所述电化学模型为一维电化学模型。
所述电化学模型具体描述材料的化学特性，例如扩散能力、电导等对电化学反应电势、电流密度等之间的关系。比如，所述电化学模型具体描述的关系包括传质(固相扩散，液相扩散和电迁移)、电极导电(欧姆定律)、电解液导电(类似欧姆定律)和电化学反应(巴伏公式)。
S220，建立热模型，所述热模型为三维热平衡模型。本步骤中，所述热模型具体描述电池由于内部反应引起的产热、导热、换热一系列热量流动关系。
S230，将所述电化学模型和所述热模型进行耦合，生成所述电池耦合模型。
具体的，所述热模型中的温度影响所述电化学模型中的反应和扩散参数，如电势和浓度等。所述电化学模型中固相、液相电位的变化又会影响所述热模型中的产热源项。所有的影响过程中都是这样相互依存相互影响，实现热-电之间的耦合关系。所有的影响过程中的模型是不变的，只是在模型计算初始，要给个初始值，对应实验最开始模型里的参数值，它们彼此之间是一种相互耦合的关系。
本实施例中，所述电池耦合模型也可以称为热-电化学耦合模型，所述热-电化学耦合模型具体包括：三维热平衡模型和一维电化学模型。所述电池耦合模型或者所述热-电耦合模型具体涉及外形尺寸参数、电参数和材料热参数。所述电池耦合模型实现热-电之间的耦合。
在一个实施例中，所述一维电化学模型可以用以下六个公式或公式组描述：
Figure BDA0002316811430000111
Figure BDA0002316811430000112
Figure BDA0002316811430000113
Figure BDA0002316811430000114
Figure BDA0002316811430000115
Figure BDA0002316811430000116
公式(1)为电子电流的传导过程。公式(2)为离子电迁移、浓度扩散过程。公式(3)为电极颗粒内部扩散过程。公式(4)为正负极/隔膜处的物质守恒关系。公式(5)为正负极处电荷守恒关系。公式(6)为电化学反应动力学方程。
其中，is为电子电流密度，
Figure BDA0002316811430000117
为等效固相电导率，φs为固相电势，il为电子电流密度，κeff为等效液相电导率，φl为固相电势，t+为锂离子迁移数，
Figure BDA0002316811430000118
为活度修正系数，cl为锂离子液相浓度，T为温度，R为理想气体常数，F为法拉第常数，cs为锂离子固相浓度，t为时间，r为径向位置，rp为颗粒半径，Ds为锂离子固相扩散系数，jp为颗粒表面反应电流密度，ε为液相的体积分数，Deff为锂离子液相等效扩散系数，αp为比表面积，
Figure BDA0002316811430000121
为双电层电容，αa为阳极传递系数，αc为阴极传递系数，j0为交换电流密度，η为电极过电势，k为反应速率常数，cs,surf为固体颗粒表面锂离子浓度，cs,max为固体颗粒最大锂离子浓度，cl,ref为液相锂离子参考浓度，Ue为平衡电势，
Figure BDA0002316811430000122
为相对颗粒表面活性面积而言的SEI膜电阻。
在一个实施例中，所述三维热平衡模型可以用以下四个公式或者公式组来描述：
Figure BDA0002316811430000123
Figure BDA0002316811430000124
Figure BDA0002316811430000125
Figure BDA0002316811430000126
公式(7)为电池内部热平衡方程。公式(8)为电池电芯产热方程。公式(9)为表面对流换热方程。公式(10)为极耳产热方程。
其中，ρ为密度，Cp为比热容，T为温度，t为时间，I为电流，R为欧姆内阻，
Figure BDA0002316811430000127
为熵热系数，λ为导热系数，h为对流换热系数，Qtab,j为极耳的产热量，itab为极耳横截面电流密度，Rtab,j为极耳的电阻率，Atab,j为极耳的横截面积。q导热为电池导热速率，q产热为电池化学反应产热速率。q为电池整体产热率。
在一个实施例中，所述一维电化学模型对所述三维热平衡模型中参数的影响可以参考上面的公式(1)至公式(6)得到。而所述热模型中温度对所述电化学参数的影响可以从阿伦尼乌斯方程(下述的公式(11))得到：
Figure BDA0002316811430000131
其中，φ为随温度变化的物理量。φref为该物理量在参考温度下的取值。Eact,φ为该物理量变化过程中需要的活化能。具体φ和φref的取值可以通过查阅表格得到。φ数值的获取可以根据对应代表的物理量的不同而有所区别。例如不同温度下材料电导率不同、扩散系数不同等。φ的具体数值也并不拘泥于从表格中获取。有表格的可以查表，没有表格的可以通过做几个温度点下的测试，进而获得。
在一个实施例中，所述S300具体包括：
S310，给定所述待生产电池的所述第一电池容量。
S320，将所述第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池外型尺寸参数中的长宽比与高宽比、改变所述极耳参数中的极耳偏置距离或者改变所述电芯参数中的电芯宽度，以形成不同的设计方案。
S330，在相同放电环境下，得到所述不同的设计方案下所述待生产电池的最高温度和最大温升。
S340，以所述待生产电池的最高温度为横坐标，最大温差为纵坐标，在坐标系中标注某种设计方案下所述待生产电池的热特性对应的具体坐标。
S350,通过多次改变所述电池耦合模型中的参数，得到所述不同的设计方案下所述第一电池容量的电池热特性的坐标的数值，绘制出所述第一电池温度曲线。
本实施例中，给定所述第一电池容量，在所述电池耦合模型中分别改变电池外型尺寸参数(长宽比与高宽比)、极耳参数(极耳偏置距离)、电芯参数(电芯宽度)等指标。在相同放电环境下，得到不同设计方案下电池的最高温度和最大温升。以电池的最高温度为横坐标，最大温差为纵坐标，在坐标系中标注某种设计方案下该电池的热特性对应的具体坐标。通过多次改变所述电池模型中的参数，得到不同设计方案下所述第一电池容量的电池热特性的坐标的数值，绘制出所述第一电池温度曲线。如图2所示，图2中不同气泡表示不同电池外型尺寸的设计参数。
在一个实施例中，所述S400中，包括：
S410，从所述电池容量范围内选取第二电池容量；
S420，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第二电池温度曲线；
S430，从所述电池容量范围内选取第三电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第三电池温度曲线；
S440，依次执行直至从所述电池容量范围内选取第N电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第N电池温度曲线。
本实施例中，通过改变电池容量，即从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量。重复所述步骤S310-S350中执行的动作，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型中，改变电池外型尺寸参数(长宽比与高宽比)、极耳参数(极耳偏置距离)、电芯参数(电芯宽度)等指标。在相同放电环境下，得到不同设计方案下电池的最高温度和最大温升，即所述第二电池温度曲线。
以此类推，直至将所述第N电池容量输入至所述电池耦合模型中，改变电池外型尺寸参数(长宽比与高宽比)、极耳参数(极耳偏置距离)、电芯参数(电芯宽度)等指标。在相同放电环境下，得到不同设计方案下电池的最高温度和最大温升，即所述第N电池温度曲线。本实施例中，得出了多条电池温度曲线。
在一个实施例中，在所述步骤S500中，通过上述步骤得出的所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成所述帕累托前沿曲线族(即，pareto前沿曲线族)。如图3所示，形成不同电池容量下的最高温度和最大温升的热特性曲线族，即所述pareto前沿曲线族。图中的3条曲线，分别代表不同容量的电池热特性曲线(曲线族中还可以包括更多条的热特性曲线，图3仅为一个实施例中的示意)。
在一个实施例中，所述待生产电池的需求参数包括所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差；所述S600具体包括：
S610，根据所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差，确定所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值。
S620，根据所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量。
本实施例中，根据实际生产需要(比如一般情况下需要将电池的工作温度限制在25-45℃之间，温差尽量控制在2℃以内)，确定电池单体希望被控制的最大温差和最大温升的最小值。根据这两个数值采用数值优化的方法在热特性曲线族上确定此时电池可以达到的最大容量。本实施例中，所述待生产电池温度的需求可以包括电池的最大温差和最大温升的最小值。当然，所述待生产电池的需求参数还可以包括其他的设计参数，在此不进行一一限定。
在一个实施例中，所述S620中，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量的步骤包括：
S621，在坐标系中标注所述待生产电池的温度参数为温度特征点，绘制区域划分直线，以进行可行区域划分；
S622，在所述帕累托前沿曲线族中，找到与所述区域划分直线相交于一点的特征电池温度曲线点；
S623，所述特征电池温度曲线点对应的容量为对应所述温度特征点限定下的最大容量，对应的电池设计为电池最优设计。
本实施例种，提供了一种优化方法，在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量。具体的优化方法包括：在坐标系中标注所述待生产电池的温度参数为温度特征点，绘制区域划分直线，以进行可行区域划分。如图4所示的直线。在所述帕累托前沿曲线族中，找到与所述区域划分直线相交于一点的特征电池温度曲线点。所述特征电池温度曲线点对应的容量为对应温度限定下的最大容量，对应的电池设计为电池最优设计。
比如，所述待生产电池的工作温度为43℃以下，所述待生产电池的温差在3℃以下。以上述指标可以在所述帕累托前沿曲线族的图中画一条区域划分直线。所述区域划分直线可以通过连接两个点(43,0)(0,3)形成。所述区域划分直线与所述帕累托前沿曲线族中的温度曲线相切的点，即为特征电池温度曲线点，也就是符合温度控制的最大容量。所述特征电池温度曲线点就是希望得到的电池单体的最宜容量的数值。
在所述区域划分直线的下方是满足该温度范围的电池容量设计的可行区域，即这个范围的所有设计方案都符合热特性指标，但容量都比热特性曲线l所对应的容量小，即不是最宜容量。
在该直线的上方是不满足该温度范围的电池容量设计的区域，即这个范围的所有设计方案均不符合热特性指标，虽然容量比热特性曲线l对应的容量大，但不符合预先确定的温度要求。
本申请还提供一种电池最宜容量的确定系统，包括：电池容量范围确定装置、电池耦合模型建立装置、电池温度曲线生成装置和最大电池容量确定装置。
所述电池容量范围确定装置用于估计待生产电池的电池容量范围。
所述电池耦合模型建立装置用于确定电池耦合模型。所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数。所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种。
所述电池温度曲线生成装置用于将第一电池容量输入至所述电池耦合模型。通过改变所述电池优化参数，可以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线。所述第一电池容量在所述电池容量范围内。所述电池温度曲线生成装置还用于从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量。将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线。依次类推得出第N电池温度曲线。其中，N为正整数，N的取值大于等于2。
所述最大电池容量确定装置用于通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族。所述最大电池容量确定装置还用于根据所述待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。
本申请实施例中，提供的所述电池最宜容量的确定系统考虑到电池需满足的温度需求，根据本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定系统确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以实现在满足电池单体自身热特性的需求的同时，电池的容量尽可能大。本申请实施例中提供的所述电池最宜容量的确定系统确定的最大电池容量所对应的参数设计的电池可以在保证电池热性能良好的基础上实现其电性能的最佳。
在一个实施例中，本申请还提供一种电池，所述电池为根据上述任一项实施例中的所述电池最宜容量的确定方法得到的所述待生产电池。所述电池可以用于电动汽车上电池模组中电池单体的安装和使用，可以提高电动汽车电池的使用效率。
在一个实施例中，本申请还提供一种计算设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器上并可以在所述处理器上执行的计算机程序。所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一个实施例中所述电池最宜容量的确定方法中的步骤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种电池最宜容量的确定方法，其特征在于，包括：
S100，估计待生产电池的电池容量范围；
S200，确定电池耦合模型，所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数，所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种；
S300，将第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线，所述第一电池容量在所述电池容量范围内；
S400，从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线，依次类推得出第N电池温度曲线，其中，N为正整数，N的取值大于等于2；
S500，通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族；
S600，根据所述待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。
2.根据权利要求1所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，根据客户需求确定所述待生产电池的工作电压、工作电流，以确定所述待生产电池的所述电池容量范围。
3.根据权利要求1所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述S200中确定电池耦合模型的具体步骤，包括：
S210，建立电化学模型，所述电化学模型为一维电化学模型；
S220，建立热模型，所述热模型为三维热平衡模型；
S230，将所述电化学模型和所述热模型进行耦合，生成所述电池耦合模型。
4.根据权利要求3所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述一维电化学模型包括以下公式或公式组：
Figure FDA0002316811420000021
Figure FDA0002316811420000022
Figure FDA0002316811420000023
Figure FDA0002316811420000024
Figure FDA0002316811420000025
Figure FDA0002316811420000026
其中，is为电子电流密度，
Figure FDA0002316811420000027
为等效固相电导率，φs为固相电势，il为电子电流密度，κeff为等效液相电导率，φl为固相电势，t+为锂离子迁移数，
Figure FDA0002316811420000028
为活度修正系数，cl为锂离子液相浓度，T为温度，R为理想气体常数，F为法拉第常数，cs为锂离子固相浓度，t为时间，r为径向位置，rp为颗粒半径，Ds为锂离子固相扩散系数，jp为颗粒表面反应电流密度，ε为液相的体积分数，Deff为锂离子液相等效扩散系数，αp为比表面积，
Figure FDA0002316811420000029
为双电层电容，αa为阳极传递系数，αc为阴极传递系数，j0为交换电流密度，η为电极过电势，k为反应速率常数，cs,surf为固体颗粒表面锂离子浓度，cs,max为固体颗粒最大锂离子浓度，cl,ref为液相锂离子参考浓度，Ue为平衡电势，
Figure FDA0002316811420000031
为相对颗粒表面活性面积而言的SEI膜电阻。
5.根据权利要求4所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述三维热平衡模型包括以下公式或者公式组来：
Figure FDA0002316811420000032
Figure FDA0002316811420000033
Figure FDA0002316811420000034
Figure FDA0002316811420000035
ρ为密度，Cp为比热容，T为温度，t为时间，I为电流，R为欧姆内阻，
Figure FDA0002316811420000036
为熵热系数，λ为导热系数，h为对流换热系数，Qtab,j为极耳的产热量，itab为极耳横截面电流密度，Rtab,j为极耳的电阻率，Atab,j为极耳的横截面积。
6.根据权利要求5所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述三维热平衡模型中温度对所述一维电化学模型中参数的影响，从以下的阿伦尼乌斯方程得到：
Figure FDA0002316811420000037
其中，φ为随温度变化的物理量，φref为该物理量在参考温度下的取值，Eact,φ为该物理量变化过程中需要的活化能。
7.根据权利要求1所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述待生产电池为方形电池，所述S300具体包括：
S310，给定所述待生产电池的所述第一电池容量；
S320，将所述第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池外型尺寸参数中的长宽比与高宽比、改变所述极耳参数中的极耳偏置距离或者改变所述电芯参数中的电芯宽度，以形成不同的设计方案；
S330，在相同放电环境下，得到所述不同的设计方案下所述待生产电池的最高温度和最大温升；
S340，以所述待生产电池的最高温度为横坐标，最大温差为纵坐标，在坐标系中标注某种设计方案下所述待生产电池的热特性对应的具体坐标；
S350,通过多次改变所述电池耦合模型中的参数，得到所述不同的设计方案下所述第一电池容量的电池热特性的坐标的数值，绘制出所述第一电池温度曲线。
8.根据权利要求7所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述S400中，包括：
S410，从所述电池容量范围内选取第二电池容量；
S420，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第二电池温度曲线；
S430，从所述电池容量范围内选取第三电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第三电池温度曲线；
S440，依次执行直至从所述电池容量范围内选取第N电池容量，重复所述S310-所述S350的步骤，以获得所述第N电池温度曲线。
9.根据权利要求1所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述S600中，所述待生产电池的需求参数包括所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差；所述S600具体包括：
S610，根据所述待生产电池的工作温度和/或所述待生产电池的温差，确定所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值；
S620，根据所述待生产电池的最大温差和所述待生产电池的最大温升的最小值，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量。
10.根据权利要求9所述的电池最宜容量的确定方法，其特征在于，所述S620中，采用数值优化的方法在所述帕累托前沿曲线族中确定所述待生产电池的最大容量的步骤包括：
S621，在坐标系中标注所述待生产电池的温度参数为温度特征点，绘制区域划分直线，以进行可行区域划分；
S622，在所述帕累托前沿曲线族中，找到与所述区域划分直线相交于一点的特征电池温度曲线点；
S623，所述特征电池温度曲线点对应的容量为对应所述温度特征点限定下的最大容量，对应的电池设计为电池最优设计。
11.一种电池最宜容量的确定系统，其特征在于，包括：
电池容量范围确定装置，用于估计待生产电池的电池容量范围；
电池耦合模型建立装置，用于确定电池耦合模型，所述电池耦合模型中包括至少一种电池优化参数，所述电池优化参数包括外形尺寸参数、极耳参数、电芯参数或材料热参数中的一种或者多种；
电池温度曲线生成装置，用于将第一电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第一电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第一电池温度曲线，所述第一电池容量在所述电池容量范围内；所述电池温度曲线生成装置，还用于从所述电池容量范围内再选取第二电池容量至第N电池容量，将所述第二电池容量输入至所述电池耦合模型，改变所述电池优化参数，以得出所述第二电池容量下，不同的所述电池优化参数时的第二电池温度曲线，依次类推得出第N电池温度曲线，其中，N为正整数，N的取值大于等于2；以及
最大电池容量确定装置，用于通过所述第一电池温度曲线、第二电池温度曲线至第N电池温度曲线生成帕累托前沿曲线族；所述最大电池容量确定装置还用于根据所述待生产电池的需求参数，在所述帕累托前沿曲线族中确定待生产电池的最大电池容量。
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