CN114091404B

CN114091404B - 一种锂离子电池的电-热模型

Info

Publication number: CN114091404B
Application number: CN202210062842.4A
Authority: CN
Inventors: 史金涛; 周培俊; 李倩; 邓超; 马玉钊
Original assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Current assignee: Tianjin Juyuan New Energy Technology Co ltd; Tianjin Lishen Battery JSCL
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: CN114091404A

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池的电‑热模型，对于单体电池，将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型。对于电池模组和PACK系统，将单体电池建立的包括电路建模、关联模型和热模型的电热模型根据电池模组或者PACK系统的串联或并联关系进行连接，建立电池模组或者PACK系统的电‑热模型。有益效果：本发明采用锂离子电池电‑热模型可以进行模组或PACK系统的电流密度和温度的仿真、电池在内短路和外短路仿真及模拟此时的电池内部温度分布。

Description

一种锂离子电池的电-热模型

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池的电-热模型。

背景技术

锂离子电池在消费电子领域及电动汽车行业得到了广泛的应用，电子产品及电动汽车用户对电池的充电速度和电池安全提出了更高的要求。虽然更高的充电速度会增加用户的体验，但电池在快充条件下会导致电池出现安全问题，尤其在大倍率充电时由于电池极片内电流密度分布不均，会有局部热点产生，严重时导致隔膜熔化，引起内短路，内部产热增加，引起电池温度上升，进一步触发电池内部的链式产热副反应，最终导致电池热失控发生。

温度特性不仅影响电芯安全，对电芯电性能影响也很显著，电芯处于较高温度下工作时会导致电芯加速衰减，电芯内部存在温度梯度时会导致极片电流密度的不均匀，SOC的不均匀，在大倍率充放电时尤其明显，严重时可能会导致极片局部电流过大，导致析锂或者局部热点等较为严重的后果，并且这种温度及电流的不均匀性会进一步导致电芯内部衰减的不一致。为了能够保证电池的使用安全和电池的使用寿命，需要从电池的本征特性出发，准确识别电池在各种条件下的内部状态变量的变化规律，包括极片的温度、电流以及SOC等内部分布状态，而这些变量的测量是难以实现的。因此，通过数学建模的方法来估计电池内部的状态已经较为普遍。专利申请公布号为CN 104346524 A的专利文献公开了一种锂离子电池热失控的建模方法，包括：提供一第一锂离子电池，对所述第一锂离子电池进行绝热热失控实验，并记录该第一锂离子电池在不同时刻的温度 T'(t)，以及不同时刻的电压 V'(t) ；根据所述温度 T'(t) 以及电压V'(t)，对所述第一锂离子电池绝热热失控过程进行阶段划分，并确定不同阶段对应的化学反应；根据不同阶段对应的化学反应，建立所述第一锂离子电池在绝热热失控实验过程中的数学模型{T(t),V(t)}，并利用所述 T'(t) 以及 V'(t) 标定该数学模型 {T(t),V(t)}。授权公告号为CN 108646186 B的专利文献公开了一种基于电化学特征的单体锂离子电池三维热模型，包括步骤：1)单体锂离子电池三维模型建立方案；2)单体锂离子电池径向热模型建立；3)单体锂离子电池热模型方程建立。

目前最为常见的电池的电化学模型就是P2D模型和等效电路模型ECN。P2D模型基于第一性原理建立，并且得到了实验结果的验证，但是模型的计算量较大，并且参数复杂，不适用于实时计算或需要快速计算的场景，且使用难度较高，需要经过专门的学习和训练才能掌握。ECN模型可以模拟电池整体的电流、电压等，它将电池作为一个黑箱模型，不能获取电池内部的状态量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种锂离子电池的电-热模型，用于电池内部电流密度和温度的仿真，以及电池系统中单个电池的电流密度及温度的仿真。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种锂离子电池的电-热模型，对于单体电池，将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电池单元的电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型，根据要仿真的电池参数进行模型参数设定，实现电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真和电池在内短路和外短路的仿真以及模拟电池在内短路和外短路下电池内部温度分布；具体步骤如下：

（一）选取一只锂离子电池，测量其在不同荷电状态SOC下的开路电压OCV；测试所选电池在不同温度，不同SOC的电池内阻，并标定电池的容量；

（二）将所选电池正负极片在长度和宽度方向进行块划分成相同数量的块单元，正负极相对应的块作为一个电池单元，在该电池单元内进行电流、电压以及温度的计算；

（三）电路建模：分别将正负极相对应块构成的电池单元采用Simulink中Simscape模块进行电路建模；

（四）建立热模型：正负极相对应块构成的电池单元建立热模型，其中：产热考虑电池在不同使用条件下的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式；不同使用条件下包括不同充放电倍率、不同环境温度和不同的单体电池老化状态；

（五）建立关联模型：针对正负极相对应块构成的电池单元中电池内阻与电池温度和电池荷电状态SOC、电池老化状态SOH建立关联模型，实现电池内阻随电池温度和电池荷电状态SOC变化；

（六）采用步骤三、四或五的模型进行电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真，所述的不同使用条件包括：不同充放电倍率、不同环境温度或不同的电池老化状态；

（七）采用步骤三、四或五的模型进行电池在内短路和外短路仿真，模拟电池发生内短路或外短路时的电池内部温度分布。

优选地，步骤（二）所述的块单元的数量为：极片长度方向为1个~1000个，宽度方向为1个~1000个。

优选地，步骤（二）所述的块单元分别由对应的正极箔材、负极箔材、电压源和电池内阻组成，所述电池内阻采用可变电阻元件。

优选地，步骤（四）所述热模型中对于电池内部单元只考虑热传导，电池外部单元考虑与电池内部单元的热传导以及与外部环境的对流换热。

优选地，步骤（四）所述热模型中电池的产热功率采用加速量热仪测量所得的功率或者采用Bernardi方程进行计算。

优选地，步骤（五）所述的关联模型采用自定义函数方法、多维查表法或子系统方法实现。

一种锂离子电池的电-热模型，对于电池模组和PACK系统，其特征是：将所述单体电池的正负极片在长度和宽度方向划分成相同数量的块单元，正负极相对应的块作为一个电池单元，电池单元采用Simulink中Simscape模块进行电路建模，基于电路建模建立关联模型和热模型组成电-热模型包，再根据电池模组或者PACK系统的串联或并联关系进行连接，建立电池模组或者PACK系统的电-热模型；所述电池模组或者PACK系统的电-热模型中，各单体电池间建立传热模型；采用电池模组或者PACK系统的电-热模型进行电池模组或者PACK系统在不同使用条件的电流密度和温度的仿真、电池模组或PACK系统的内短路和外短路仿真以及模拟发生内短路或外短路时的电池模组或PACK系统的温度分布，所述电池模组或者PACK系统电-热模型中的单体电池容量、内阻存在一致性差异时，采用电-热模型能够评价单体电池间的电压差、SOC差以及电池老化速度的差异。

所述单体电池中正负极片划分的块单元数量：极片长度方向为1-100个，宽度方向为1-50个。

所述电池模组或者PACK系统电-热模型中的传热模型，其中产热考虑单体电池的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式。

所述电池模组或者PACK系统电流密度和温度的仿真中所述不同使用条件包括：不同充放电倍率、不同环境温度、不同的单体电池老化状态。

有益效果：本发明采用锂离子电池电-热模型可以进行模组或者PACK系统在不同使用条件的电流密度和温度的仿真。采用锂离子电池电-热模型还可以进行电池在内短路和外短路仿真，模拟电池发生内短路或外短路时的电池内部温度分布。能够评价电池模组或系统中电池间的电压差、SOC差以及电池老化速度的差异。

附图说明

图1是本发明单体电池的电-热模型示意图；

图2是单体电池正负极片划分成相同数量的块单元示意图；

图3是实施例电池1C充电产热功率；

图4是实施例电池充电初始时电流密度分布图；

图5是实施例电池正、负极耳以及电池极片中心位置的电流密度随充电时间的变化图；

图6是实施例电池从电池内部到电池外部的温度随充电时间的变化图。

图中：1、正极片；2、负极片；3、正极耳；4、负极耳；5、正极箔材电阻；6、负极箔材电阻；7、电压源；8、电池单元内阻；9、电池单元。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下方"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

详见附图，本实施例提供了一种锂离子电池的电-热模型，对于单体电池，将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电池单元的电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型，根据要仿真的电池参数进行模型参数设定，实现电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真和电池在内短路和外短路的仿真以及模拟电池在内短路和外短路下电池内部温度分布；具体步骤如下：

（四）建立热模型：正负极相对应块构成的电池单元建立热模型，其中：产热考虑电池在不同使用条件下的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式；不同使用条件下包括不同充放电倍率、不同环境温度和不同的单体电池老化状态。

步骤（四）热模型方程的建立依据为能量守恒方程：

其中，ρ代表电池密度，cp代表电池比热容，T代表电池温度，k代表导热系数，q代表产热功率；

优选的，所述第四步中的单体电池的产热功率q采用加速量热仪ARC测得的产热功率或者采用Bernardi方程进行计算:

其中，I代表电流，Vb代表电池体积，V代表电池电压，U代表电池开路电压，

代表熵热系数；

（五）针对正负极相对应块构成的电池单元中电池内阻与电池温度和电池荷电状态SOC、电池老化状态SOH建立关联模型，实现电池内阻随电池温度和电池荷电状态SOC变化；

所述步骤（二）的正负极片分块的数量：极片长度方向为1~1000个，宽度方向为1~1000个。

所述步骤（二）所述的块单元分别由对应的正极箔材、负极箔材、电压源和电池内阻组成，所述电池内阻采用可变电阻元件。

所述步骤（四）热模型中对于电池内部单元只考虑热传导，电池外部单元考虑与电池内部单元的热传导以及与外部环境的对流换热。

所述步骤（四）热模型中电池的产热功率采用加速量热仪（ARC）测得的功率或者采用Bernardi方程进行计算。

所述步骤（五）所述的关联模型采用自定义函数方法、多维查表法或子系统方法实现。

对于电池模组和PACK系统的锂离子电池的电-热模型，是基于上述单体电池建模方法将所述单体电池建立的包括电路建模、关联模型和热模型的电热模型根据电池模组或者PACK系统的串联或并联关系进行连接，采用Simulink中Simscape模块建立起电池模组或者PACK系统的电-热模型。所述对于电池模组和PACK系统的单体电池中正负极片分块的数量：极片长度方向为1-100个，宽度方向为1-50个。

所述电池模组或者PACK系统的电-热模型中，各单体电池间建立传热模型，其中产热考虑单体电池的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式。

采用电池模组或者PACK系统的电-热模型进行电池模组或者PACK系统在不同使用条件的电流密度和温度的仿真，所述不同使用条件包括：不同充放电倍率、不同环境温度或不同的单体电池老化状态。

电池模组或PACK系统的内短路和外短路仿真以及模拟发生内短路或外短路时的电池模组或PACK系统的温度分布。

当单体电池容量、内阻存在一致性差异时，采用电池模组或者PACK系统的电-热模型能够评价单体电池间的电压差、SOC差以及电池老化速度的差异。

实施例

以50Ah叠片单体电池为例，对本发明进一步说明，具体实施步骤如下：

请参见表1，第一步，测量其在不同温度、不同荷电状态SOC下的开路电压OCV。

表1

请参见表2，第二步，测量所选单体电池在不同温度、SOC 0-100%的内阻，并标定容量。

表2

第三步，将所选单体电池正极片1和负极片2在长度和宽度方向进行块划分，长度方向划分为20块，宽度方向划分为10块。

第四步，将正负极所构成的电池单元采用Simulink中Simscape模块进行电路建模。模型如图2所示，分别将单体电池的一层正极片1和一层负极片2划分成相同数量的块单元，然后将对应的正极箔材5，负极箔材6，电压源7，电池单元内阻8组成一个电池单元9，如图1中虚线框所示。正负极片长度方向的各电池单元间为串联关系，极片宽度方向的各电池单元间为并联关系，电池单元的正极通过正极箔材连接到正极耳3，负极通过负极箔材连接到负极耳4。

请参见表3，第五步，根据单体电池所用的箔材参数及电压、容量、内阻给电池单元中的各元件设定参数。

表3

第六步，所述第四步中电池单元建立热模型，电池单元产热功率q采用加速量热仪ARC测得的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式。q请参见图3。

热模型方程的建立依据为能量守恒方程：

其中，ρ代表电池密度，cp代表电池比热容，T代表电池温度，k代表导热系数，q代表产热功率。

第七步，所述第四步中电池单元中的内阻与温度和荷电状态SOC关联模型，关联模型采用二维查表法实现。

第八步，采用上述模型进行单体电池在1C倍率充电的电流密度仿真。在充电初始时的电流密度分布如图4所示，以及单体电池在整个充电过程中的正极耳，负极耳以及极片中部的电流密度变化规律如图5所示，电池在充电过程中从电池内部到电池外部温度的变化规律如图6所示。

上述参照实施例对该一种锂离子电池的电-热模型进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种锂离子电池的电-热模型，对于单体电池、电池模组和PACK系统，其特征是：将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电池单元的电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型，根据要仿真的电池参数进行模型参数设定，实现电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真和电池在内短路和外短路的仿真以及模拟电池在内短路和外短路下电池内部温度分布；具体步骤如下：

（四）建立热模型：正负极相对应块构成的电池单元建立热模型，其中：产热考虑电池在不同使用条件下的产热功率，散热考虑热传导和对流散热方式；所述不同使用条件包括不同充放电倍率、不同环境温度和不同的单体电池老化状态;

电池单元采用Simulink中Simscape模块进行电路建模，基于电路建模建立关联模型和热模型组成电-热模型包，再根据电池模组或者PACK系统的串联或并联关系进行连接，建立电池模组或者PACK系统的电-热模型；所述电池模组或者PACK系统的电-热模型中，各单体电池间建立传热模型；

（六）采用步骤三、四或五的模型进行电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真，所述不同使用条件包括：不同充放电倍率、不同环境温度和不同的电池老化状态；

（七）采用步骤三、四或五的模型进行电池在内短路和外短路仿真，模拟电池发生内短路或外短路时的电池内部温度分布内，所述电池模组或者PACK系统电-热模型中的单体电池容量、内阻存在一致性差异时，采用电-热模型能够评价单体电池间的电压差、SOC差以及电池老化速度的差异。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池的电-热模型，其特征是：步骤（二）中对于单体电池，所述的块单元的数量为：极片长度方向为1个~1000个，宽度方向为1个~1000个；对于电池模组和PACK系统的单体电池，所述单体电池中正负极片划分的块单元数量：极片长度方向为1-100个，宽度方向为1-50个。

3.根据权利要求1或2所述的锂离子电池的电-热模型，其特征是：步骤（二）所述的块单元分别由对应的正极箔材、负极箔材、电压源和电池内阻组成，所述电池内阻采用可变电阻元件。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池的电-热模型，其特征是：步骤（四）所述热模型中对于电池内部单元只考虑热传导，电池外部单元考虑与电池内部单元的热传导以及与外部环境的对流换热。

5.根据权利要求1或4所述的锂离子电池的电-热模型，其特征是：步骤（四）所述热模型中电池的产热功率采用加速量热仪测量所得的功率或者采用Bernardi方程进行计算。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池的电-热模型，其特征是：步骤（五）所述的关联模型采用自定义函数方法、多维查表法或子系统方法实现。