CN114974444A - 基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 - Google Patents
基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114974444A CN114974444A CN202210653292.3A CN202210653292A CN114974444A CN 114974444 A CN114974444 A CN 114974444A CN 202210653292 A CN202210653292 A CN 202210653292A CN 114974444 A CN114974444 A CN 114974444A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- battery
- model
- electrochemical
- temperature
- thermal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 53
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 27
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 37
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 35
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 32
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 27
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 20
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 claims description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims description 9
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 4
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 3
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims description 3
- 238000009830 intercalation Methods 0.000 claims description 3
- 230000002687 intercalation Effects 0.000 claims description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 3
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 claims description 3
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 11
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 210000003537 structural cell Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
- H01M10/61—Types of temperature control
- H01M10/613—Cooling or keeping cold
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
- H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
- H01M10/654—Means for temperature control structurally associated with the cells located inside the innermost case of the cells, e.g. mandrels, electrodes or electrolytes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
- H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
- H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/08—Thermal analysis or thermal optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本发明涉及基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。该方法包括：搜集实验电池的信息；建立实验电池的电化学‑热耦合模型，其中电化学模型采用一维模型，热模型采用三维模型；利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学‑热耦合模型；基于修正后的电化学‑热耦合模型，从电池结构方面降低电池的温升，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料，该方法使卷芯与壳体之间接触良好，提高了卷芯向壳体的传热能力，从而降低了电池内部的温度，该方法简单易于实现，成本低且降温效果明显。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，具体涉及基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、无记忆效应和自放电率低等优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用，近年来，已广泛应用于电动汽车与储能领域。
针对提高电池能量密度的指标，电池的尺寸越来越大，电池的容量也越来越大。大电池的产热大，温度高，尤其电池内部的温度比较高。夏季，天气温度高，电池内部的温度较高，若得不到控制，很容易发生安全事故。
目前，电池的热管理主要是针对电池模组级别与电池包级别，鲜见基于电池单体级别的报道。中国专利申请号201710235800.5，一种电池模组导热板排布优化方法，此发明是针对电池模组采用热仿真方法进行研究，探究了模组中单体之间的间隙的影响，在单体之间增加导热板，以提高模组的散热，进而提高模组温度分布的均匀性。中国专利申请号201910238645.1，锂离子电池包的热仿真方法，此发明针对电池包，讲述了电池包的热仿真方法与过程。
本发明从电池单体的结构即几何构造出发，提高卷芯的传热，进而有效降低电池内部的温度。
发明内容
本发明的目的在于提供基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。该方法简单易于实现，成本低且降温效果明显。
本申请主要基于以下问题提出的：
影响电池温升的因素，一方面在于电池的产热，另一方面在于电池的传热与散热。电池的产热需从材料与工艺方面进行改善，实施起来，难度较大。而电池的传热与散热从电池的构造方面就可以改善，容易实现。
为此，本发明提出了一种基于电化学-热耦合模型从电池结构方面降低电池温升的方法。根据本发明的实施例，该方法包括以下步骤：
（1）搜集实验电池的信息
实验电池的信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据。
（2）建立实验电池的电化学-热耦合模型
在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块与固体传热模块，建立实验电池的电化学-热耦合模型。其中，电化学模型是一维模型，热模型是三维模型。
（3）修正电化学-热耦合模型
利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学-热耦合模型。
（4）用步骤（3）修正后的电化学-热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升。
用步骤（3）修正后的电化学-热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。
进一步的，所述步骤（1）中，几何信息包含电芯层级的几何信息，具体地：铜箔的厚度、负极单面涂层的厚度、隔膜的厚度、正极单面涂层的厚度、铝箔的厚度、正极片的长度及宽度、正极片的总层数；
还包含电池单体层级的几何信息，具体地：壳体的厚度、极耳的尺寸与位置、极柱的尺寸与位置、极柱底座的尺寸与位置、顶盖的厚度、顶盖下方绝缘板的厚度、连接片的尺寸与位置；
设计信息包含正极与负极的面密度与压实密度；
电化学物性参数包含：正极与负极的最大嵌锂浓度、活性颗粒半径、固相扩散系数、活性比表面积、速率常数、曲折系数、SOC范围、平衡电位、熵热系数、电导率，电解液的液相扩散系数、离子迁移数、电导率、活度系数，隔膜的孔隙率；
热物性参数包含：电池的密度、比热容、热导率。实验数据包含：1C充放电的电流、电压、温度数据。
进一步的，所述步骤（2）中的电化学-热耦合模型，主要是在comsolmultiphysics5.6中，利用锂离子电池模块建立一维的电化学模型，利用固体传热模块建立三维的热模型；
其中电化学模型与热模型间的耦合是：通过设置两个变量Qh与 T，并在模型输入参数中调用这两个变量，来实现电化学模型与热模型间参数的实时传递，所述Qh指电化学模型的产热，所述 T指热模型的温度；
具体的参数传递方式为：
将电化学模型计算的产热Qh反馈到热模型中，作为热模型的热源输入；
将热模型计算的温度T反馈到电化学模型中，作为电化学模型的温度输入；
这样，热模型的热源是实时变化的，电化学模型的温度也是实时变化的，即电化学模型考虑了温度的影响，而温度是依据电化学模型计算的产热由热模型计算得到的，可提高电化学-热耦合模型的精度。
进一步的，所述步骤（3）修正方式包括：
（3-1）工况与探针的设置：利用步骤（2）建立的电化学-热耦合模型，在电化学模型中设置与实验电池一致的工况；
根据实验电池监测温度，监测位置为电池外表面大面的中心点，在热模型中设置2个域点探针，分别为探针1和探针2，并监测此两点处的温度，探针1的点选择电池外表面大面的中心点，其与实验电池的监测位置一致，探针2的点选择电芯内部的几何中心点；
（3-2）工况的计算与结果的处理：进行计算，计算完后，处理仿真结果数据，分别绘制1C充电与1C放电的电压-容量曲线，并绘制探针1与2的温度曲线；
（3-3）对比实验曲线，调整模型参数，继续计算：把仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线进行对比，根据仿真曲线与实验曲线的吻合度，对电化学模型的一些关键物性参数进行调整；
把仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线进行对比，对热模型的一些关键物性参数进行调整，之后进行计算；
如此重复此过程，直到仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线的吻合度良好，且仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线的吻合度良好时为止；
至此，完成电化学-热耦合模型的修正。
进一步的，所述步骤（4）中，从电池结构方面降低电池的温升，主要是从热模型几何的角度出发，即从电池单体的几何构造出发，结合传热学的知识，分析电池内部温度高的原因，进而提出解决方案；
分析方式为：由于电池的卷芯与壳体之间有缝隙，在仿真中，此部分的热模型几何被赋予空气，在完成修正电化学热耦合模型后，通过观察1C充放电曲线及温升分布可知，此部分的空气的导热性能很差，使得卷芯向壳体的传热受阻；
由此可知，电池内部温度高的原因分为两种，一方面在于电池的产热高，另一方面在于电池的传热受阻；
具体的解决方案，这里从提高电池的传热出发，电池的卷芯与壳体之间有缝隙，导致卷芯的热量向壳体的传递受阻，解决方案是在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料，消除卷芯与壳体之间的缝隙，这样就提高了卷芯热量的传递；
上述导热性能良好的绝缘材料，不局限于导热硅胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的一种基于电化学-热耦合模型从电池结构方面降低电池温升的方法，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。该方法使卷芯与壳体之间接触良好，提高了卷芯向壳体的传热能力，从而降低了电池内部的温度，该方法简单易于实现，成本低且降温效果明显。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是电化学模型的几何示意图；
图3是热模型的几何示意图；
图4是1C充电仿真曲线与实验曲线的对比图；
图5是1C放电仿真曲线与实验曲线的对比图；
图6是1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池表面监测点仿真的温度曲线与实验曲线的对比图；
图7是原始结构与改进后的结构在1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池表面监测点仿真的温度曲线的对比图；
图8是原始结构与改进后的结构在1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池内部监测点仿真的温度曲线的对比图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。
（1）搜集实验电池的信息
实验电池的信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据；
几何信息包含电芯层级的几何信息，具体地：铜箔的厚度、负极单面涂层的厚度、隔膜的厚度、正极单面涂层的厚度、铝箔的厚度、正极片的长度及宽度、正极片的总层数；
还包含电池单体层级的几何信息，具体地：壳体的厚度、极耳的尺寸与位置、极柱的尺寸与位置、极柱底座的尺寸与位置、顶盖的厚度、顶盖下方绝缘板的厚度、连接片的尺寸与位置；
设计信息包含正极与负极的面密度与压实密度。电化学物性参数包含：正极与负极的最大嵌锂浓度、活性颗粒半径、固相扩散系数、活性比表面积、速率常数、曲折系数、SOC范围、平衡电位、熵热系数、电导率，电解液的液相扩散系数、离子迁移数、电导率、活度系数，隔膜的孔隙率；热物性参数包含：电池的密度、比热容、热导率。实验数据包含：1C充放电的电流、电压、温度数据。
（2）建立实验电池的电化学-热耦合模型
在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块建立一维的电化学
模型，利用固体传热模块建立三维的热模型；
电化学模型与热模型间的耦合：通过设置两个变量Qh(电化学模型的产热）与 T（热模型的温度），并在模型输入参数中调用这两个变量，来实现电化学模型与热模型间参数的实时传递。电化学模型计算的产热Qh反馈到热模型中，作为热模型的热源输入；热模型计算的温度T反馈到电化学模型中，作为电化学模型的温度输入；
这样，热模型的热源是实时变化的，电化学模型的温度也是实时变化的。即，电化学模型考虑了温度的影响，而温度是依据电化学模型计算的产热由热模型计算得到的。因此电化学-热耦合模型的精度较高。
（3）修正电化学-热耦合模型
利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学-热耦合模型；
步骤（3）进一步包括：
（3-1）工况与探针的设置。利用步骤（2）建立的电化学-热耦合模型，在电化学模型中设置与实验电池一致的工况；根据实验电池监测温度的位置（电池外表面大面的中心点），在热模型中设置2个域点探针（探针1、探针2）来监测此两点处的温度，探针1的点选择电池外表面大面的中心点（与实验电池的监测位置一致），探针2的点选择电芯内部的几何中心点。
（3-2）工况的计算与结果的处理。进行计算，计算完后，处理仿真结果数据，分别绘制1C充电与1C放电的电压-容量曲线，并绘制探针1与2的温度曲线。
（3-3）对比实验曲线，调整模型参数，继续计算。把仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线进行对比，根据仿真曲线与实验曲线的吻合度，对电化学模型的一些关键物性参数进行调整；把仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线进行对比，对热模型的一些关键物性参数进行调整。之后进行计算。如此重复此过程，直到仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线的吻合度良好，且仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线的吻合度良好时为止。至此，完成电化学-热耦合模型的修正。
（4）用步骤（3）修正后的电化学-热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升，具体的：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。
上述从电池结构方面降低电池的温升，主要原理是：从热模型几何的角度出发，即从电池单体的几何构造出发，结合传热学的知识，分析电池内部温度高的原因，进而提出解决方案。
分析主要由于电池的卷芯与壳体之间有缝隙，在仿真中，此部分的热模型几何被赋予空气，在完成修正电化学热耦合模型后，通过观察1C充放电曲线及温升分布可知，此部分的空气的导热性能很差，使得卷芯向壳体的传热受阻；
由此可知，电池内部温度高的原因分为两种，一方面在于电池的产热高，另一方面在于电池的传热受阻。
解决方案，这里从提高电池的传热出发，电池的卷芯与壳体之间有缝隙，导致卷芯的热量向壳体的传递受阻；
在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料，消除卷芯与壳体之间的缝隙，这样就提高了卷芯热量的传递；
这里导热性能良好的绝缘材料，不局限于导热硅胶。
下面将结合实施例1本发明的方案进行解释：
对公司某型号的电池，搜集其电池信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据。此电池的实验工况1C恒流恒压充电-搁置1h-1C放电，在此过程中，监测了电池外表面大面中心的温度。电池的上限电压3.65V，下限电压2V。
建立电化学-热耦合模型：在comsol multiphysics5.6中建立此电池的电化学-热耦合模型。
工况的设置与上述实验工况一致，设置两个域点探针（探针1、探针2）来监测此两点处的温度，其中探针1选择电池外面表大面的中心点用于与实验数据进行对比；探针2选择电池内部的几何中心点，用于与表面中心点的温度进行对比，还用于几何构造改进后的对比。
修正电化学-热耦合模型：提交计算，处理结算结果，分别绘制1C充电与1C放电的电压-容量曲线，并绘制探针1与2的温度曲线。把仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线进行对比；
然后根据仿真曲线与实验曲线的吻合度，对电化学模型的一些关键物性参数进行调整；把仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线进行对比，对热模型的一些关键物性参数进行调整，之后进行计算；
如此重复此过程，直到仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线的吻合度良好，且仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线的吻合度良好时为止；
至此，完成电化学-热耦合模型的修正。
上述实施例中，1C充电仿真曲线与实验曲线的对比图如图4所示，曲线的吻合度良好；
1C放电仿真曲线与实验曲线的对比图如图5所示，曲线的吻合度良好；
1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池表面监测点仿真的温度曲线与实验曲线的对比图如图6所示，趋势的走势基本一致，局部存在偏差；
电池表面监测点仿真的温升与实验温升，如对比表1所示；
| 充电始 | 充电末 | 搁置末 | 放电末 | 充电温升 | 放电温升 | |
| 仿真 | 25℃ | 34.426℃ | 25.595℃ | 38.004℃ | 9.426℃ | 12.409℃ |
| 实验 | 25.2℃ | 34.5℃ | 24.6℃ | 37.6℃ | 9.3℃ | 13℃ |
| 差值 | 0.126℃ | -0.591℃ | ||||
| 误差 | 1.35% | -4.55% |
由此可知，在充电过程中，电池的实验温升9.3℃，电池的仿真温升9.426℃，相差0.126℃，误差1.35%；
在放电过程中，电池的实验温升13℃，电池的仿真温升12.409℃，相差-0.591℃，误差-4.55%；
因此无论是充放电曲线还是温度曲线与温升，仿真结果与实验结果的对比效果都很好，这些都可说明仿真模型的精度很高。
基于上述修正后的电化学-热耦合模型，对热模型的几何进行改进，具体地，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料；
主要原理是，原始热模型的几何，电池的卷芯与壳体之间有约1mm的间隙，此间隙对应的材料属于空气；
改进后的几何，此间隙被导热性能良好的绝缘材料替代；
此改变在仿真中的体现，电池的卷芯与壳体之间的间隙的材料由空气变为导热性能良好的绝缘材料，提高了卷芯的传热能力，使卷芯的热量能高效地传递到壳体上，进而扩散到环境中，因此卷芯的温度显著地降低，而壳体温度有所升高。
上述实施例中，原始结构与改进后的结构在1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池表面监测点仿真的温度曲线的对比图如图7所示；
电池表面监测点结构改进后仿真的温升与原始结构仿真温升的对比如表2所示；
| 充电始 | 充电末 | 搁置末 | 放电末 | 充电温升 | 放电温升 | |
| 改进后 | 25℃ | 37.370℃ | 25.216℃ | 42.002 ℃ | 12.370℃ | 16.786℃ |
| 原始结构 | 25℃ | 34.426℃ | 25.595℃ | 38.004℃ | 9.426℃ | 12.409℃ |
| 差值 | 2.944℃ | 4.377℃ | ||||
| 百分比 | 31.24% | 35.27% |
由此可知，原始结构充电温升9.426℃，放电温升12.409℃，改进后的结构充电温升12.370℃，放电温升16.786℃，改进后的结构充电温升升高了2.944℃，升高31.24%；放电温升升高了4.377℃，升高35.27%；
因此改进后的结构电池表面温升升高，这表明改进后的结构卷芯的热量向壳体传递的能力提高，因而使得表面温升升高。
上述实施例中，原始结构与改进后的结构在1C恒流恒压充电-搁置-1C放电过程中电池内部监测点仿真的温度曲线的对比图如图8所示；
电池内部监测点结构改进后仿真的温升与原始结构仿真温升的对比如表3所示；
| 充电始 | 充电末 | 搁置末 | 放电末 | 充电温升 | 放电温升 | |
| 改进后 | 25℃ | 39.165℃ | 25.241℃ | 44.558℃ | 14.165℃ | 19.317℃ |
| 原始结构 | 25℃ | 42.895℃ | 26.103℃ | 49.84℃ | 17.895℃ | 23.737℃ |
| 差值 | -3.730℃ | -4.420℃ | ||||
| 百分比 | -20.85% | -18.62% |
由此可知，原始结构充电温升14.165℃，放电温升19.317℃，改进后的结构充电温升17.895℃，放电温升23.73℃，改进后的结构充电温升降低了3.73℃，降低20.85%；放电温升降低了4.42℃，降低18.62%；
因此改进后的结构电池内部温升降低，这表明改进后的结构卷芯的热量向壳体传递的能力提高，因而使得内部温升降低。
本实施例中，电池内部监测点与外部监测点结构改进后仿真的充电温升与原始结构仿真充电温升的对比如表4所示；
| 原始结构 | 改进后 | |
| 内部充电温升 | 17.895℃ | 14.165℃ |
| 表面充电温升 | 9.426℃ | 12.370℃ |
| 差值 | 8.469℃ | 1.794℃ |
电池内部监测点与外部监测点结构改进后仿真的放电温升与原始结构仿真放电温升的对比如表5所示；
| 原始结构 | 改进后 | |
| 内部放电温升 | 23.737℃ | 19.317℃ |
| 表面放电温升 | 12.409℃ | 16.786℃ |
| 差值 | 11.328℃ | 2.530℃ |
由此可知，改进后的结构，降低了电池内部的温升，提高了电池表面的温升，因而电池内部与外部的温差得到极大降低。
综上所述，原始结构由于卷芯的热量向壳体传输的能力差，使得电池内部与表面的温差大，这样研究人员测试电池外表面的温度，不能用于内部温度的衡量。改进后的结构提高了卷芯的热量向壳体传递的能力，因而使得电池内部的温度降低，而电池表面温度升高，降低了电池内部与表面的温差，研究人员可以通过测试电池表面的温升预估电池内部的温升。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）搜集实验电池的信息
实验电池的信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据；
（2）建立实验电池的电化学-热耦合模型
在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块与固体传热模块，建立实验电池的电化学-热耦合模型；其中，电化学模型是一维模型，热模型是三维模型；
（3）修正电化学-热耦合模型
利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学-热耦合模型；
（4）用步骤（3）修正后的电化学-热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升;
用步骤（3）修正后的电化学-热耦合模型，从电池结构方面降低电池的温升，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于：所述步骤（1）中，几何信息包含电芯层级的几何信息，具体地：铜箔的厚度、负极单面涂层的厚度、隔膜的厚度、正极单面涂层的厚度、铝箔的厚度、正极片的长度及宽度、正极片的总层数；
还包含电池单体层级的几何信息，具体地：壳体的厚度、极耳的尺寸与位置、极柱的尺寸与位置、极柱底座的尺寸与位置、顶盖的厚度、顶盖下方绝缘板的厚度、连接片的尺寸与位置；
设计信息包含正极与负极的面密度与压实密度；
电化学物性参数包含：正极与负极的最大嵌锂浓度、活性颗粒半径、固相扩散系数、活性比表面积、速率常数、曲折系数、SOC范围、平衡电位、熵热系数、电导率，电解液的液相扩散系数、离子迁移数、电导率、活度系数，隔膜的孔隙率；
热物性参数包含：电池的密度、比热容、热导率；
实验数据包含：1C充放电的电流、电压、温度数据。
3.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于：所述步骤（2）中的电化学-热耦合模型，主要是在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块建立一维的电化学模型，利用固体传热模块建立三维的热模型；
其中电化学模型与热模型间的耦合是：通过设置两个变量Qh与 T，并在模型输入参数中调用这两个变量，来实现电化学模型与热模型间参数的实时传递，所述Qh指电化学模型的产热，所述 T指热模型的温度；
具体的参数传递方式为：
将电化学模型计算的产热Qh反馈到热模型中，作为热模型的热源输入；
将热模型计算的温度T反馈到电化学模型中，作为电化学模型的温度输入；
这样，热模型的热源是实时变化的，电化学模型的温度也是实时变化的，即电化学模型考虑了温度的影响，而温度是依据电化学模型计算的产热由热模型计算得到的，可提高电化学-热耦合模型的精度。
4.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于，步骤（3）修正方式包括：
（3-1）工况与探针的设置：利用步骤（2）建立的电化学-热耦合模型，在电化学模型中设置与实验电池一致的工况；
根据实验电池监测温度，监测位置为电池外表面大面的中心点，在热模型中设置2个域点探针，分别为探针1和探针2，并监测此两点处的温度，探针1的点选择电池外表面大面的中心点，其与实验电池的监测位置一致，探针2的点选择电芯内部的几何中心点；
（3-2）工况的计算与结果的处理：进行计算，计算完后，处理仿真结果数据，分别绘制1C充电与1C放电的电压-容量曲线，并绘制探针1与2的温度曲线；
（3-3）对比实验曲线，调整模型参数，继续计算：把仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线进行对比，根据仿真曲线与实验曲线的吻合度，对电化学模型的一些关键物性参数进行调整；
把仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线进行对比，对热模型的一些关键物性参数进行调整，之后进行计算；
如此重复此过程，直到仿真结果的1C充电与1C放电的电压-容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压-容量曲线的吻合度良好，且仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线的吻合度良好时为止；
至此，完成电化学-热耦合模型的修正。
5.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于：所述步骤（4）中，从电池结构方面降低电池的温升，主要是从热模型几何的角度出发，即从电池单体的几何构造出发，结合传热学的知识，分析电池内部温度高的原因，进而提出解决方案；
分析方式为：由于电池的卷芯与壳体之间有缝隙，在仿真中，此部分的热模型几何被赋予空气，在完成修正电化学热耦合模型后，通过观察1C充放电曲线及温升分布可知，此部分的空气的导热性能很差，使得卷芯向壳体的传热受阻；
由此可知，电池内部温度高的原因分为两种，一方面在于电池的产热高，另一方面在于电池的传热受阻；
具体的解决方案，这里从提高电池的传热出发，电池的卷芯与壳体之间有缝隙，导致卷芯的热量向壳体的传递受阻，解决方案是在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料，消除卷芯与壳体之间的缝隙，这样就提高了卷芯热量的传递；
上述导热性能良好的绝缘材料，不局限于导热硅胶。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210653292.3A CN114974444A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210653292.3A CN114974444A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114974444A true CN114974444A (zh) | 2022-08-30 |
Family
ID=82962047
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210653292.3A Pending CN114974444A (zh) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | 基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114974444A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115856644A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 华东交通大学 | 一种储能电池的建模方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN208806320U (zh) * | 2018-09-07 | 2019-04-30 | 深圳市比克动力电池有限公司 | 一种锂离子电池 |
-
2022
- 2022-06-10 CN CN202210653292.3A patent/CN114974444A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN208806320U (zh) * | 2018-09-07 | 2019-04-30 | 深圳市比克动力电池有限公司 | 一种锂离子电池 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 赵稳: "车用高比能锂离子电池电化学-热特性研究", 中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑, 28 February 2019 (2019-02-28), pages 035 - 445 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115856644A (zh) * | 2023-02-28 | 2023-03-28 | 华东交通大学 | 一种储能电池的建模方法 |
| CN115856644B (zh) * | 2023-02-28 | 2023-05-05 | 华东交通大学 | 一种储能电池的建模方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107145628B (zh) | 基于电化学-热耦合模型的预测锂电池循环寿命的方法 | |
| CN111062137B (zh) | 一种锂离子电池性能预测模型及其构建方法和应用 | |
| CN109344429A (zh) | 一种提高电化学-热耦合模型温度适用性和准确性建模方法 | |
| CN101227015A (zh) | 高倍率及高安全性能的圆柱型锂离子电池 | |
| CN115017781B (zh) | 一种锂离子电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型 | |
| CN108258219A (zh) | 一种钾离子电池正极材料氟磷酸钒钾/碳的制备方法 | |
| Oladimeji et al. | Analyses of the Calendaring Process for Performance Optimization of Li‐Ion Battery Cathode | |
| CN111475963A (zh) | 一种锂离子电池相变热管理系统的优化方法 | |
| CN115453377A (zh) | 基于电化学-热-老化与三维降阶的电池组寿命预测方法 | |
| CN111540908A (zh) | 一种极片结构及锂离子电池 | |
| CN114974444A (zh) | 基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法 | |
| CN115563759A (zh) | 一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法 | |
| CN110580389A (zh) | 一种电池极耳的优化方法 | |
| CN111337842A (zh) | 一种锂离子电池负极片最优压实密度的测试方法 | |
| Geetha et al. | Influence of Electrode Parameters on the Performance Behavior of Lithium-Ion Battery | |
| CN111122627A (zh) | 一种石墨负极片最优压实密度的测试方法 | |
| Hu et al. | Numerical analysis and optimization of thermal performance of lithium battery pack based on air-cooling strategy | |
| CN116298909A (zh) | 一种用于空间锂离子蓄电池的电-热耦合建模方法 | |
| CN112054194B (zh) | 一种磷修饰锂离子电池正极材料及其制备方法和应用 | |
| CN115503482A (zh) | 充电策略确定方法、电池以及车辆 | |
| CN113964293B (zh) | 一种循环稳定快充型锂离子电池负极及其应用 | |
| Carnovale | Investigation into the effect of thermal management on the capacity fade of lithium-ion batteries | |
| CN220652281U (zh) | 一种电池以及电池装置 | |
| CN210325981U (zh) | 一种制备锂离子电池正极的装置 | |
| Guo et al. | Simulation of Active Air Cooling and Heat Dissipation of Lithium Battery Based on Comsol |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |