CN112883610A - 叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叠片式锂离子电池的电化学‑热‑结构耦合多尺度建模方法，在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，进行赋值和网格划分，构建相应三维电化学模型；在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维热‑结构耦合模型；基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布与三维生热率分布，并映射到电池单体的三维热‑结构耦合模型上，计算电池单体内部的三维温度分布、三维热应力分布和三维扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热‑结构耦合模型的耦合关系，本发明可以高精度预测电池内部的三维温度分布和三维应力分布，同时大幅度缩减计算量。

Description

叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法

技术领域

本发明属于电池建模技术领域，具体涉及一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

锂离子电池是一种通过锂离子在电池正负极材料之间可逆性地嵌入和脱出来实现储能效应的电化学系统。由“正极-隔膜-负极”组成的电池单元是锂离子电池内部的基本结构元素。若干个电池单元在电池内部并联并层叠排列，从而组成具有一定容量的叠片式锂离子电池。与卷绕式电池相比，叠片式电池对内部空间的利用更充分，内阻更小，允许的充放电电流更大，具有能量密度高、充放电速度快、散热和变形均匀等一系列优点，是目前动力电池的首选结构形式。

为了设计和优化锂离子电池的结构、材料、安装和使用方式等，需要对锂离子电池进行建模，然后利用数值计算的手段预测其性能，如电池的电压、电流以及电池内部的温度分布、应力分布等。目前用于获取电压和电流的电池建模方法较多，也较为成熟。但如果想要获取充放电过程中电池内部的温度分布和应力分布，应当首先对锂离子电池进行几何建模和网格划分，建立相互耦合的电化学模型、热模型和结构模型，然后利用有限元法或有限体积法等数值计算手段，通过求解方程进行电池的性能仿真，从而获取电池内部的三维锂浓度分布、电流密度分布和产热率分布，并进一步获得三维温度分布以及包含了扩散应力和热应力的三维总应力分布。然而，在三维空间下电化学模型、热模型和结构模型涉及的方程多达几十个，方程之间还相互耦合，因此需要的计算工作量很大。尤其是对叠片式电池来说，内部存在几十个甚至上百个由“正极-隔膜-负极”组成的电池单元，每一个电池单元都相当于一个微型电池，因此需要的计算量更大，甚至完全无法进行计算。

为了解决上述问题，出现了很多简化的建模方法来获取电池内部的温度分布和应力分布。例如，中国发明专利CN110457742A，名称为“一种锂离子电池电化学-热-机械耦合模型及建模方法”，该发明专利在锂离子电池经典准二维电化学模型的基础上，引入电池在使用中电化学反应所产生的热量，同时采用三维集总参数热模型模拟电池循环过程中的温度变化，建立全寿命周期下电池的机械损伤模型用以描述电池在充放电过程中离子扩散诱导应力对电池寿命的影响，并利用动态参数补偿方法对模型进行耦合。但是，该方法建立的电化学模型是准二维的，这种电化学模型假定电池内部的锂浓度分布、电流密度分布和产热率分布在电池平面方向上都是均匀的，因而无法精确预测电池内部的三维温度分布和应力分布。

又如中国发明专利CN110633496A，名称为“一种基于热-力耦合模型的锂离子电池放电过程中热应力和温度的确定方法”，在锂离子电池三维几何尺度建立热膨胀模型，首先选取一种单体电芯，获取其三维几何参数、力学和热力学初始参数；然后根据热膨胀系数、温差及和应力-应变关系的耦合机制，建立三维电芯尺度的热-力耦合模型；接着通过实验测定电池温度和极耳温度，进行模型的有效性验证；最终得到电池的温度分布和沿着x、y、z三个方向的膨胀位移及应力。但是，该方法仅建立了电池的三维热-结构耦合模型，没有建立电池的电化学模型，因而在产热率方面仍然采用了均匀性假定，同样无法精确预测电池内部的三维温度分布和应力分布；同时该方法只能获取热应力分布，无法获取扩散应力分布，而充放电过程中电池内部的应力是由热应力和扩散应力共同组成的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，本发明可以对叠片式锂离子电池进行精细化建模，较高精度的预测电池内部的三维温度分布和应力分布，同时大幅度缩减计算量，适合工程应用。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，包括以下步骤：

在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，然后进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型；

在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，然后进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型；

基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布、三维生热率分布与三维锂浓度分布，并将三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系。

作为可选择的实施方式，建立单个电池单元的三维几何模型的具体过程包括：根据正负极活性层、正负极集流体、隔膜的实际尺寸建立电池单元的三维几何模型。

作为可选择的实施方式，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型的具体过程包括：对三维几何模型中各部分结构设置连接关系和材料参数，给定电动力学边界条件和初始温度，最后进行网格划分，从而建立电池单元的三维电化学模型。

作为进一步的限定，所述电动力学边界条件包括以下中的至少一个：

在电子输运方面，在负极集流体上的极耳边界处设置零电势，在隔膜两侧设置绝缘边界条件；

在Li⁺输运方面，在正极集流体与正极活性层接触处设置绝缘边界条件，在负极集流体与负极活性层接触处设置绝缘边界条件；

在电池单元的外部边界设置无通量边界条件。

作为进一步的限定，所述网格划分的过程包括利用四边形网格对负极集流体的外表面进行划分，然后基于该表面的网格，采用拉伸方法对整个电池单元在厚度方向上进行划分。

作为可选择的实施方式，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型的具体过程包括：根据电池的实际结构和尺寸建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，包括正负极活性层、正负极集流体、隔膜、正负极耳以及封装材料等。

作为可选择的实施方式，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型的具体过程包括：对三维几何模型中的各部分结构设置连接关系和材料参数，并设定模型的热力学边界条件和力学边界条件，最后进行网格划分，从而建立电池单体的三维热-结构耦合模型。

作为进一步的限定，所述材料参数包括各活性材料的锂化膨胀系数和各材料的热膨胀系数。

作为进一步的限定，所述边界条件包括：在封装材料和正负极耳与空气接触的表面设置热力学边界条件，在电池单体的上下表面设置力学边界条件。

作为可选择的实施方式，将电池单元中的三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上的具体过程包括：

将通过电化学模型得到的三维生热率分布复制到热-结构耦合模型中的一个电池单元上，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维生热率分布，在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维生热率分布复制到其他电池单元中，另外附上极耳处的焦耳生热率，得到整个电池单体的三维生热率分布。

将通过电化学模型得到的三维锂浓度分布复制到热-结构耦合模型中的一个电池单元上，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维锂浓度分布，在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维锂浓度分布复制到其他电池单元中，获得整个电池单体的三维锂浓度分布；

作为可选择的实施方式，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布的具体过程包括：结合生热率分布和热力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维温度分布；结合温度分布、各材料的热膨胀系数和力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维热应力分布；结合锂浓度分布、各活性材料的锂化膨胀系数和力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维扩散应力分布；将三维热应力分布和三维扩散应力分布叠加，得到电池单体内部的三维总应力分布。

作为可选择的实施方式，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系的具体过程包括：计算电池单体内部的温度分布时，在热-结构耦合模型中添加时间变量，以实时求得电池单体的温度平均值，将该时间变量赋予到电化学模型的初始温度，实时更新电化学模型中受温度影响的材料参数。

一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模系统，包括：

电池单元建模模块，被配置为在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型；

电池单体建模模块，被配置为在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型；

耦合模块，被配置为基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布、三维生热率分布与三维锂浓度分布，并将三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明构建了电池单元的三维电化学模型，可以获取三维锂浓度分布，因此对于扩散应力分布的计算结果更加精确；同时还可以获取三维电流密度分布和三维生热率分布，对于温度分布和热应力分布的计算结果更加精确。

本发明构建了电池单体的热-结构耦合模型，该模型包含了全部电池单元，因此对温度分布和应力分布的计算结果更加精确。电化学模型仅包括单组电池单元，然后将计算结果映射到电池单体的每一个电池单元上，从而大幅度减少了计算量，适合工程应用。

本发明由于考虑了电流密度、生热率、温度和应力之间的耦合关系，因此对温度分布和应力分布的计算结果更加精确。

本发明能够对叠片式锂离子电池进行精细化建模，获取材料、结构、使用环境和充放电方式等因素对电池内部温度和应力的影响规律，为电池设计、电池模组设计、热管理系统设计和充放电方式设计提供参考依据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为叠片式锂离子电池的实物示意图。

图2为叠片式锂离子电池的结构示意图。

图3为本实施例中电池单元的三维电化学模型的示意图。

图4为本实施例电池单体的三维热-结构耦合模型的示意图。

图5为本实施例中电池单元的三维电流密度分布的示意图。

图6为本实施例中电池单体的三维温度分布的示意图。

图7为本实施例中去掉铝塑膜和极耳后电池单体内部的三维应力分布的示意图。

图8为本实施例中电化学模型和热-结构耦合模型之间的耦合关系的示意图。

图9为本实施例的整体流程示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本实施例以一款叠片式软包锂离子电池的建模方法为例，对于本发明的技术方案进行详细说明。

但是，本领域技术人员应当了解，本发明的技术方案并不仅限于该类锂离子电池，也可以应用至其他类型的叠片式锂离子电池。

如图1所示，在本实施例中，叠片式软包锂离子电池单体的正、负极活性材料分别为NCM111和石墨，正、负极集流体材料分别为铝和铜，正、负极耳材料分别为铝和铜，隔膜材料为聚乙烯，电解质材料为LiPF6溶于EC和DMC按1:2的比例混合形成的溶剂中。如图2所示，该电池的内部是由许多个电池单元组成的，每一个电池单元都由“正极-隔膜-负极”组成。其中正极由正极活性层和正极集流体组成，负极由负极活性层和负极集流体组成。各电池单元在电池内部并联并层叠排列，从而组成叠片式软包锂离子电池单体。

本实施例的建模方法，如图9所示，包括以下步骤：

(1)在介观尺度下建立包含“正极-隔膜-负极”的单个电池单元的三维电化学模型。

根据正负极活性层、正负极集流体、隔膜的实际尺寸建立电池单元的三维几何模型。然后对各部分结构设置连接关系和材料参数，给定电动力学边界条件和初始温度，最后进行网格划分，从而建立电池单元的三维电化学模型。由于活性层、集流体和隔膜的厚度通常为微米级，因此称为介观尺度下的模型。

在本实施例中，通过拆解该电池单体，得到正极、负极、隔膜等电池内部各结构的数量，并借助游标卡尺和螺旋测微仪获得各结构的尺寸。本实施例在有限元软件COMSOLMultiphysics中，首先建立一个电池单元的三维几何模型。该模型包括1片正极集流体、1片正极活性层、1片隔膜、1片负极活性层和1片负极集流体。然后分别设置正极集流体和正极活性层、正极活性层和隔膜、隔膜和负极活性层、负极活性层和负极集流体之间的连接关系，并分别设置正极集流体、正极活性层、隔膜、负极活性层和负极集流体的材料参数。设置边界条件时，考虑到整个域的电荷守恒，在电子输运方面，在负极集流体上的极耳边界处设置零电势，在隔膜两侧设置绝缘边界条件；在Li⁺输运方面，在正极集流体与正极活性层接触处设置绝缘边界条件，在负极集流体与负极活性层接触处也设置绝缘边界条件。考虑到整个域的物质守恒，在电池单元的外部边界设置无通量边界条件。

在本实施例中，设置初始温度为环境温度25℃。

当然，在其他实施例中，可以将上述参数的值进行改变。也可以将考虑的材料参数种类进行增加、减少或者变更。在此不再赘述。

同样的，本领域技术人员应当理解，本实施例提供的方案，在其他仿真软件中，如果仿真软件支持，也可以实现本实施例提供的技术方案，所以，本实施例中，有限元软件COMSOL Multiphysics仅为示例，并不起限定作用。下面出现同样情况，也当视为示例性内容。

然后进行网格划分。首先使用四边形网格对负极集流体的外表面进行划分。然后基于该表面的网格，采用拉伸方法对整个电池单元在厚度方向上进行划分。划分完成后网格数量为3600个，节点数量为4410个。最终得到的电池单元的三维电化学模型如图3所示。由于电池单元的厚度很薄，因此模型的外观近似一个平面。

(2)在宏观尺度下建立包含多个电池单元的电池单体的三维热-结构耦合模型。

根据电池的实际结构和尺寸建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，包括正负极活性层、正负极集流体、隔膜、正负极耳等。然后对各部分结构设置连接关系和材料参数，并设定模型的热力学边界条件和力学边界条件。最后进行网格划分，从而建立电池单体的三维热-结构耦合模型。其中材料参数包括各活性材料的锂化膨胀系数和各材料的热膨胀系数等。由于电池单体的尺寸通常在毫米和厘米级，因此称为宏观尺度下的模型。

在本实施例中，该电池单体由38个电池单元，1个正极耳、1个负极耳和外部的铝塑膜组成。本实施例在有限元软件COMSOL Multiphysics中，根据各部分的实际结构和尺寸建立电池单体的三维几何模型。然后分别设置正极集流体和正极活性层、正极活性层和隔膜、隔膜和负极活性层、负极活性层和负极集流体、极耳和电池单元、铝塑膜和电池单元、铝塑膜和极耳之间的连接关系，并分别设置正极集流体、正极活性层、隔膜、负极活性层、负极集流体、正极耳、负极耳和铝塑膜的材料参数，包括正负极活性材料的锂化膨胀系数和各部分材料的热膨胀系数等。设置边界条件时，在铝塑膜和正负极耳与空气接触的表面施加对流换热条件，在电池单体的上下表面设置压力边界条件。

然后进行网格划分。电池单元划分网格的方法和电化学模型相似，即先采用四边形网格对电池单元的一个表面进行划分，后采用拉伸的方法对该电池单元在厚度方向上进行划分。极耳也是如此，采用先面划分然后在厚度上拉伸的方法。而铝塑膜由于厚度较薄，形状也不规则，因此首先对铝塑膜进行了结构分割。对结构上比较规则的部分，采用先面划分然后拉伸的方法，对结构上不规则的部分，采用自由四面体网格划分方法。划分完成后网格数量为178432个，节点数量为269642个。最终得到的电池单体的三维热-结构耦合模型如图4所示。

(3)建立电池单元的三维电化学模型和电池单体的三维热-结构耦合模型之间的耦合关系。

如图8所示，给定充放电条件，利用所建立的电池单元的三维电化学模型可以得到初始时刻电池单元正、负极活性层中的三维锂浓度分布和电池单元中的三维电流密度分布，并在电流密度分布的基础上得到电池单元中的三维生热率分布。将上述三维锂浓度分布和三维生热率分布分别映射到电池单体的三维热-结构耦合模型内的各个电池单元上。结合生热率分布和热力学边界条件，可以计算得到电池单体内部的三维温度分布。结合温度分布、各材料的热膨胀系数和力学边界条件，可以计算得到电池单体内部的三维热应力分布。结合锂浓度分布、各活性材料的锂化膨胀系数和力学边界条件，可以计算得到电池单体内部的三维扩散应力分布。将三维热应力分布和三维扩散应力分布叠加，可以得到电池单体内部的三维总应力分布。最后将三维温度分布取平均值，映射到电池单元的三维电化学模型的初始温度上。重复上述步骤，进行下一时刻的计算，直至全部计算完成。

具体的，在正极集流体上的极耳边界处设置充放电电流后，就可以利用所建立的电池单元的三维电化学模型进行仿真计算，得到初始时刻和初始温度下正、负极活性层中的三维锂浓度分布和电池单元中的三维电流密度分布。在COMSOL Multiphysics中添加电化学产热子模块，该模块可以根据电流密度分布计算出电池单元中的三维生热率分布。

在COMSOL Multiphysics中，电化学模型和热-结构耦合模型处于不同的组件之下，其结构不同，所处的空间坐标也不相同。将处于电化学模型组件下三维锂浓度分布按照广义拉伸的方式复制到热-结构耦合模型组件的相同坐标区间内，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维锂浓度分布。然后在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维锂浓度分布复制到其他37个电池单元中，这样就获得了整个电池单体的三维锂浓度分布。

与锂浓度分布的处理方法类似，将处于电化学模型组件下三维生热率分布按照广义拉伸的方式复制到热-结构耦合模型组件的相同坐标区间内，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维生热率分布。然后在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维生热率分布复制到其他37个电池单元中，另外附上极耳处的焦耳生热率，这样就获得了整个电池单体的三维生热率分布。

在热-结构耦合模型中添加一个时间变量，它可以实时求得电池单体的温度平均值。将该时间变量赋予到电化学模型的初始温度，这样电化学模型中受温度影响的材料参数可以得到实时更新，从而建立电化学模型和热-结构耦合模型的耦合关系。重复上述步骤，进行下一时刻的计算，直至全部计算完成。

由于电化学模型中的锂浓度分布会影响热-结构耦合模型中的扩散应力分布，电化学模型中的生热率分布会影响热-结构耦合模型中的温度分布，热-结构耦合模型中的温度分布会影响其热应力分布，还会影响电化学模型中的锂浓度分布和生热率分布，因此最终建立的模型是电化学-热-结构耦合的。由于该模型同时包含了介观尺度下的电化学模型和宏观尺度下的热-结构耦合模型，因此是多尺度的。

在25℃的环境温度、0.1MPa的外部压力和1C的充电倍率下进行了仿真计算，得到的电池单元中的电流密度分布如图5所示，电池单体的温度分布如图6所示，去掉铝塑膜和极耳后电池单体内部的应力分布如图7所示。

可以看出，本发明构建了电池单元的三维电化学模型，可以获取三维锂浓度分布，因此对于扩散应力分布的计算结果更加精确。采用三维电化学模型，还可以获取三维电流密度分布和三维生热率分布，因此对于温度分布和热应力分布的计算结果更加精确。

电池单体的热-结构耦合模型包含了全部电池单元，因此对温度分布和应力分布的计算结果更加精确。电化学模型仅包括单组电池单元，然后将计算结果映射到电池单体的每一个电池单元上，从而大幅度减少了计算量，适合工程应用。由于考虑了电流密度、生热率、温度和应力之间的耦合关系，因此对温度分布和应力分布的计算结果更加精确。

在本实施例中，所有参数在其他实施例中，可以根据具体情况和建模要求，进行调整，这些均为不具有创造性劳动的简单替换，理应属于本发明的保护范围，在此不再赘述。

为了使本领域技术人员了解上述方法的实现产品，提供以下产品实施例：

一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模系统，包括：

电池单元建模模块，被配置为在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型；

电池单体建模模块，被配置为在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型；

耦合模块，被配置为基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布、三维生热率分布与三维锂浓度分布，并将三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

当然，本领域技术人员可以根据本发明的启示，对方法或产品进行改进，如增加环境监测模块或实时更新模块，等等，这些均为在本发明基础上进行的简单改进，理应属于本发明的保护范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：包括以下步骤：

在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，然后进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型；

在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，然后进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型；

基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布、三维生热率分布与三维锂浓度分布，并将三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系。

2.如权利要求1所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：建立单个电池单元的三维几何模型的具体过程包括：根据正负极活性层、正负极集流体、隔膜的实际尺寸建立电池单元的三维几何模型；

或，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型的具体过程包括：对三维几何模型中各部分结构设置连接关系和材料参数，给定电动力学边界条件和初始温度，最后进行网格划分，从而建立电池单元的三维电化学模型。

3.如权利要求2所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：所述电动力学边界条件包括以下中的至少一个：

在电子输运方面，在负极集流体上的极耳边界处设置零电势，在隔膜两侧设置绝缘边界条件；

在Li⁺输运方面，在正极集流体与正极活性层接触处设置绝缘边界条件，在负极集流体与负极活性层接触处设置绝缘边界条件；

在电池单元的外部边界设置无通量边界条件；

或，

所述网格划分的过程包括利用四边形网格对负极集流体的外表面进行划分，然后基于该表面的网格，采用拉伸方法对整个电池单元在厚度方向上进行划分。

4.如权利要求1所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型的具体过程包括：根据电池的实际结构和尺寸建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，包括正负极活性层、正负极集流体、隔膜、正负极耳以及封装材料；

或，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型的具体过程包括：对三维几何模型中的各部分结构设置连接关系和材料参数，并设定模型的热力学边界条件和力学边界条件，最后进行网格划分，从而建立电池单体的三维热-结构耦合模型。

5.如权利要求1所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：将电池单元中的三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上的具体过程包括：

将通过电化学模型得到的三维生热率分布复制到热-结构耦合模型中的一个电池单元上，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维生热率分布，在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维生热率分布复制到其他电池单元中，另外附上极耳处的焦耳生热率，得到整个电池单体的三维生热率分布；

将通过电化学模型得到的三维锂浓度分布复制到热-结构耦合模型中的一个电池单元上，此时热-结构耦合模型中的一个电池单元被赋予电化学模型的三维锂浓度分布，在热-结构耦合模型中，通过阵列的方式将三维锂浓度分布复制到其他电池单元中，获得整个电池单体的三维锂浓度分布。

6.如权利要求1所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布的具体过程包括：结合生热率分布和热力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维温度分布；结合温度分布、各材料的热膨胀系数和力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维热应力分布；结合锂浓度分布、各活性材料的锂化膨胀系数和力学边界条件，计算得到电池单体内部的三维扩散应力分布；将三维热应力分布和三维扩散应力分布叠加，得到电池单体内部的三维总应力分布。

7.如权利要求1所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法，其特征是：建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系的具体过程包括：计算电池单体内部的温度分布时，在热-结构耦合模型中添加时间变量，以实时求得电池单体的温度平均值，将该时间变量赋予到电化学模型的初始温度，实时更新电化学模型中受温度影响的材料参数。

8.一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模系统，其特征是：包括：

电池单元建模模块，被配置为在介观尺度下，建立单个电池单元的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单元的三维电化学模型；

电池单体建模模块，被配置为在宏观尺度下，建立包含多个电池单元的电池单体的三维几何模型，进行连接关系设置、初始参数赋值和网格划分，构建电池单体的三维热-结构耦合模型；

耦合模块，被配置为基于充放电条件，利用三维电化学模型得到电池单元中的三维电流密度分布、三维生热率分布与三维锂浓度分布，并将三维生热率分布与三维锂浓度分布映射到电池单体的三维热-结构耦合模型上，计算电池单体内部的温度分布、热应力分布和扩散应力分布，建立三维电化学模型和三维热-结构耦合模型的耦合关系。

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法中的步骤。

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