CN111597719A - 一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，包括：根据动力电池使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定动力电池几何尺寸、热物性参数与电化学参数；根据动力电池电化学原理，构建锂电池电化学方程，进而构建锂电池电化学模型；根据动力电池材料热分解反应原理，构建锂电池热失控材料分解产热方程，进而构建热失控模型；根据电池使用场景构建锂电池散热方程和传热方程，耦合上述电化学模型和热失控模型，继而完成电热与热失控耦合模型；根据已构建的电热与热失控耦合模型，使用CFD软件编程，设定边界条件，网格划分，求解进行电池热特性仿真。本发明成本低、模拟精度高、适用广泛，能够可靠研究锂离子电池的温度特性。

Description

一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法

技术领域

本发明涉及电池管理系统技术领域，尤其涉及一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法。

背景技术

当前我国大力发展新能源技术，而动力电池是电动汽车动力来源且为核心部件，动力电池性能研究具有重要意义。锂离子电池因具有成本低、比能量高、循环性能好和无记忆效应等优点，占据绝大数市场份额。动力电池以高放电倍率快速充电时，都会释放大量的热。热量的产生和迅速堆积势必引起电池内部温度升高，若热量不能及时排出，可能会引发电池局部热失控热蔓延进而导致整个电池组的燃烧甚至爆炸。

目前研究动力电池温度性能的方法主要有两种，实验法和仿真方法。实验法对特定的电池温度研究具备准确的特性，但对多种电池，电池使用场景改变等环境不适应，具有成本高、过程繁琐、不灵活的缺点。目前研究动力电池的仿真方法，均仅仅研究动力电池正常温度充放电状态下的温度特性，热失控状态下的温度特性等单一特性，没有一种方法能够同时研究动力电池充放电状态下和热失控状态下的仿真方法，从而无法研究动力电池局部热失控热蔓延对整个电池包的影响。因此十分有必要设计一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法。

在本发明以前的汽车散热器装置及设计方法现有技术中，有如下几篇对比专利和文献：

1)一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法及装置(CN 110110358A)公开了一种锂离子电池热失控蔓延模拟方法和系统，该方法基于锂离子电池电化学反应原理建立电化学产热模型，并结合热失控生热预测模型，分别模拟锂离子电池正常温度状态下和热失控状态下的温度特性。与本发明区别的是，该发明采用的电化学生热模型是通过直接估算电流、电压进而估算电池的单体生热速率，而本发明采用的电化学产热模型考虑电池内部化学物质的变化，模型更加复杂，对电池的温度仿真精度更高，且该发明提出建立电池热失控生热模型但并未详细说明，而本发明对建立热失控生热模型明确依靠电池活性材料热分解方程，另外该发明并不能对同一电池两种状态进行耦合仿真模拟，而本发明能实现对同一电池正常充放电和过高温状态下的温度特性模拟；

2)哈尔滨工业大学孙延先(2019)发表的论文“锂离子电池模组过充热失控扩散仿真”，对电池热失控进行分析，提出一种基于电化学-热耦合模型的锂离子电池模组过充热失控扩散仿真研究方法，但该研究方法对正常温度状态下基于直流内阻评估电芯热生成，对锂电池正常状态下的热生成研究较为简单、误差较大，且未对锂电池内部各物质的变化情况进行深入探讨，缺乏锂电池由正常状态过渡至热失控状态的温度特性研究；

西南科技大学叶科伟(2020)发表的论文“VDA方形动力锂电池生热特性仿真分析与研究”，对高能量密度卷绕式方形电池单体进行生热温度场仿真分析,模拟了在不同放电倍率和环境温度条件下,电池温度场的变化，但仅考虑正常温度状态下锂电池电化学产热，未对锂电池超高温导致热失控状态下电池活性材料分解产热进行模拟仿真。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，包括：

A根据动力电池使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定动力电池几何尺寸、热物性参数与电化学参数；

B根据动力电池电化学原理，构建锂电池电化学方程，进而构建锂电池电化学模型；

C根据动力电池材料热分解反应原理，构建锂电池热失控材料分解产热方程，进而构建热失控模型；

D根据电池使用场景构建锂电池散热方程和传热方程，耦合上述电化学模型和热失控模型，继而完成电热与热失控耦合模型；

E根据电热与热失控耦合模型，使用CFD软件编程，设定边界条件，网格划分，求解进行电池热特性仿真。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

根据锂离子电池电化学反应原理和热失控原理，建立电化学反应方程和热失控反应方程，从而构建电热与热失控耦合数学模型，可根据应用场合、动力电池特征对锂离子电池正常工作状态和热失控状态的各化学物质变化及温度特性仿真研究，本方法成本低、模拟精度高、适用广泛，能够可靠研究锂离子电池的温度特性。

附图说明

图1是基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法示例流程图；

图2是一维电化学模型几何构建图；

图3是电池网格划分结构图；

图4是锂电池平均温度变化图。

表1是示例锂电池电化学参数表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，为基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法示例流程，包括：

步骤10根据动力电池使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定动力电池几何尺寸、热物性参数、电化学参数；

电池单体为圆柱体,几何尺寸包括直径18mm、高度65mm,电池热物性参数包括：k_r为电池径向导热率15w/m·k、k_ang为轴向导热率30w/m·k、C_p为电池比热容1500J/kg·K、ρ为电池密度1400kg/m³；电池电化学参数如表1所示。

表1

步骤20根据动力电池电化学原理，建立锂电池电化学方程，构建锂电池电化学模型；

固相锂离子物料守恒方程：

式中:c_s表示电极活性颗粒内部固相锂离子浓度，t表示时间，D_s表示电极活性颗粒内部固相锂离子浓度，r表示球形颗粒内部半径方向距离

液相锂离子物料守恒方程：

式中：ε_l表示多孔电极电解质相体积分数，c_e表示电解质相锂离子浓度，

表示液相锂离子有效扩散系数，a表示隔膜比表面积，t₊表示锂离子迁移数,j表示球形颗粒表面单位截面锂离子扩散通量,ε_s表示正极区域、负极区域或者隔膜固相体积分数，r_s表示正极、负极或者隔膜组成粒子半径，D_e表示液相锂离子扩散系数，_brug表示Bruggeman修正系数。

固相电荷守恒方程：

式中：

表示固相有效电导率，i_s表示固相电流密度，φ_s表示固相电势，σ_s表示固相电导率,F表示法拉第常数，。

液相电荷守恒方程：

式中：

表示电解液有效电导率，φ_e表示液相电势，R表示理想气体常数，T表示锂离子电池的温度，f_±表示电解液平均活度系数。

电化学反应动力学方程：

η_s＝(φ_s-φ_e-U_SEI)-E_eq

U_SEI＝aFjR_SEI

式中：i₀表示交换电流密度，α_a表示阳极传递系数，α_c表示阴极传递系数，η_s表示电极过电位，k表示电化学反应速率，c_{s_suf}表示固相电极球形颗粒表面出的嵌锂浓度，U_SEI表示正负极球形颗粒表面因SEI膜存在产生的电压损失，E_eq表示正负极材料的平衡电位，R_SEI表示SEI膜的电阻，E_{eq_ref}表示参考温度下电极材料的平衡电位，T_ref表示参考温度。

锂电池充放电状态电化学产热方程有：

q_p＝aFjη_s

q₁＝q_r+q_p+q_j

式中：q_r表示反应热产生速率，q_p表示极化热产生速率，q_j表示欧姆热产生速率，q₁为电池充放电产热速率。

步骤30根据动力电池材料热分解反应原理，构建锂电池热失控材料分解产热方程，构建热失控模型；

电池热失控材料分解产热方程包括如下：

SEI膜分解产热反应数学模型如下：

式中：q_sei为SEI膜分解反应时单位体积热生成量，H_sei为每千克物质反应的放热量，W_c为单位含碳量，R_sei为反应速率，A_sei为指前因子，E_a,sei为反应活化能，R为气体反应常数，C_sei为不稳定锂在SEI膜中所占比例。

负极与电解质分解产热反应数学模型如下：

式中：q_ne为负极与电解液反应时单位体积热生成量，H_ne为每千克物质反应的放热量，W_c为单位含碳量，R_ne为反应速率，A_ne为指前因子，E_a,ne为反应活化能，C_ne为碳负极中嵌入锂参与反应的份额，t_sei为SEI膜厚度与活性物质特征大小的比值。

正极活性材料与电解质的反应数学模型如下：

式中：q_pe为正极与电解液反应时单位体积热生成量，H_pe为每千克物质反应的放热量，W_p为活性物质含量，R_pe为反应速率，A_pe为指前因子，E_a,pe为反应活化能，b为已反应的正极材料与全部正极材料之比。

电解质分解反应数学模型如下：

式中：q_ele为电解液分解反应时单位体积热生成量，H_e为每千克物质反应的放热量，W_e为电解液含量，R_e为反应速率，A_e为指前因子，E_a,e为反应活化能，C_e为剩余电解液与总电解液之比。

动力电池高温状态下，产热速率计算公式如下：

q₂＝q_sei+q_ne+q_pe+q_ele

式中：q₂为动力电池高温状态下的产热速率。

步骤40根据电池使用场景构建锂电池散热方程和传热方程，耦合上述电化学模型和热失控模型，继而完成电热与热失控耦合模型；

电池散热方程为：

q₃＝h(T_ext-T)

式中：q₃为电池散热速率，h为空气对流换热系数，T_ext为环境温度

电池电热与热失控耦合模型如下：

式中：λ_x为x轴方向电池导热系数，λ_y为y轴方向电池导热系数，λ_z为z轴方向电池导热系数。

步骤50根据已构建的电热与热失控耦合模型，使用CFD软件编程，输入数学模型，根据仿真需求，输入各参数变量初始值为边界条件，并进行网格划分，求解一系列数学方程，从而进行电池热特性仿真。

选择充放电倍率为10C(1C代表充/放电需1小时完成，10C表示10倍强度的电流)，初始温度设为293.15K，选择对外交换热量形式为对流热通量，对流系数设置为5w/(m²·K),初始SOC荷电状态为10％。

如图2所示，展示了本一维电化学模型划分，包括：正极201、隔膜202、负极203；

如图3所示，展示了本模型几何网格划分情况。

如图4所示，展示了电池平均温度变化图。

该方法可根据应用场合、动力电池特征对锂离子电池正常工作状态和热失控状态的各化学物质变化及温度特性仿真研究，本方法成本低、模拟精度高、适用广泛，能够可靠研究锂离子电池的温度特性。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，所述方法包括；

A根据动力电池使用场景及仿真计算需要建立几何优化模型，确定动力电池几何尺寸、热物性参数与电化学参数；

B根据动力电池电化学原理，构建锂电池电化学方程，进而构建锂电池电化学模型；

C根据动力电池材料热分解反应原理，构建锂电池热失控材料分解产热方程，进而构建热失控模型；

D根据电池使用场景构建锂电池散热方程和传热方程，耦合上述电化学模型和热失控模型，继而完成电热与热失控耦合模型；

E根据电热与热失控耦合模型，使用CFD软件编程，设定边界条件，网格划分，求解进行电池热特性仿真。

2.如权利要求1所述的基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，所述步骤A中：所述动力电池几何尺寸为动力电池单体的几何尺寸；所述热物性参数包括：电池各向导热率k、电池比热容C_p、电池密度ρ；电化学参数包括：负极长度L_neg、隔膜长度L_sep、正极长度L_pos、负极导电率σ_{s_neg}、正极导电率σ_{s_pos}、负极区域体积分数ε_{s_neg}、正极区域体积分数ε_{s_pos}、负极区域电解质相体积分数ε_{l_neg}、隔膜区域电解质相体积分数ε_{l_sep}、正极区域电解质相体积分数ε_{l_pos}、负极区域组成粒子半径r_{s_neg}、正极区域组成粒子半径r_{s_pos}、负极区域锂离子初始浓度C_{s0_neg}、正极区域锂离子初始浓度C_{s0_pos}、负极区域锂离子初始浓度占比C_l0、正极区域锂离子初始浓度占比C_{s0_pos}/C_{smax_pos}、隔膜初始锂离子浓度C_s0/C_smax、负极电化学反应速率k_neg、正极电化学反应速率k_pos、隔膜锂离子迁移数t₊、阳极传递系数α_α、阴极传递系数α_c、负极brug_neg修正系数、隔膜brug_sep修正系数与正极brug_pos修正系数。

3.如权利要求1所述的基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，所述步骤B中锂电池电化学方程包括如下:

固相锂离子物料守恒方程：

式中:c_s表示电极活性颗粒内部固相锂离子浓度，t表示时间，D_s表示电极活性颗粒内部固相锂离子浓度，r表示球形颗粒内部半径方向距离；

液相锂离子物料守恒方程：

式中：ε_l表示多孔电极电解质相体积分数，c_e表示电解质相锂离子浓度，

表示液相锂离子有效扩散系数，a表示隔膜比表面积，t₊表示锂离子迁移数,j表示球形颗粒表面单位截面锂离子扩散通量,ε_s表示正极区域、负极区域或者隔膜固相体积分数，r_s表示正极、负极或者隔膜组成粒子半径，D_e表示液相锂离子扩散系数，_brug表示Bruggeman修正系数；

固相电荷守恒方程：

式中：

表示固相有效电导率，i_s表示固相电流密度，φ_s表示固相电势，σ_s表示固相电导率,F表示法拉第常数；

液相电荷守恒方程：

式中：

表示电解液有效电导率，φ_e表示液相电势，R表示理想气体常数，T表示锂离子电池的温度，f_±表示电解液平均活度系数；

电化学反应动力学方程：

η_s＝(φ_s-φ_e-U_SEI)-E_eq

U_SEI＝aFjR_SEI

式中：i₀表示交换电流密度，α_a表示阳极传递系数，α_c表示阴极传递系数，η_s表示电极过电位，k表示电化学反应速率，c_{s_suf}表示固相电极球形颗粒表面出的嵌锂浓度，U_SEI表示正负极球形颗粒表面因SEI膜存在产生的电压损失，E_eq表示正负极材料的平衡电位，R_SEI表示SEI膜的电阻，E_{eq_ref}表示参考温度下电极材料的平衡电位，T_ref表示参考温度；

锂电池充放电状态电化学产热方程有：

q_p＝aFjη_s

q₁＝q_r+q_p+q_j

式中：q_r表示反应热产生速率，q_p表示极化热产生速率，q_j表示欧姆热产生速率，q₁为电池充放电产热速率。

4.如权利要求1所述的基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，锂电池热失控材料分解产热方程包括：

SEI膜分解产热反应数学模型如下：

式中：q_sei为SEI膜分解反应时单位体积热生成量，H_sei为每千克物质反应的放热量，W_c为单位含碳量，R_sei为反应速率，A_sei为指前因子，E_a,sei为反应活化能，R为气体反应常数，C_sei为不稳定锂在SEI膜中所占比例；

负极与电解质分解产热反应数学模型如下：

式中：q_ne为负极与电解液反应时单位体积热生成量，H_ne为每千克物质反应的放热量，W_c为单位含碳量，R_ne为反应速率，A_ne为指前因子，E_a,ne为反应活化能，C_ne为碳负极中嵌入锂参与反应的份额，t_sei为SEI膜厚度与活性物质特征大小的比值；

正极活性材料与电解质的反应数学模型如下：

式中：q_pe为正极与电解液反应时单位体积热生成量，H_pe为每千克物质反应的放热量，W_p为活性物质含量，R_pe为反应速率，A_pe为指前因子，E_a,pe为反应活化能，b为已反应的正极材料与全部正极材料之比；

电解质分解反应数学模型如下：

式中：q_ele为电解液分解反应时单位体积热生成量，H_e为每千克物质反应的放热量，W_e为电解液含量，R_e为反应速率，A_e为指前因子，E_a,e为反应活化能，C_e为剩余电解液与总电解液之比；

动力电池高温状态下，产热速率计算公式如下：

q₂＝q_sei+q_ne+q_pe+q_ele

式中：q₂为动力电池高温状态下的产热速率。

5.如权利要求1所述的基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，所述步骤D中锂电池热失控材料散热方程为：

q₃＝h(T_ext-T)

式中：q₃为电池散热速率，h为空气对流换热系数，T_ext为环境温度

电池电热与热失控耦合模型如下：

式中：λ_x为x轴方向电池导热系数，λ_y为y轴方向电池导热系数，λ_z为z轴方向电池导热系数。

6.如权利要求1所述的基于电热与热失控耦合模型的动力电池仿真方法，其特征在于，所述步骤E具体包括：根据电热与热失控耦合模型，使用CFD软件编程，输入数学模型，根据仿真需求，输入各参数变量初始值并进行自适应网格划分，求解一系列数学方程，从而进行电池热特性仿真。

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