CN112485674B - 一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，属于电池技术领域技术领域。该方法首先获取锂离子电池的质量和关键几何参数，建立该电池的几何模型；然后再利用四个相同的锂离子电池制造四种内短路损伤，进而得到每种内短路损伤的内阻；在几何模型的基础上建立锂离子电池的三维热模型，并在电模型基础上考虑内短路过程建立内短路电模型；三维热模型和内短路电模型组成该电池的内短路热失控模型。本发明具有可以高效、准确、安全建立锂离子电池内短路模型的优点，用于探究内短路导致热失控的边界条件，指导电池与电池包设计，有效缩短开发时长。

Description

一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法

技术领域

本发明属于电池技术领域技术领域，特别提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法。

背景技术

锂离子电池内短路是重要的安全问题。内短路是电池内部正极和负极直接或间接接触后，发生的放电并伴随放热的现象，是锂离子电池热失控的共性环节，因此建立锂离子电池内短路导致热失控的模型十分关键。该模型可以用于研究内短路导致热失控的边界条件，进而指导电池的设计和电池包的设计。

目前，常用的锂离子电池内短路建模方法，主要基于等效电阻内短路实验，获取电池内短路的热特征与电特征，该方法由于外电路产热、短路面积过大等原因，偏离真实内短路程度较高，很难在内短路后触发电池的热失控事故。同时，该方法没有触发真实的内短路，缺少对于电池真实内短路损伤程度的测量。因此，所以建立的锂离子电池内短路模型，无法真实预测电池内短路后造成电池热失控的行为。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法。本发明具有可以高效、准确、安全建立锂离子电池内短路模型的优点，用于探究内短路导致热失控的边界条件，指导电池与电池包设计，有效缩短开发时长。

本发明提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)任意选定一款待建模的锂离子电池，测量该电池的质量m和关键几何参数；

基于关键几何参数建立该电池的三维几何模型，计算该电池电芯的体积V，计算该电池的密度ρ＝m/V；

2)获取四个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，将该四个锂离子电池均放电至0V并拆解，然后将得到的四个锂离子电池卷芯静置、风干，至电解液完全挥发后，分别在每个卷芯内部制造一种内短路损伤，得到分别对应四种内短路损伤的四个卷芯；其中，所述四种内短路损伤分别为：正极-负极内短路损伤、正极-铜内短路损伤、铝-负极内短路损伤和铝-铜内短路损伤；

3)将步骤2)得到的每个卷芯夹紧，并使用直流内阻仪器连接该卷芯正负极并测量电阻，得到每个卷芯的内短路内阻，分别记为R_ISC1、R_ISC2、R_ISC3、R_ISC4，分别代表四种内短路损伤的内阻；

4)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该锂离子电池进行绝热热失控测试，记录测试过程中的该电池不同时刻的温度T(t)构成的温度时间曲线和不同时刻的电压V(t)构成的电压时间曲线；

对温度时间曲线进行分析，计算温度时间曲线的微分，获得dT/dt(t)构成的温升速率曲线，根据温升速率曲线，获得该电池热失控起始温度T₁；根据温度时间曲线获得热失控最高温度T₂；根据电压时间曲线获得电池隔膜失效温度T_s；

进一步，计算该电池所包含的热失控化学能：

H_TR＝C_P×m×(T₂-T₁)

其中，C_P是电池的比热容；

5)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该电池进行常温充放电测试、混合动力脉冲能力特性测试，并建立该锂离子电池的电模型，计算该电池使用过程中的端电压U_t与电流I，

6)在步骤1)建立的几何模型基础上，建立锂离子电池的三维热模型，其中，三维热模型的电池温度T分布的控制方程为：

其中，λ_i为电池的导热系数，下标i＝{x,y,z}分别代表xyz三个导热方向，Q为电池的生热速率；

Q＝Q_rev+Q_irr+Q_ISC+Q_TR

其中，Q_rev为电池可逆产热，Q_irr为电池不可逆产热，Q_ISC为内短路产热，Q_TR为热失控产热；

其中I为电池电流，T_avg为电池平均温度，

为熵系数；

Q_irr＝I²R₀

其中，R₀为电池的欧姆内阻；

其中，R_ISC为电池短路内阻，R_ISC＝ξ_ISCR_ISCj，R_ISCj由步骤3)获得，下标j＝{1,2,3,4}分别代表步骤3)的四种内短路损伤；ξ_ISC为内短路系数，

其中，C_TR为热失控速率，

C_TR为热失控速率参数；

该模型中，边界条件为

即为绝热边界条件；

7)在步骤5)建立的电模型基础上将短路内阻串联连接至电模型中的端电压部分，建立内短路电模型，其中端电压U_t与电流I的关系为U_t＝IR_ISC；

8)锂离子电池内短路热失控模型建立完毕，该模型包括步骤6)建立的三维热模型和步骤7)建立的内短路电模型；

将设定的模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0输入锂离子电池内短路热失控模型，该模型输出不同时刻的端电压U_t(t)构成的端电压时间曲线及电池不同位置在不同时刻的温度T(t)构成的的温度时间曲线T(t)。

本发明的特点及有益效果：

本发明建立了考虑热失控的电-热耦合内短路模型，可以同时模拟电池内短路后的电行为与热行为，进一步判断内短路是否会造成电池的热失控，并模拟电池热失控后的行为，建立了电池内短路全过程模型，更全面仿真模拟电池的安全性能，用于研究内短路导致热失控的边界条件，进而指导电池的设计和电池包的设计。该方法明确了四种内短路损伤的制造及定量测试方法，并应用四种内短路损伤对电池的内短路安全性能进行判断。建模中，考虑了随着电池温度升高，隔膜融化导致短路内阻下降的现象，使得对于内短路后的电压行为预测更为准确，进一步提高了所获得的热失控边界的精度。该方法无需进行复杂的、危险的内短路模拟实验，即可建立较为准确的内短路模型，有效提高了建模的效率与安全性，进一步缩短电池设计、电池包设计与管理方法开发的周期。

附图说明

图1是本发明的一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法的整体流程图；

图2是本实施例建立的软包电池几何模型，该电池由主体、极耳、铝塑膜外壳组成；

图3是本实施例中制作第一种内短路损伤电池的方法，即正极-负极内短路损伤；

图4是本实施例中制作第二种内短路损伤电池的方法，即正极-铜内短路损伤；

图5是本实施例中制作第三种内短路损伤电池的方法，即铝-负极内短路损伤；

图6是本实施例中制作第四种内短路损伤电池的方法，即铝-铜内短路损伤；

图7是本实施例中的电池绝热热失控测试结果，包括温度时间曲线、电压时间曲线、电压温度曲线及温升速度温度曲线；

图8是本实施例使用的一阶RC等效电路模型；

图9是本实施例使用的一阶RC等效电路模型中的参数；

图10是本实施例使用的一阶RC等效电路内短路模型；

图11是使用本发明建立的模型，预测的四种内短路损伤下电池的电压时间曲线与电池最高温度时间曲线；

图12是使用本发明建立的模型，研究电池内短路热失控边界条件的结果。

具体实施方式

本发明提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，下面结合附图及具体实施例详细说明如下：

本发明提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：

1)任意选定一款待建模的锂离子电池(型号无特殊要求)，测量该电池的质量m和关键几何参数；

对于软包及方形电池，其关键几何参数包括电池的长度L、厚度B及高度H；对于圆柱形电池，其关键几何参数包括电池的高度H和直径D；

基于关键几何参数建立该电池的三维几何模型，并计算该电池电芯的体积V，计算表达式为：对于软包及方形电池V＝L×B×H，对于圆柱形电池V＝0.25π×D²×H，进而计算该电池的密度ρ＝m/V。

2)获取四个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，将该四个锂离子电池均放电至0V并拆解，然后将得到的四个锂离子电池卷芯静置、风干，至电解液完全挥发后，分别在每个卷芯内部制造一种内短路损伤，得到分别对应四种内短路损伤的四个卷芯。

所述四种内短路损伤制造方法分别为：

将第一个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，将卷芯重新组装并复原，得到了正极-负极内短路损伤卷芯。

将第二个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的负极活性材料，使对应该位置的铜集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到了正极-铜内短路损伤卷芯。

将第三个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料，使对应该位置的铝集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到了铝-负极内短路损伤卷芯。

将第四个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料及负极活性材料，使对应该位置的铝集流体和铜集流体分别露出，将卷芯重新组装并复原，得到了铝-铜内短路损伤卷芯。

3)将步骤2)得到的每个卷芯夹紧，并使用直流内阻仪器连接该卷芯正负极并测量电阻，得到每个卷芯的内短路内阻，分别记为R_ISC1、R_ISC2、R_ISC3、R_ISC4，分别代表四种内短路损伤的内阻。

4)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该锂离子电池进行绝热热失控测试，记录测试过程中的该电池不同时刻的温度T(t)构成的温度时间曲线和不同时刻的电压V(t)构成的电压时间曲线。

对温度时间曲线进行分析，计算温度时间曲线的微分，获得dT/dt(t)构成的温升速率曲线，根据温升速率曲线，获得该电池热失控起始温度T₁(温度上升速率dT/dt首次大于1℃/s的时刻对应的电池温度)。根据温度时间曲线获得热失控最高温度T₂(温度曲线中的温度最大值)。根据电压时间曲线获得电池隔膜失效温度T_s(电池电压曲线发生突降的时刻对应的电池温度)。

进一步，计算该电池所包含的热失控化学能H_TR＝C_P×m×(T₂-T₁)，m是步骤1)测量的电池质量；C_P是电池的比热容，可以通过测量得到，也可以采用文献值。

5)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该电池进行常温充放电测试、混合动力脉冲能力特性测试，并建立该锂离子电池的电模型，计算该电池使用过程中的端电压U_t与电流I，此处锂离子电池的电模型可以采用等效电路模型、电化学模型等。

本实施例中电模型采用一阶RC等效电路模型，表达式如下：

U₁＝IR₁×[1-exp(-t/τ₁)]

U_t＝OCV(SOC)-IR₀-U₁

其中，R₀为该锂离子电池的欧姆阻抗，R₁为极化阻抗，τ₁为时间常数，OCV为相应SOC下电池的开路电压，这些参数都可以通过混合动力脉冲能力特性测试、充放电测试辨识得到。

6)在步骤1)建立的几何模型基础上，建立锂离子电池的三维热模型，其中，三维热模型的电池温度T分布的控制方程为：

其中ρ为电池密度，由步骤1)计算得到，λ_i为电池的导热系数，下标i＝{x,y,z}代表不同的导热方向，可通过测试得到，也可以采用文献值，Q为电池的生热速率。

Q＝Q_rev+Q_irr+Q_ISC+Q_TR，由四部分组成，Q_rev为电池可逆产热，Q_irr为电池不可逆产热，Q_ISC为内短路产热，Q_TR为热失控产热。其中，前三项的产热与电流有关，电流在电模型中与内短路阻值有关，因此前三项都与内短路损伤程度有关，不是确定的。第四项与内短路损伤无关。

其中I为电池电流，T_avg为电池平均温度，通过计算电池三维温度场平均值得到，

为熵系数，可通过实验测量，也可以采用文献值。

Q_irr＝I²R₀，R₀为电池的欧姆内阻。

R_ISC为电池短路内阻，R_ISC＝ξ_ISCR_ISCj，R_ISCj由步骤3)获得，下标j＝{1,2,3,4}分别代表步骤3)获得的四种内短路损伤，ξ_ISC为内短路系数，反应电池当前隔膜融化情况，

其中T_s为步骤4)获得的电池隔膜失效温度。

其中V为步骤1)计算的电池体积，H_TR为步骤4)计算的电池热失控化学能，C_TR为热失控速率，

C_TR为热失控速率参数，一般采用文献值5～12，T₁为步骤4获得的该电池热失控起始温度。

该模型中，边界条件为

即为绝热边界条件。

7)在步骤5)建立的电模型基础上将短路内阻串联连接至电模型中的端电压部分，建立内短路电模型，其中端电压U_t与电流I的关系为U_t＝IR_ISC，R_ISC为步骤6)所计算的电池短路内阻。

8)锂离子电池内短路热失控模型建立完毕，该模型包括步骤6)建立的三维热模型和步骤7)建立的内短路电模型；

锂离子电池内短路热失控模型的使用方法为：设定模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0。上述四个参数输入步骤7)建立的内短路电模型中，计算当前时刻的端电压U_t与电流I，并将模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0和内短路模型中计算得到的当前时刻的端电压U_t与电流I输入至步骤6)建立的三维热模型，计算当前时刻下的温度分布T及短路内阻R_ISC，然后将T和R_ISC输入至步骤7)建立的内短路模型，实现循环计算，直至内短路电模型计算得到的电池的端电压U_t小于5mV，计算结束，输出不同时刻的端电压U_t(t)构成的端电压时间曲线及电池不同位置在不同时刻的温度T(t)构成的的温度时间曲线T(t)。

本实施例中，设定SOC＝100％，T₀＝25℃，R_ISC0＝R_ISCj，下标j＝{1,2,3,4}代表步骤3)获得的四种内短路损伤，将上述参数输入锂离子电池内短路热失控模型，该模型输出四种内短路损伤下的电池的电压时间曲线U_t(t)与温度时间曲线T(t)，用于描述内短路后的电池行为，其中每种内短路损伤下温度时间曲线的最大值为电池最高温度T_max，将该最高温度作为对应内短路损伤的内短路安全性的评价指标。

下面结合一个实施例对本发明进一步详细说明如下：

本实施例提出一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，包括以下步骤：

1)选定一款1Ah软包锂离子电池，测量电池的质量m＝25g和电池主体部分的关键几何参数，其关键几何参数包括电池的长度L＝0.048m、厚度B＝0.007m及高度H＝0.058m，基于所测量参数建立该电池的三维几何模型，如图2所示，该模型中可以忽略电池极耳等飞主体部件，仅考虑卷芯所在的电池主体，并在电池中央建立直径为4mm的圆形内短路区域，并计算该电芯的体积为V＝1.95×10^-5m³，及密度S＝1302kg/m³。

2)获取四个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，将该四个锂离子电池均放电至0V并拆解，然后将得到的四个锂离子电池卷芯静置、风干，至电解液完全挥发后，分别在每个卷芯内部制造一种内短路损伤，共四种内短路损伤卷芯。

四种内短路损伤制造方法分别为：

将第一个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，将卷芯重新组装并复原，得到了正极-负极内短路损伤卷芯，如图3所示。

将第二个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的负极活性材料，使对应该位置的铜集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到了正极-铜内短路损伤卷芯，如图4所示。

将第三个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料，使对应该位置的铝集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到了铝-负极内短路损伤卷芯，如图5所示。

将第四个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为4mm的圆形孔洞，保证该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料及负极活性材料，使对应该位置的铝集流体和铜集流体分别露出，将卷芯重新组装并复原，得到了铝-铜内短路损伤卷芯，如图6所示。

3)将步骤2)得到的每个卷芯夹紧，并使用直流内阻仪器连接该卷芯正负极，测量电阻，得到四个卷芯的内短路内阻，分别记为R_ISC1、R_ISC2、R_ISC3、R_ISC4，分别对应四种内短路损伤的内阻。

本实施例测量得到的四种内短路损伤的内阻值如下表所示：

表1本实施例的四种内短路损伤的内阻值表

符号	案例测试结果/Ω	一般范围/Ω
			R<sub>ISC1</sub>	163.0	>100
R<sub>ISC2</sub>	49.40	30～100
			R<sub>ISC3</sub>	0.015	<0.05
R<sub>ISC4</sub>	3.069	0.5～10

4)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该锂离子电池进行绝热热失控测试，记录测试过程中的不同时刻的温度T(t)构成的温度时间曲线和不同时刻的电压V(t)构成的电压时间曲线，如图7所示。

对温度时间曲线进行分析，计算温度时间曲线的微分，获得dT/dt构成的温升速率曲线，根据该曲线，获得该电池热失控起始温度T₁为169.1℃(温度上升速率dT/dt首次大于1℃/s的时刻对应的电池温度)。根据温度曲线获得热失控最高温度T₂为830.5℃(温度曲线中的温度最大值)。根据电压曲线获得电池隔膜失效温度T_s为162.9℃(电池电压曲线发生突降的时刻对应的电池温度)。

进一步，计算该电池所包含的热失控化学能H_TR＝18188.5J，C_P是电池的比热容，采用文献值1100J/kg·K。

5)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对该电池进行常温充放电测试、混合动力脉冲能力特性测试，并建立该锂离子电池的电模型，计算该电池使用过程中的端电压U_t与电流I，此处可以采用等效电路模型、电化学模型等。

本实施例中电模型可采用一阶RC等效电路模型，如图8所示。

U₁＝IR₁×[1-exp(-t/τ₁)]

U_t＝OCV(SOC)-IR₀-U₁

其中，R₀为该锂离子电池的欧姆阻抗，R₁为极化阻抗，τ₁为时间常数，OCV为相应SOC下电池的开路电压，这些参数都可以通过混合动力脉冲能力特性测试、充放电测试辨识得到，如图9所示，其中图9a)为通过测试数据及模型辨识得到的极化阻抗R₁-SOC曲线，图9b)为通过测试数据及模型辨识得到的欧姆阻抗R₀-SOC曲线，图9c)为通过测试数据及模型辨识得到的时间常数τ₁-SOC曲线，图9d)为通过测试数据及模型辨识得到的开路电压OCV-SOC曲线。

6)在步骤1)建立的几何模型基础上，建立锂离子电池的三维热模型，电池温度T分布的控制方程为：

其中ρ为电池密度，由步骤1)计算得到，λ_i为电池的导热系数，下标i＝{x,y,z}代表不同的导热方向，可通过测试得到，也可以采用文献值，Q为电池的生热速率。

Q＝Q_rev+Q_irr+Q_ISC+Q_TR，由四部分组成，Q_rev为电池可逆产热，Q_irr为电池不可逆产热，Q_ISC为内短路产热，Q_TR为热失控产热。

其中I为电池电流，T_avg为电池平均温度，通过计算三维温度场平均值得到，

为熵系数，可通过实验测量，也可以采用文献值。

Q_irr＝I²R₀，R₀为电池的欧姆内阻。

R_ISC为电池短路内阻，R_ISC＝ξ_ISCR_ISCj，R_ISCj由步骤3获得，下标j＝{1,2,3,4}分别代表步骤3)获得的四种内短路损伤，ξ_ISC为内短路系数，反应电池当前隔膜融化情况，

其中T_s为步骤4获得的电池隔膜失效温度。

其中V为步骤1计算的电池体积，U_TR为步骤4)计算的电池热失控化学能，C_TR为热失控速率，

C_TR为热失控速率参数，一般采用文献值5～12，T₁为步骤4)获得的该电池热失控起始温度。

该模型中，边界条件为

即为绝热边界条件。

7)在步骤5)建立的电模型基础上将短路内阻串联连接至电模型中的端电压部分建立内短路电模型，如图10所示，其中端电压U_t与电流I的关系为U_t＝IR_ISC，R_ISC为电池短路内阻为步骤6)所计算的短路内阻。

8)锂离子电池内短路热失控模型建立完毕，该模型包括步骤6)建立的三维热模型和步骤7)建立的内短路电模型；

该模型使用方法为：设定模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0。上述四个参数输入步骤7)建立的内短路电模型中，计算当前时刻的端电压U_t与电流I，并将模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0和内短路模型中计算得到的当前时刻的端电压U_t与电流I输入至步骤6)建立的三维热模型，计算当前时刻下的温度分布T及短路内阻R_ISC，然后将T和R_ISC输入至步骤7)建立的内短路模型，实现循环计算，直至内短路电模型计算得到的电池的端电压U_t小于5mV，计算结束，输出不同时刻的端电压U_t(t)构成的端电压时间曲线及电池不同位置在不同时刻的温度T(t)构成的的温度时间曲线T(t)。

本实施例中，设定Δt＝10ms，SOC＝100％，T₀＝25℃，R_ISC0＝R_ISCj，下标j＝{1,2,3,4}代表步骤3)获得的四种内短路损伤，将上述参数输入锂离子电池内短路热失控模型，该模型输出四种内短路损伤下的电池的端电压时间曲线与温度时间曲线，如图11所示，其中图11a)为第一种内短路损伤下的电池端电压时间曲线与第二种内短路损伤下的电池端电压时间曲线，图11b)为第一种内短路损伤下的电池最高温度时间曲线与第二种内短路损伤下的电池最高温度时间曲线，第一种内短路损伤为正极-负极类型内短路，第二种内短路损伤为正极-铜类型内短路，其内短路阻值较大，电压下降缓慢，且没有明显的温度升高；图11c)为第三种内短路损伤下的电池端电压时间曲线与第四种内短路损伤下的电池端电压时间曲线，图11d)为第三种内短路损伤下的电池最高温度时间曲线与第四种内短路损伤下的电池最高温度时间曲线，第三种内短路损伤为铝-负极类型内短路，第四种内短路损伤为铝-铜类型内短路，铝-负极内短路发生后，电池释放出较多电能且在局部区域累积出发了电池的热失控，温度不可控上升至1300℃左右，铝-铜类型内短路后发生后电池电压瞬间失效，电池最高温度上升至150℃左右，但未触发电池热失控。

选取SOC＝{0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100}％，选取R_ISC0＝{0.05,0.1,0.15,0.2,…,1.95,2}Ω，对于每一个SOC取值，将其与每一个R_ISC0取值进行组合输入锂离子电池内短路热失控模型，即将11*40组SOC、R_ISC0取值组合输入锂离子电池内短路热失控模型，根据的输出结果，可计算得到该电池的内短路-热失控边界，如图12所示。

Claims (4)

1.一种正向锂离子电池内短路热失控建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)任意选定一款待建模的锂离子电池，测量该电池的质量m和关键几何参数；

基于关键几何参数建立该电池的三维几何模型，计算该电池电芯的体积V，计算该电池的密度ρ＝m/V；

2)获取四个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，将步骤2)获取的四个锂离子电池均放电至0V并拆解，然后将得到的四个锂离子电池卷芯静置、风干，至电解液完全挥发后，分别在每个卷芯内部制造一种内短路损伤，得到分别对应四种内短路损伤的四个卷芯；其中，所述四种内短路损伤分别为：正极-负极内短路损伤、正极-铜内短路损伤、铝-负极内短路损伤和铝-铜内短路损伤；

3)将步骤2)得到的每个卷芯夹紧，并使用直流内阻仪器连接每个卷芯正负极并测量电阻，得到每个卷芯的内短路内阻，分别记为R_ISC1、R_ISC2、R_ISC3、R_ISC4，分别代表四种内短路损伤的内阻；

4)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对步骤4)获取的锂离子电池进行绝热热失控测试，记录测试过程中的步骤4)获取的锂离子电池不同时刻的温度T(t)构成的温度时间曲线和不同时刻的电压V(t)构成的电压时间曲线；

对温度时间曲线进行分析，计算温度时间曲线的微分，获得dT/dt(t)构成的温升速率曲线，根据温升速率曲线，获得步骤4)获取的锂离子电池热失控起始温度T₁；根据温度时间曲线获得热失控最高温度T₂；根据电压时间曲线获得电池隔膜失效温度T_s；

进一步，计算步骤4)获取的锂离子电池所包含的热失控化学能：

H_TR＝C_P×m×(T₂-T₁)

其中，C_P是电池的比热容；

5)获取一个与步骤1)选定的电池型号相同且全新的锂离子电池，对步骤5)获取的锂离子电池进行常温充放电测试、混合动力脉冲能力特性测试，并建立步骤5)获取的锂离子电池的电模型，计算步骤5)获取的锂离子电池使用过程中的端电压U_t与电流I，

6)在步骤1)建立的三维几何模型基础上，建立锂离子电池的三维热模型，其中，三维热模型的电池温度T分布的控制方程为：

其中，λ_i为电池的导热系数，下标i＝{x,y,z}分别代表xyz三个导热方向，Q为电池的生热速率；

Q＝Q_rev+Q_irr+Q_ISC+Q_TR

其中，Q_rev为电池可逆产热，Q_irr为电池不可逆产热，Q_ISC为内短路产热，Q_TR为热失控产热；

其中I为电池电流，T_avg为电池平均温度，

为熵系数；

Q_irr＝I²R₀

其中，R₀为电池的欧姆内阻；

其中，R_ISC为电池短路内阻，R_ISC＝ξ_ISCR_ISCj，R_ISCj由步骤3)获得，下标j＝{1,2,3,4}分别代表步骤3)的四种内短路损伤；ξ_ISC为内短路系数，

其中，c_TR为热失控速率，

C_TR为热失控速率参数；

该模型中，边界条件为

即为绝热边界条件；

7)在步骤5)建立的电模型基础上将内短路内阻串联连接至电模型中的端电压部分，建立内短路电模型，其中端电压U_t与电流I的关系为U_t＝IR_ISC；

8)锂离子电池内短路热失控模型建立完毕，该模型包括步骤6)建立的三维热模型和步骤7)建立的内短路电模型；

将设定的锂离子电池内短路热失控模型计算步长Δt，初始荷电状态SOC，电池初始温度T₀，以及初始短路内阻R_ISC0输入锂离子电池内短路热失控模型，锂离子电池内短路热失控模型输出不同时刻的端电压U_t(t)构成的端电压时间曲线及电池不同位置在不同时刻的温度T(t)构成的温度时间曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中关键几何参数具体如下：

对于软包及方形电池，关键几何参数包括电池的长度L、厚度B及高度H；对于圆柱形电池，关键几何参数包括电池的高度H和直径D。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中四种内短路损伤制造方法分别为：

将第一个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，使得该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，将卷芯重新组装并复原，得到正极-负极内短路损伤卷芯；

将第二个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，使得该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的负极活性材料，使对应该位置的铜集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到正极-铜内短路损伤卷芯；

将第三个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，使得该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料，使对应该位置的铝集流体露出，将卷芯重新组装并复原，得到铝-负极内短路损伤卷芯；

将第四个锂离子电池卷芯拆解，在隔膜中心位置切割一个直径为2～4mm的圆形孔洞，使得该孔洞两侧材料分别是正极活性材料和负极活性材料，使用刀轻轻刮除或者使用少量N-甲基吡咯烷酮擦拭掉对应圆形孔洞位置的正极活性材料及负极活性材料，使对应该位置的铝集流体和铜集流体分别露出，将卷芯重新组装并复原，得到铝-铜内短路损伤卷芯。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中电模型采用一阶RC等效电路模型，表达式如下：

U₁＝IR₁×[1-exp(-t/τ₁)]

U_t＝OCV(SOC)-IR₀-U₁

其中，R₁为极化阻抗，τ₁为时间常数，OCV为相应SOC下电池的开路电压。

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