CN112949101B - 电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质 - Google Patents

电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质，其中，电池脉冲充放电最大电流的获取方法包括：建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型；基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型；基于所述脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。本发明提供的技术方案，可便于准确预测电池充放电的最大电流，提升电池的安全性能。

Description

电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质。
背景技术
随着石油资源的逐渐枯竭、汽车尾气排放带来的资源减少和环境污染等问题日趋严重，新能源汽车成为未来汽车的主要发展方向并成为行业热点。
但是，新能源汽车充电难、充电时间长等技术性问题一直是电动汽车推广的拦路虎。众多电动汽车企业在追求更高的续航里程的同时，并没很好地兼顾到充电时间。大电流充电会使电池内阻增加，降低电芯功率性能，并有可能出现析锂现象，析锂产生的锂枝晶会破坏电芯内部结构，使电池出现安全隐患；同时电池的功率性能体现在大电流放电上，电动汽车瞬间加速性能，大电流放电对电芯结构件的性能要求很高。
发明内容
本发明实施例提供了一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法、装置、设备及介质，以便于准确预测电池充放电的最大电流，提升电池的安全性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法，包括：
建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型；
基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型；
基于所述脉冲模型预测脉冲充放电的最大电流。
第二方面，本发明实施例还提供了一种电池脉冲充放电最大电流的获取装置，包括：
耦合模型建立单元，用于建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型；
脉冲模型建立单元，用于基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型；
预估电流单元，用于基于所述脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电池脉冲充放电最大电流的获取设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明任意实施例提供的电池脉冲充放电最大电流的获取方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种包含计算机可执行指令的介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行本发明任意实施例提供的电池脉冲充放电最大电流的获取方法。
本发明中，建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并通过电芯实测多种倍率充放电数据，例如，电压和电芯温度等数据，对电化学与固体传热耦合模型进行标定，使得电化学与固体传热耦合模型的仿真数据与实际恒流充放电数据匹配，并基于该电化学与固体传热耦合模型进行脉冲充放电仿真，从而形成脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据对脉冲模型进行标定，使得脉冲模型的仿真数据与实际脉冲充放电数据匹配，并且相较于电化学与固体传热耦合模型，对脉冲充电过程具有较高的仿真精度，更加适应阶梯倍速或其他瞬态充放电状态的参数预测，本实施例通过脉冲模型进行脉冲充放电过程中最大电流的预测，因为脉冲模型的较高的仿真精度，本发明实施例可准确预测电池充放电的最大电流，提升电池的安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种建立电化学与固体传热耦合模型的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种一维电化学场的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种固体传热场的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种电化学场和固体产热场耦合关系示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的一种设定外界温度下不同倍率放电电压-时间仿真曲线与实测曲线对比图；
图8是本发明实施例提供的一种设定外界温度下不同倍率放电温升-时间仿真曲线与实测曲线对比图；
图9是本发明实施例提供的一种设定倍率下不同外界温度放电电压-时间仿真曲线与实测曲线对比图；
图10是本发明实施例提供的一种设定倍率下不同外界温度放电温升-时间仿真曲线与实测曲线对比图；
图11是本发明实施例提供的另一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图；
图12是本发明实施例提供的一种电池脉冲充放电最大电流的获取装置的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的一种电池脉冲充放电最大电流的获取设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
目前采用的电池脉冲充放电最大电流获取方法一般包括两种：第一种，通过已有电芯实测数据的数据库，分析某一相近设计电芯在不同倍率状态时脉冲充放电的最大电流；第二种，根据设计信息制作电芯，然后实测不同倍率状态电芯的脉冲充放电的最大电流。其中，第一种方法根据经验及数据整理粗略的预测不同倍率状态电芯的脉冲充放电的最大电流，在预估过程中凭借从业经验做出的分析，具有较大的误差；第二种方法中电芯从设计到量产分为不同阶段，如果每个阶段都选取一定数量的平行样品进行测试，不仅会增加产品成本，也会增加人力、物力的消耗。为解决上述问题，发明人通过搭建脉冲充放电模型以模拟更为真实的电芯脉冲充放电过程，并通过脉冲充放电模型预测电芯的最大电流，既保证测量精准率，又能够避免产品浪费。具体如下：
本发明实施例提供了一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法，如图1所示，图1是本发明实施例提供的一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图，具体步骤包括：
S110、建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定电化学与固体传热耦合模型。
S120、基于电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定脉冲模型。
S130、基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。
可选的，本实施例可提供一种利用comsol multiphysics软件预测电池不同SOC（电池荷电状态）时脉冲充放电的最大电流的方案，定量的预测电池处于不同SOC时脉冲充放电一定时间的最大电流，并且考虑析锂对电芯的影响，可以通过分析仿真结果优化电芯设计。并且通过仿真预测的方式，不需要设计实际的电池进行充放电试验，减少实验次数，降低研发成本，提高研发效率，缩短了电芯的开发周期，而且因为析锂的试验数据只能在充电结束后拆解电池电芯进行观察，对电池具有不可逆的有损检测，本实施例通过搭建电化学与固体传热耦合模型，并在此基础上形成脉冲模型，从而模拟贴近真实情况的充放电过程，能够有效避免电池因有损检测造成的试验成本，并且避开了电芯拆解，没有电芯拆解带来的安全隐患。
本发明实施例中，建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并通过电芯实测多种倍率充放电数据，例如，电压和电芯温度等数据，对电化学与固体传热耦合模型进行标定，使得电化学与固体传热耦合模型的仿真数据与实际恒流充放电数据匹配，并基于该电化学与固体传热耦合模型进行脉冲充放电仿真，从而形成脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据对脉冲模型进行标定，使得脉冲模型的仿真数据与实际脉冲充放电数据匹配，并且相较于电化学与固体传热耦合模型，对脉冲充电过程具有较高的仿真精度，更加适应阶梯倍率或其他瞬态充放电状态的参数预测，本实施例通过脉冲模型进行脉冲充放电过程中最大电流的预测，因为脉冲模型的较高的仿真精度，本发明实施例可准确预测电池充放电的最大电流，提升电池的安全性。
以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在上述实施例的基础上，电化学与固体传热耦合模型可以包括相互耦合的电化学场和固体传热场，如图2所示，图2是本发明实施例提供的一种建立电化学与固体传热耦合模型的流程示意图，具体的，建立电芯的电化学与固体传热耦合模型的过程，可以包括如下步骤：
S210、建立一维电化学场的材料域；材料域包括依次设置的负极集流体、负极多孔电极、隔膜、正极多孔电极、正极集流体。
本实施例建立五层结构的一维有限元电化学几何模型，如图3所示，图3是本发明实施例提供的一种一维电化学场的结构示意图，电化学场包括一维的依次设置的五层材料域：负极集流体、负极多孔电极、隔膜、正极多孔电极、正极集流体。
S220、定义电化学场的各个材料域的材料基础参数；电接地位置设置为负极集流体左端点处，电极电流密度获取位置设置为正极集流体右端点处，定义初始电池电荷分布；并自定义电化学场中的变量；电化学场中的变量至少包括电池电压、负极材料荷电状态、正极材料荷电状态和电芯温度。
在对电化学场的各个材料域的参数进行定义之前，可对材料域中的材料属性进行 定义。首先，定义正负极活性物质属性，正负极活性物质属性包括：正负极材料本征的开路 电压OCV、固相扩散系数Ds和正负极材料的固相电导率。其中，对于正负极材料本征的开路 电压，用0.01C-0.05C恒流充放电测试相应正负极材料的扣式半电池，然后通过MATLAB应用 遗传算法经电压重构得到正负极材料的OCV，并将该正负极材料的OCV曲线插入到COMSOL材 料属性中；对于固相扩散系数，实际上石墨材料颗粒的形状多种多样，即使是石墨化中间相 碳小球（MCMB）也不会具有完美的球形。考虑颗粒的实际形状，一般采用BET比表面积测试法 测定的比表面积来计算锂离子扩散系数。以电化学方法测定的材料真实比表面积S(cm2/g) 计算固相扩散系数，可得到更可靠的数值，用如下公式计算：
Figure 330517DEST_PATH_IMAGE001
，其中ρ 为密度(g/cm3)，ΔQ为阶跃区间流过的电量(mAh)，m为相应电流i与t-1/2直线关系的斜率 (mA*s1/2)；t为时间（s）；正负极材料的固相电导率为材料库中默认属性即可。
其次，对电解液属性和电极属性进行定义。电解液属性可以包括液相扩散系数、液相锂离子电导率、锂离子迁移数以及电解液热力学相对活性系数等分别由实验测得与文献值及材料库默认值；电极属性包括电导率。
对电化学场的各个材料域的材料基础参数进行定义具体可以包括：定义正/负极多孔电极域：域中材料链接到正/负极活性物质属性，并设置正/负极活性颗粒的粒径、电化学反应中的交换电流密度、正/负极活性材料的体积分数及多孔电极中电解液的扩散系数与离子电导率；定义隔膜域：域中材料链接到电解液材料属性，并设置隔膜域中的电解质电导率与扩散系数；定义正/负极箔材域：域中材料链接到电极属性的铜/铝箔材料属性。
除了对电化学场的各个材料与的参数进行定义，还需要设置电接地位置与电极电流密度获取位置等边界条件：如图3所示，电接地位置111设置为负极集流体左端点处，电极电流密度获取位置112设置为正极集流体右端点处。
可选的，定义初始电池电荷分布至少可以包括：初始电压、电池容量，电池可循环物质损耗分数和负极伺服容量过剩分数。初始电池电荷分布需要设置初始电压（或初始电池荷点状态）、电池容量，根据电芯的实际设计设置电池组装后可循环物质损耗分数，可循环物质损耗分数可以取值为0~0.1，设置负极伺服容量过剩分数，即电芯设计中的NP比（负极容量与正极容量的比值），NP比可以取值为1~1.2。
定义电化学场中的变量至少可以包括：以正极集流体右端点固相电势为电池电压；以负极多孔电极颗粒表面锂离子平均浓度与负极最大锂离子浓度之比为负极材料荷电状态；以正极多孔电极颗粒表面锂离子平均浓度与正极最大锂离子浓度之比为正极材料荷电状态；定义电芯温度T，电芯温度来源于固体传热场，将变量T赋予到各个材料域内，用于实现固体传热模型与电化学模型的耦合。
本实施例还可以添加全局变量探针，以便于在计算过程中查看各个变量，例如，定义探针变量为Ecell，计算过程中可查看到电池电压的变化；定义探针变量为T’，计算过程中可查看到电芯温度的变化；定义探针变量为SOC_neg，计算过程中可查看到负极材料荷电状态变化，此探针在模型标定中可作为标定的参考。
S230、建立固体传热场；固体传热场为尺寸与电芯一致的三维几何模型。
如图4所示，图4是本发明实施例提供的一种固体传热场的结构示意图，根据固体传热场的收敛性及计算的时间成本将固体传热场最简化成一个尺寸与方向和电芯一致的长方体，不考虑结构件是因为其为良导体，电阻较小，因此忽略。
S240、定义固体传热场的热参数；热参数包括电芯的等效比热容、展向导热系数和径向导热系数；定义固体传热场的热源为电化学场中电化学体平均产热功率变量；设定固体传热场的六个边界表面的对流热通量和初始外界温度；将固体传热场中电芯温度赋予至电化学场的各个材料域中。
定义固体传热场的热参数，即对几何域所属材料属性进行定义，赋予极简电芯几 何域实际电芯的等效比热容、等效展向导热系数和径向导热系数；上述等效比热容、等效展 向导热系数与径向导热系数计算由以下公式定义：径向等效导热系数kz：
Figure 778816DEST_PATH_IMAGE002
； 展向等效导热系数kr：
Figure 89711DEST_PATH_IMAGE003
。
Figure 16079DEST_PATH_IMAGE005
为各层材料的厚度；
Figure 96031DEST_PATH_IMAGE007
各层材料的导热系 数。
定义热源：电芯结构件为良导体，产热较小而忽略，在电池充放电过程中电芯产热主要来源于电化学产热，故将电化学场中计算出的产热功率变量Qh（W/m3）填入即可。定义边界热通量：将图4中的电芯的极简几何模型的6个边界表面全部选中，设定对流热通量为10~20 (W /m2K)，设置外界温度为初始外界温度即可。此外，固体传热场的变量包括产热功率变量；产热功率变量源于电化学场。
综上，图5是本发明实施例提供的一种电化学场和固体产热场耦合关系示意图，可知，一维的电化学场（1D Electro）和三维的固体传热场(3D Heat)的耦合关系如附图5所示，电化学场的产热功率作用到电芯（固体传热场）使电芯具有温度分布，同时电池温度变化又会影响电池的性能，也即，电化学场和固体传热场为双向耦合的方式。
在本发明实施例的另一示例中，如图6所示，图6是本发明实施例提供的另一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图，本示例对电芯的电化学与固体传热耦合模型的标定过程进行详述，电池脉冲充放电最大电流的获取方法的步骤如下：
S310、建立电芯的电化学与固体传热耦合模型。
S320、添加研究选项；研究选项包括电池接口中的初始电池电荷分布。
在完成电芯的电化学与固体传热耦合模型的建立之后，需要对电化学与固体传热耦合模型进行标定，本实施例具体通过将电池充放电过程中的实测数值，例如，电压，电流等，与电化学与固体传热耦合模型的仿真数据对比，并通过不断调节电化学与固体传热耦合模型中的各个参数，使得电化学与固体传热耦合模型的仿真数据与电池实际工作中的数据相同或接近。
在对电化学与固体传热耦合模型进行标定时，需要在电池接口中添加带初始化的瞬态，也即，添加上述实施例中提及的初始电池电荷分布，为电化学与固体传热耦合模型的仿真提供初始工作状态。
S330、设置电化学与固体传热耦合模型的第一停止条件；第一停止条件包括充电电压超过充电电压上限，以及放电电压小于放电电压下限。
在仿真电池充电时，第一停止条件包括超过充电电压上限，充电电压上限与电池材料体系有关，具体根据实际设计定义即可，同理，在仿真电池放电时，第一停止条件包括放电电压小于放电电压下限。
S340、根据实测电压值和实测温度值调整电化学与固体传热耦合模型的参数，使得在设定外界温度下不同倍率的充放电电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线与实测数据匹配，并使得在设定倍率下不同外界温度的充放电电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线与实测数据匹配。
步骤S320~ S340的过程即为“根据电芯不同倍率实测充放电数据标定电化学与固体传热耦合模型”的过程，也即，采用电化学与固体传热耦合模型对不同倍率和不同外界温度的充放电电压仿真曲线和温度仿真曲线进行修正，使得电化学与固体传热耦合模型的仿真数据更加接近实测数据的过程。
本实施例中，在保证充电电压未超过充电电压上限，并且放电电压未超过放电电压下限的同时，对电化学与固体传热耦合模型进行恒流充放电过程的仿真。具体的，本实施例通过将仿真数据与实测数据对比，并不断调整电化学与固体传热耦合模型的参数，使得电化学与固体传热耦合模型的仿真数据与实测数据相同或相近度较高。可选的，本实施例可以通过对设定外界温度下的不同倍率的充放电过程进行仿真，从而使得充放电电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线更趋近于实测曲线。从而使得电化学与固体传热耦合模型更趋于标准化。
此外，本实施例还考虑到了外界温度对电芯的影响，本实施例还可以通过对设定倍率下的充放电过程进行仿真，从而使得电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线与实测曲线相同或相近度较高。
示例性的，如图7至图10所示，本实施例对电池放电过程的电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线的修正结果进行展示，图7是本发明实施例提供的一种设定外界温度下不同倍率放电电压-时间仿真曲线与实测曲线对比图，图8是本发明实施例提供的一种设定外界温度下不同倍率放电温升-时间仿真曲线与实测曲线对比图，图9是本发明实施例提供的一种设定倍率下不同外界温度放电电压-时间仿真曲线与实测曲线对比图，图10是本发明实施例提供的一种设定倍率下不同外界温度放电温升-时间仿真曲线与实测曲线对比图。参考图7至图10，本实施分别对相同外界温度下的1C、5C、10C、15C、20C等不同倍率的放电电压-时间仿真曲线以及温升-时间仿真曲线进行修正，使得仿真曲线与实测曲线相匹配，上述相同外界温度可选取常温25℃，并分别对相同倍率下的-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、45℃、55℃不同外界温度的放电电压-时间仿真曲线以及温升-时间仿真曲线进行修正，使得仿真曲线与实测曲线相匹配，上述相同倍率可以为1C。充电过程与此类似，此处不再赘述电池充电过程中的仿真情况。
上述仿真过程即完成了电化学与固体传热耦合模型的标定，此时可认为电化学与固体传热耦合模型的恒流充放电仿真过程与电池实际充放电过程相匹配。
S350、基于电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定脉冲模型。
S360、基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。
本实施例为电化学与固体传热耦合模型提供了一种标定方法，也即，对相同外界温度下不同倍率的充放电仿真曲线进行修正，使其与实测曲线匹配，同时考虑到外界温度对电芯的影响，对相同倍率下不同外界温度的充放电仿真曲线进行修正，使其与实测曲线匹配，从而完成对电化学与固体传热耦合模型的标定，在恒流充放电过程中，电化学与固体传热耦合模型的各项参数符合实际情况，提高了电化学与固体传热耦合模型的仿真精准度。
在本发明实施例的又一示例中，如图11所示，图11是本发明实施例提供的另一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法的流程示意图，本示例对电芯的脉冲模型的建立及标定过程进行详述，电池脉冲充放电最大电流的获取方法的步骤如下：
S410、建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定电化学与固体传热耦合模型。
S420、在电化学场中，设定负极多孔电极和正极多孔电极电化学反应过程中产生的交换电流密度i0与电池荷电状态SOC和电芯温度T之间的函数： i0(SOC,T)=i0(SOC)*exp(-Ea1/R*(1/T-1/Tref))。
其中，SOC为脉冲充放电过程中电池荷电状态；Ea1为电化学反应活化能，单位为J/mol；R为摩尔气体常数，单位为J*mol-1*K-1； Tref为参考温度，单位为K。
步骤S410对电化学与固体传热耦合模型进行了恒流充放电的标定。对于日趋兴起的阶梯充电或脉冲充电，本实施例对电化学与固体传热耦合模型进一步进行标定，使得电化学与固体传热耦合模型可进一步对脉冲充放电过程进行仿真，并增强脉冲充放电的仿真精度。发明人发现电化学与固体传热耦合模型的参数中，交换电流密度i0和固相扩散系数Ds能够影响脉冲充放电的仿真精度。本实施例，在S410的基础上，对交换电流密度i0和固相扩散系数Ds建立更加符合脉冲充放电的函数关系，从而建立脉冲模型。
S430、在电化学场中，设定负极材料的固相扩散系数Ds1与负极材料荷电状态SOC_neg和电芯温度T之间的函数：Ds1(SOC_neg,T)= Ds1(SOC_neg)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))；在电化学场中，同时设定正极材料的固相扩散系数Ds2与正极材料荷电状态SOC_pos和电芯温度T之间的函数：Ds2(SOC_pos,T)= Ds2(SOC_pos)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))。
其中Ea2为锂离子固相扩散的活化能。
上述步骤S420~ S430的过程即为步骤S120中“基于电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型”的具体内容。
具体的，在电化学场中，负极多孔电极和正极多孔电极电化学反应过程中产生的交换电流密度i0，设定i0与电池荷电状态SOC的函数，并考虑电芯温度对化学反应速率的影响，在函数中与阿伦尼乌斯公式组合使用，具体函数为i0(SOC,T)=i0(SOC)*exp(-Ea1/R*(1/T-1/Tref))。
在电化学场中，负极材料的固相扩散系数Ds1与负极材料荷电状态SOC_neg，以及电芯温度T之间的函数：Ds1(SOC_neg,T)= Ds1(SOC_neg)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))；同理，正极材料的固相扩散系数Ds2与正极材料荷电状态SOC_pos和电芯温度T之间的函数：Ds2(SOC_pos,T)= Ds2(SOC_pos)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))。
S440、根据脉冲充放电过程中的实测电压值和实测温度值调整交换电流密度和固相扩散系数，直至在不同倍率下充放电电压-时间仿真曲线与电压-时间实测曲线匹配，且温升-时间仿真曲线与温升-时间实测曲线匹配。
步骤S440即为步骤S120中“根据实测脉冲充放电数据标定脉冲模型”的具体内容。
经过步骤S410~ S430建立脉冲模型之后，需要根据实测数据对脉冲模型进行标定，具体可将实测数据（实测电压值、实测温度值）与仿真数据（仿真电压值、仿真温度值）对比，从而对交换电流密度和固相扩散系数进行调整，使得不同倍率下充放电电压-时间仿真曲线与电压-时间实测曲线匹配，且温升-时间仿真曲线与温升-时间实测曲线匹配。则标定后的脉冲模块可准确地对脉冲充放电过程进行仿真，并获取较为精准的脉冲充放电过程中的最大电流。示例性的，如表1所示，表1是不同电芯温度下的电芯脉冲放电10s最大电流仿真表。表1中分别预测了在30%、50%、70%、80%、90%的电池荷电状态SOC的最大电流值I/A。
表1：不同电芯温度下的电芯脉冲充放电10s最大电流仿真表
Figure 449652DEST_PATH_IMAGE008
S450、设置电芯的电池荷电状态和脉冲充放电时间，并设置第二停止条件；在充电过程中，第二停止条件包括：充电电压超过充电电压上限；负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势；电芯温度大于温度上限；在放电过程中，第二停止条件包括：放电电压流小于放电电压下限；电芯温度大于温度上限。
S460、给出预估电流的初始值，并根据脉冲充放电过程中实测电压值和实测温度值不断调整预估电流，直至预估电流满足第二停止条件；满足第二停止条件的预估电流为最大电流。
上述步骤S450~ S460的过程即为步骤S130中“基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流”的具体内容。
在基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流的过程中，本实施例通过设置第二停止条件进行筛选，本实施例中，第二停止条件除了包括充电电压超过充电电压上限，以及放电电流小于放电电压下限；还设置有负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势，以及电芯温度大于温度上限。因为当负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势时，判定充电时出现析锂，所以设置负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势作为停止条件。需要注意的是，在充电过程中，第二停止条件为充电电压超过充电电压上限，负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势，以及电芯温度大于温度上限；在放电过程中，第二停止条件为放电电压流小于放电电压下限和电芯温度大于温度上限。
本实施例考虑到了电芯温度上限，也考虑电芯是否析锂，通过上述第二停止条件可筛选出放电电流或充电电流的边界值，从而该边界值即为最大电流，具体的，在筛选最大电流的过程中，需要给出预估电流的初始值，并根据脉冲充放电过程中实测电压值和实测温度值不断调整预估电流，直至预估电流满足第二停止条件，则此时的预估电流即为本实施例需要预估的最大电流。
在本发明实施例的又一示例中，基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流还可以通过其他寻解方式获取，例如，可以使用“优化”模块，运用最小二乘法寻找出满足条件的最大电流；可以运用MATLAB软件，实现COMSOL与MATLAB联用，运用具体寻优函数寻找出满足条件的最大电流。本实施例对最大电流的寻解方式不进行特殊限定。
本发明可通过COMSOL Mutiphysics 软件中电化学与固体传热耦合模型实现，其核心在于该模型可以预测电芯在一定外界环境温度，不同电池荷电状态时，脉冲充电一定时间的情况下，并且在电芯不出现析锂与电芯温度不超过上限的情况下，电芯的最大充电电流，以及脉冲放电时放大电压达到下限与电芯温度不超过温度上限，电芯的最大放电电流。
本实施例运用实验阶段的电芯实测数据，能够直接的预测电芯脉冲充放电最大电流，即在电芯研发阶段就能够得知此款电芯的功率与快充性能，加快了研发进程，缩短了研发周期，减少了人工成本、时间成本与电芯制作成本，实现了电芯设计的快速产品迭代。
基于同一思路，本发明实施例还提供一种电池脉冲充放电最大电流的获取装置。本实施例提供的电池脉冲充放电最大电流的获取装置适用于预测电池脉冲充放电的最大电流的情形，尤其适用于预测锂离子电池脉冲充放电最大电流的情形。图12是本发明实施例提供的一种电池脉冲充放电最大电流的获取装置的结构示意图，如图12所示，电池脉冲充放电最大电流的获取装置包括：
耦合模型建立单元51，用于建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定电化学与固体传热耦合模型；
脉冲模型建立单元52，用于基于电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定脉冲模型；
预估电流单元53，用于基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。
本公开实施例所提供的电池脉冲充放电最大电流的获取装置，可执行本公开任意实施例所提供的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
值得注意的是，上述装置所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本公开实施例的保护范围。
下面参考图13，其示出了适于用来实现本公开实施例的电池脉冲充放电最大电流的获取设备600，图13中电池脉冲充放电最大电流的获取设备600可以为终端设备或服务器。本公开实施例中的终端设备可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA（个人数字助理）、PAD（平板电脑）、PMP（便携式多媒体播放器）、车载终端（例如车载导航终端）等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机等等的固定终端。图13示出的设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图13所示，电池脉冲充放电最大电流的获取设备600可以包括处理装置601（例如中央处理器、图形处理器等），其可以根据存储在只读存储器（Read-Only Memory，ROM）602中的程序或者从存储装置608加载到随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）603中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM603中，还存储有电池脉冲充放电最大电流的获取设备600操作所需的各种程序和数据。处理装置601、ROM602以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出（I/O）接口605也连接至总线604。
通常，以下装置可以连接至I/O接口605：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置606；包括例如液晶显示器（LCD）、扬声器、振动器等的输出装置607；包括例如磁带、硬盘等的存储装置608；以及通信装置609。通信装置609可以允许电池脉冲充放电最大电流的获取设备600与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图13示出了具有各种装置的电池脉冲充放电最大电流的获取设备600，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在非暂态计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置609从网络上被下载和安装，或者从存储装置608被安装，或者从ROM602被安装。在该计算机程序被处理装置601执行时，执行本公开实施例的视频数据的生成方法中限定的上述功能。
本公开实施例提供的设备与上述实施例提供的电池脉冲充放电最大电流的获取方法属于同一公开构思，未在本实施例中详尽描述的技术细节可参见上述实施例，并且本实施例与上述实施例具有相同的有益效果。
本公开实施例提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例所提供的电池脉冲充放电最大电流的获取方法。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM）或闪存（FLASH）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF（射频）等等，或者上述的任意合适的组合。
在一些实施方式中，客户端、服务器可以利用诸如HTTP（Hyper Text TransferProtocol，超文本传输协议）之类的任何当前已知或未来研发的网络协议进行通信，并且可以与任意形式或介质的数字数据通信（例如，通信网络）互连。通信网络的示例包括局域网（“LAN”），广域网（“WAN”），网际网（例如，互联网）以及端对端网络（例如，ad hoc端对端网络），以及任何当前已知或未来研发的网络。
上述计算机可读介质可以是上述设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备中。
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该设备执行时，使得该设备：
建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定电化学与固体传热耦合模型；
基于电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定脉冲模型；
基于脉冲模型预测脉冲充放电最大电流。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括但不限于面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元、模块的名称在某种情况下并不构成对该单元、模块本身的限定，例如，数据生成模块还可以被描述为“视频数据生成模块”。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列（FieldProgrammable Gate Array，FPGA）、专用集成电路（Application Specific IntegratedCircuit，ASIC）、专用标准产品（Application Specific Standard Parts ，ASSP）、片上系统（System on Chip，SOC）、复杂可编程逻辑设备（CPLD）等等。
在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，包括：
建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型；
基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型；
基于所述脉冲模型预测脉冲充放电最大电流；
所述电化学与固体传热耦合模型包括相互耦合的电化学场和固体传热场；
基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，包括：
在所述电化学场中，设定负极多孔电极和正极多孔电极电化学反应过程中产生的交换电流密度i0与电池荷电状态SOC和电芯温度T之间的函数： i0(SOC,T)=i0(SOC)*exp(-Ea1/R*(1/T-1/Tref))；其中，SOC为脉冲充放电过程中电池荷电状态；Ea1为电化学反应活化能；R为摩尔气体常数； Tref为参考温度；
在所述电化学场中，设定负极材料的固相扩散系数Ds1与负极材料荷电状态SOC_neg和电芯温度T之间的函数：
Ds1(SOC_neg,T)= Ds1(SOC_neg)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))；其中，Ea2为锂离子固相扩散的活化能；
在所述电化学场中，设定正极材料的固相扩散系数Ds2与正极材料荷电状态SOC_pos和电芯温度T之间的函数：
Ds2(SOC_pos,T)= Ds2(SOC_pos)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))。
2.根据权利要求1所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，包括：
建立一维电化学场的材料域；所述材料域包括依次设置的负极集流体、负极多孔电极、隔膜、正极多孔电极、正极集流体；
定义所述电化学场的各个材料域的材料基础参数；电接地位置设置为负极集流体左端点处，电极电流密度获取位置设置为正极集流体右端点处，定义初始电池电荷分布；并自定义所述电化学场中的变量；所述电化学场中的变量至少包括电池电压、负极材料荷电状态、正极材料荷电状态和温度；
建立固体传热场；所述固体传热场为尺寸与电芯一致的三维几何模型；
定义固体传热场的热参数；所述热参数包括电芯的等效比热容、展向导热系数和径向导热系数；定义所述固体传热场的热源为所述电化学场中电化学体平均产热功率变量；设定所述固体传热场的六个边界表面的对流热通量和初始外界温度；将所述固体传热场中电芯的温度赋予至所述电化学场的各个材料域中。
3.根据权利要求2所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，所述初始电池电荷分布包括：
初始电压、电池容量，电池可循环物质损耗分数和负极伺服容量过剩分数。
4.根据权利要求2所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型，包括：
添加研究选项；所述研究选项包括电池接口中的初始电池电荷分布；
设置电化学与固体传热耦合模型的第一停止条件；所述第一停止条件包括充电电压超过充电电压上限，以及放电电压小于放电电压下限；
根据实测电压值和实测温度值调整所述电化学与固体传热耦合模型的参数，使得在设定温度下不同倍率的充放电电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线与实测数据匹配，并使得在设定倍率下不同温度的充放电电压-时间仿真曲线和温升-时间仿真曲线与实测数据匹配。
5.根据权利要求1所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型，包括：
根据脉冲充放电过程中的实测电压值和实测温度值调整所述交换电流密度和所述固相扩散系数，直至在不同倍率下充放电电压-时间仿真曲线与电压-时间实测曲线匹配，且温升-时间仿真曲线与温升-时间实测曲线匹配。
6.根据权利要求5所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法，其特征在于，基于所述脉冲模型预测脉冲充放电最大电流，包括：
设置电芯的电池荷电状态和脉冲充放电时间，并设置第二停止条件；
在充电过程中，所述第二停止条件包括：充电电压超过充电电压上限；负极多孔电极与隔膜界面处的固相电势小于液相电势；电芯温度大于温度上限；
在放电过程中，所述第二停止条件包括：放电电压小于放电电压下限；电芯温度大于温度上限；
给出预估电流的初始值，并根据脉冲充放电过程中实测电压值和实测温度值不断调整预估电流，直至所述预估电流满足所述第二停止条件；满足所述第二停止条件的所述预估电流为所述最大电流。
7.一种电池脉冲充放电最大电流的获取装置，其特征在于，包括：
耦合模型建立单元，用于建立电芯的电化学与固体传热耦合模型，并根据电芯不同倍率实测充放电数据标定所述电化学与固体传热耦合模型；
脉冲模型建立单元，用于基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，并根据实测脉冲充放电数据标定所述脉冲模型；
预估电流单元，用于基于所述脉冲模型预测脉冲充放电最大电流；
所述电化学与固体传热耦合模型包括相互耦合的电化学场和固体传热场；
基于所述电化学与固体传热耦合模型建立脉冲模型，包括：
在所述电化学场中，设定负极多孔电极和正极多孔电极电化学反应过程中产生的交换电流密度i0与电池荷电状态SOC和电芯温度T之间的函数： i0(SOC,T)=i0(SOC)*exp(-Ea1/R*(1/T-1/Tref))；其中，SOC为脉冲充放电过程中电池荷电状态；Ea1为电化学反应活化能；R为摩尔气体常数； Tref为参考温度；
在所述电化学场中，设定负极材料的固相扩散系数Ds1与负极材料荷电状态SOC_neg和电芯温度T之间的函数：
Ds1(SOC_neg,T)= Ds1(SOC_neg)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))；其中，Ea2为锂离子固相扩散的活化能；
在所述电化学场中，设定正极材料的固相扩散系数Ds2与正极材料荷电状态SOC_pos和电芯温度T之间的函数：
Ds2(SOC_pos,T)= Ds2(SOC_pos)*exp(-Ea2/R*(1/T-1/Tref))。
8.一种电池脉冲充放电最大电流的获取设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-6中任一所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法。
9.一种包含计算机可执行指令的介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行如权利要求1-6中任一所述的电池脉冲充放电最大电流的获取方法。
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