CN113705022B - 一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法及系统。解决如何缩短锂离子电池研发生产周期、降低研发生产成本问题；包括以下步骤：输入模型参数构建一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型对标常温下锂离子电池的充放电性能，优化模型参数，确保模型参数设置正确输入环境温度参数，设置边界析锂离条件；设置锂离子电池充放电制度进行低温充放电仿真；根据仿真结果确认锂离子电池低温充放电制度和温度变化；通过优化锂离子电池低温下的充电制度，改善电池低温下的充放电性能；本发明提出的电化学—热耦合瞬态模型具有较高的准确性和有效性，对于实际充放电具有良好的指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法及系统。
背景技术
随着新能源产业的快速发展，锂离子电池的生产规模和需求量日益增加，锂离子电池由于具有较高的能量密度、较长的循环寿命、较低的自放电率以及绿色环保等优点，成功带动新能源汽车行业和数码消费电子行业的蓬勃发展。正常情况下，锂离子电池充电速度较慢，一般从初始状态充至满电状态通常需要较长的时间，给新能源汽车的普及和使用来不便。而较快的充电速度会破坏电池的内部结构，缩短电池的使用寿命。特别是环境温度较低时，锂离子电池的内阻明显增大，电池的可用能量和功率大大降低，在较低的温度下充电，可能引发电池内部析锂，产生安全隐患。因此，对于低温下锂离子的充电需要严格控制。
目前，各大企业对于新产品锂离子电池的研发处于加速阶段，而昂贵的研发成本和较长的生产周期严重制约锂电行业的发展。因此，锂离子电池研究不再仅仅依赖于实验研究，而是利用多物理场仿真软件对锂离子电池进行建模评估，通过相关仿真研究(电化学、热仿真等)对电池进行各方面性能的预测，制定可靠的实验方案进行实验验证，进而缩短锂离子电池研发生产周期，降低研发生产成本。
现有技术中，申请公布日期为2019年02月26日、申请公布号为CN109388859A的中国发明专利申请《一种锂离子电池性能仿真方法和系统》公开的锂离子电池性能仿真方法可以实现对锂离子电池从正常工作状态到热失控状态全过程的仿真模拟，但是该文献的电化学-热耦合模型的侧重于电池的热性能，主要说明锂离子电池从正常状态到热失控状态全过程的仿真模拟，并未提出如何对锂离子电池充电方法进行仿真优化。
发明内容
本发明的目的在于如何设计一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法及系统，以解决现有技术中锂离子电池研发生产周期长、研发生产成本高的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种锂离子电池低温充电仿真方法，包括以下步骤：
S1、以锂离子电池正极片、隔膜、负极片厚度方向的尺寸构建一维锂离子电池电化学-热耦合模型：
S2、将常温下锂离子电池的实际测试数据与一维锂离子电池电化学-热耦合模型的仿真测试数据进行对标，从而修改一维锂离子电池电化学-热耦合模型的参数，确保一维锂离子电池电化学-热耦合模型参数设置正确；
S3、输入一维锂离子电池电化学-热耦合模型环境温度，环境温度设置为小于等于0℃，并设置锂离子电池边界析锂条件作为仿真计算的停止条件；
S4、根据锂离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系，从而得到锂离子电池析锂边界条件；
S5、锂离子电池析锂边界条件设置最大充电电流，确立锂离子电池的充电制度，进行低温充电仿真。
本发明的技术方案提高输入模型参数构建一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型对标常温下锂离子电池的充放电性能，优化模型参数，确保模型参数设置正确输入环境温度参数，设置边界析锂离条件；设置锂离子电池充放电制度进行低温充放电仿真；根据仿真结果确认锂离子电池低温充放电制度和温度变化；通过优化锂离子电池低温下的充电制度，改善电池低温下的充放电性能；本发明提出的电化学—热耦合瞬态模型具有较高的准确性和有效性，对于实际充放电具有良好的指导作用。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中所述的一维锂离子电池电化学-热耦合模型的公式为：
j＝as*i0*F/RT*(φs-φe-Uequ) (1)
I＝-σ*dφs/dl (2)
I(i-0.5)-I(i+0.5)-j*Δl＝0 (3)
其中，j表示电极电流密度，as为电荷传递系数，i0表示交换电流密度，F为法拉第常数，R为气体常数，T为电池充电时的温度，φs固相电势，φe为液相电势，Uequ为平衡电势，σ为电导率，l为电极厚度，I为电极电流。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S3中所述的锂离子电池边界析锂条件为：负极颗粒表面固相电位与液相电位的差值等于析锂反应电位，当固液相电位差小于零时，判断为锂离子电池负极表面析锂。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S4中所述的离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系如下：
负极锂离子扩散系数Ds：
Ds*exp(-(35/R)*(1/T-1/298.15)) (4)
负极锂离子反应速率常数k：
k*exp(-(30/R)*(1/T-1/298.15)) (5)
正极锂离子扩散系数Dpos：
(Dpos/((1+liion.soc2-0.05)^(6*(C>3)+5*(C<＝3))))*exp(-(((30*(C>3)+70*(C<＝3))*T/(298.15))/R)*(1/T-1/298.15)) (6)
正极锂离子反应速率常数kpos：
kpos＝k*exp(-2*1*(liion.soc2-0.05))*exp(-(20/R)*(1/T-1/298.15) (7)
电解液中锂离子扩散系数D1：
Dl＝0.33*(0.75*(C>3)+1*(C<＝3))*((1*10^(-4))*10^(-4.43-(54/(T-229-0.05*C))-2.2*10^(-4*C))) (8)
其中，R为气体常数，T为电池充电时的温度，C为电池充电倍率，liion.soc为电极平均SOC。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S5中所述的确立锂离子电池的充电制度的方法为：根据锂离子电池的荷电状态与环境温度的关系，在满足锂离子电池边界析锂离条件的情况下，将锂离子电池不同荷电状态下最大的电流作为锂离子电池的充电电流。
一种锂离子电池低温充电仿真系统，包括以下步骤：模型建立模块、模型参数对标设置模块、仿真计算的停止条件设置模块、边界析锂离条件设置模块、充电制度设置模块；
所述的模型建立模块用于以锂离子电池正极片、隔膜、负极片厚度方向的尺寸构建一维锂离子电池电化学-热耦合模型：
所述的模型参数对标设置模块用于将常温下锂离子电池的实际测试数据与一维锂离子电池电化学-热耦合模型的仿真测试数据进行对标，从而修改一维锂离子电池电化学-热耦合模型的参数，确保一维锂离子电池电化学-热耦合模型参数设置正确；
所述的仿真计算的停止条件设置模块用于输入一维锂离子电池电化学-热耦合模型环境温度，环境温度设置为小于等于0℃，并设置锂离子电池边界析锂条件作为仿真计算的停止条件；
所述的边界析锂离条件设置模块用于根据锂离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系，从而得到锂离子电池析锂边界条件；
所述的充电制度设置模块用于根据锂离子电池析锂边界条件设置最大充电电流，确立锂离子电池的充电制度，进行低温充电仿真。
作为本发明技术方案的进一步改进，模型建立模块中所述的一维锂离子电池电化学-热耦合模型的公式为：
j＝as*i0*F/RT*(φs-φe-Uequ) (1)
I＝-σ*dφs/dl (2)
I(i-0.5)-I(i+0.5)-j*Δl＝0 (3)
其中，j表示电极电流密度，as为电荷传递系数，i0表示交换电流密度，F为法拉第常数，R为气体常数，T为电池充电时的温度，φs固相电势，φe为液相电势，Uequ为平衡电势，σ为电导率，l为电极厚度，I为电极电流。
作为本发明技术方案的进一步改进，仿真计算的停止条件设置模块中所述的锂离子电池边界析锂条件为：负极颗粒表面固相电位与液相电位的差值等于析锂反应电位，当固液相电位差小于零时，判断为锂离子电池负极表面析锂。
作为本发明技术方案的进一步改进，边界析锂离条件设置模块中所述的离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系如下：
负极锂离子扩散系数Ds：
Ds*exp(-(35/R)*(1/T-1/298.15)) (4)
负极锂离子反应速率常数k：
k*exp(-(30/R)*(1/T-1/298.15)) (5)
正极锂离子扩散系数Dpos：
(Dpos/((1+liion.soc2-0.05)^(6*(C>3)+5*(C<＝3))))*exp(-(((30*(C>3)+70*(C<＝3))*T/(298.15))/R)*(1/T-1/298.15)) (6)
正极锂离子反应速率常数kpos：
kpos＝k*exp(-2*1*(liion.soc2-0.05))*exp(-(20/R)*(1/T-1/298.15) (7)
电解液中锂离子扩散系数D1：
Dl＝0.33*(0.75*(C>3)+1*(C<＝3))*((1*10^(-4))*10^(-4.43-(54/(T-229-0.05*C))-2.2*10^(-4*C))) (8)
其中，R为气体常数，T为电池充电时的温度，C为电池充电倍率，liion.soc为电极平均SOC。
作为本发明技术方案的进一步改进，充电制度设置模块中所述的确立锂离子电池的充电制度的方法为：根据锂离子电池的荷电状态与环境温度的关系，在满足锂离子电池边界析锂离条件的情况下，将锂离子电池不同荷电状态下最大的电流作为锂离子电池的充电电流。
本发明的优点在于：
本发明的技术方案提高输入模型参数构建一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型对标常温下锂离子电池的充放电性能，优化模型参数，确保模型参数设置正确输入环境温度参数，设置边界析锂离条件；设置锂离子电池充放电制度进行低温充放电仿真；根据仿真结果确认锂离子电池低温充放电制度和温度变化；通过优化锂离子电池低温下的充电制度，改善电池低温下的充放电性能；本发明提出的电化学—热耦合瞬态模型具有较高的准确性和有效性，对于实际充放电具有良好的指导作用。
附图说明
图1本发明实施例的一种锂离子电池低温充电性能的仿真方法的流程图；
图2为本发明实施例的磷酸铁锂电池仿真与实验对标充电曲线；
图3为本发明实施例的电池充电状态下析锂边界电压曲线；
图4为本发明实施例的电池充电制度曲线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，一种锂离子电池低温充电仿真方法，包括以下步骤：
1、确立锂离子电池基本参数，以锂离子电池正极片、隔膜、负极片厚度方向的尺寸构建一维锂离子电池电化学-热耦合模型如下：
j＝as*i0*F/RT*(φs-φe-Uequ) (1)
I＝-σ*dφs/dl (2)
I(i-0.5)-I(i+0.5)-j*Δl＝0 (3)
其中，j表示电极电流密度，as为电荷传递系数，i0表示交换电流密度，F为法拉第常数，R为气体常数，T为电池充电时的温度，φs固相电势，φe为液相电势，Uequ为平衡电势，σ为电导率，l为电极厚度，I为电极电流。
所述的锂离子电池基本参数包括：1)锂离子电池正负极活性物质材料的基本物理参数和化学参数：颗粒尺寸、克容量、扩散系数、导热系数等；2)正负极集流体基本参数：导热系数等；3)电解液材料的基本参数：各成分配比、电导率、扩散系数等；4)隔膜材料的基本参数：导热系数、孔隙率等；5)正负极集流体的基本参数：电导率、导热系数等；6)正负极片的尺寸：长×宽×高。
2、如图2所示，采用常温下锂离子电池的实际测试数据对一维锂离子电池电化学-热耦合模型的仿真测试数据进行对标，从而修改模型的参数，确保模型参数设置正确；
3、输入一维锂离子电池电化学-热耦合模型环境温度参数，所述的环境温度参数设置为小于等于0℃，并设置锂离子电池边界析锂离条件作为仿真计算的停止条件；如图3所示，所述的锂离子电池边界析锂条件为：负极颗粒表面固相电位与液相电位的差值等于析锂反应电位，当固液相电位差小于零时，判断为锂离子电池负极表面析锂。
4、根据锂离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系，从而得到锂离子电池析锂边界条件；所述的离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系如下：
负极锂离子扩散系数Ds：
Ds*exp(-(35/R)*(1/T-1/298.15)) (4)
负极锂离子反应速率常数k：
k*exp(-(30/R)*(1/T-1/298.15)) (5)
正极锂离子扩散系数Dpos：
(Dpos/((1+liion.soc2-0.05)^(6*(C>3)+5*(C<＝3))))*exp(-(((30*(C>3)+70*(C<＝3))*T/(298.15))/R)*(1/T-1/298.15)) (6)
正极锂离子反应速率常数kpos：
kpos＝k*exp(-2*1*(liion.soc2-0.05))*exp(-(20/R)*(1/T-1/298.15) (7)
电解液中锂离子扩散系数D1：
Dl＝0.33*(0.75*(C>3)+1*(C<＝3))*((1*10^(-4))*10^(-4.43-(54/(T-229-0.05*C))-2.2*10^(-4*C))) (8)
其中，R为气体常数，T为电池充电时的温度，C为电池充电倍率，liion.soc为电极平均SOC。
5、锂离子电池析锂边界条件设置最大充电电流，确立锂离子电池的充电制度，进行低温充电仿真；所述的确立锂离子电池的充电制度的方法为：根据锂离子电池的荷电状态与环境温度的关系，在满足锂离子电池边界析锂离条件的情况下，将锂离子电池不同荷电状态下最大的电流作为锂离子电池的充电电流。
如图4所示，制定连续变化充电制度，以磷酸铁锂电池为例，环境温度为0℃，锂离子电池不同荷电状态下(0-100％SOC)的充电制度：0～40％SOC对应最大充电倍率为0.9C，40％～80％SOC对应最大充电倍率为0.29C，80％～100％SOC对应最大充电倍率为0.1C。构建方法是保证在任意荷电状态下电池边界不析锂状态下以最大电流进行充电。最大充电电流可作为实际进行充电的依据，实际充电电流大小选择可根据实际情况和其他相关环境因素确定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种锂离子电池低温充电仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以锂离子电池正极片、隔膜、负极片厚度方向的尺寸构建一维锂离子电池电化学-热耦合模型：
所述的一维锂离子电池电化学-热耦合模型的公式为：
j＝as*i0*F/RT*(φs-φe-Uequ) (1)
I＝-σ*dφs /dl (2)
I(i-0.5)-I(i+0.5)-j*Δl＝0 (3)
其中，j表示电极电流密度，as为电荷传递系数，i0表示交换电流密度，F为法拉第常数，R为气体常数，T为电池充电时的温度，φs固相电势，φe为液相电势，Uequ为平衡电势，σ为电导率，l为电极厚度，I为电极电流；
S2、将常温下锂离子电池的实际测试数据与一维锂离子电池电化学-热耦合模型的仿真测试数据进行对标，从而修改一维锂离子电池电化学-热耦合模型的参数，确保一维锂离子电池电化学-热耦合模型参数设置正确；
S3、输入一维锂离子电池电化学-热耦合模型环境温度，环境温度设置为小于等于0℃，并设置锂离子电池边界析锂条件作为仿真计算的停止条件；
S4、根据锂离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系，从而得到锂离子电池析锂边界条件；
S5、锂离子电池析锂边界条件设置最大充电电流，确立锂离子电池的充电制度，进行低温充电仿真。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池低温充电仿真方法，其特征在于，步骤S3中所述的锂离子电池边界析锂条件为：负极颗粒表面固相电位与液相电位的差值等于析锂反应电位，当固液相电位差小于零时，判断为锂离子电池负极表面析锂。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池低温充电仿真方法，其特征在于，步骤S4中所述的离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系如下：
负极锂离子扩散系数Ds：
Ds*exp(-(35/R)*(1/T-1/298.15))(4)
负极锂离子反应速率常数k：
k*exp(-(30/R)*(1/T-1/298.15)) (5)
正极锂离子扩散系数Dpos：
(Dpos/((1+liion.soc2-0.05)^(6*(C>3)+5*(C<＝3))))*exp(-(((30*(C>3)+70*(C<＝3))*T/(298.15))/R)*(1/T-1/298.15)) (6)
正极锂离子反应速率常数kpos：
kpos＝k*exp(-2*1*(liion.soc2-0.05))*exp(-(20/R)*(1/T-1/298.15) (7)
电解液中锂离子扩散系数D1：
Dl＝0.33*(0.75*(C>3)+1*(C<＝3))*((1*10^(-4))*10^(-4.43-(54/(T-229-0.05*C))-2.2*10^(-4*C))) (8)
其中，R为气体常数，T为电池充电时的温度，C为电池充电倍率，liion.soc为电极平均SOC。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池低温充电仿真方法，其特征在于，步骤S5中所述的确立锂离子电池的充电制度的方法为：根据锂离子电池的荷电状态与环境温度的关系，在满足锂离子电池边界析锂离条件的情况下，将锂离子电池不同荷电状态下最大的电流作为锂离子电池的充电电流。
5.一种锂离子电池低温充电仿真系统，其特征在于，包括以下步骤：模型建立模块、模型参数对标设置模块、仿真计算的停止条件设置模块、边界析锂离条件设置模块、充电制度设置模块；
所述的模型建立模块用于以锂离子电池正极片、隔膜、负极片厚度方向的尺寸构建一维锂离子电池电化学-热耦合模型：
所述的一维锂离子电池电化学-热耦合模型的公式为：
j＝as*i0*F/RT*(φs-φe-Uequ) (1)
I＝-σ*dφs/dl (2)
I(i-0.5)-I(i+0.5)-j*Δl＝0 (3)
其中，j表示电极电流密度，as为电荷传递系数，i0表示交换电流密度，F为法拉第常数，R为气体常数，T为电池充电时的温度，φs固相电势，φe为液相电势，Uequ为平衡电势，σ为电导率，l为电极厚度，I为电极电流；
所述的模型参数对标设置模块用于将常温下锂离子电池的实际测试数据与一维锂离子电池电化学-热耦合模型的仿真测试数据进行对标，从而修改一维锂离子电池电化学-热耦合模型的参数，确保一维锂离子电池电化学-热耦合模型参数设置正确；
所述的仿真计算的停止条件设置模块用于输入一维锂离子电池电化学-热耦合模型环境温度，环境温度设置为小于等于0℃，并设置锂离子电池边界析锂条件作为仿真计算的停止条件；
所述的边界析锂离条件设置模块用于根据锂离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系，从而得到锂离子电池析锂边界条件；
所述的充电制度设置模块用于根据锂离子电池析锂边界条件设置最大充电电流，确立锂离子电池的充电制度，进行低温充电仿真。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池低温充电仿真系统，其特征在于，仿真计算的停止条件设置模块中所述的锂离子电池边界析锂条件为：负极颗粒表面固相电位与液相电位的差值等于析锂反应电位，当固液相电位差小于零时，判断为锂离子电池负极表面析锂。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池低温充电仿真系统，其特征在于，边界析锂离条件设置模块中所述的离子电池不同荷电状态以及环境温度确立锂离子的扩散系数、正负极中锂离子的反应速率随温度、电池荷电状态的变化而变化的关系如下：
负极锂离子扩散系数Ds：
Ds*exp(-(35/R)*(1/T-1/298.15))(4)
负极锂离子反应速率常数k：
k*exp(-(30/R)*(1/T-1/298.15))(5)
正极锂离子扩散系数Dpos：
(Dpos/((1+liion.soc2-0.05)^(6*(C>3)+5*(C<＝3))))*exp(-(((30*(C>3)
+70*(C<＝3))*T/(298.15))/R)*(1/ T-1/298.15)) (6)
正极锂离子反应速率常数kpos：
kpos＝k*exp(-2*1*(liion.soc2-0.05))*exp(-(20/R)*(1/T-1/298.15) (7)
电解液中锂离子扩散系数D1：
Dl＝0.33*(0.75*(C>3)+1*(C<＝3))*((1*10^(-4))
*10^(-4.43-(54/(T-229-0.05*C))-2.2*10^(-4*C)))(8)
其中，R为气体常数，T为电池充电时的温度，C为电池充电倍率，liion.soc为电极平均SOC。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池低温充电仿真系统，其特征在于，充电制度设置模块中所述的确立锂离子电池的充电制度的方法为：根据锂离子电池的荷电状态与环境温度的关系，在满足锂离子电池边界析锂离条件的情况下，将锂离子电池不同荷电状态下最大的电流作为锂离子电池的充电电流。
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