CN115563759A - 一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池的技术领域，具体涉及一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，包括以下步骤，通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，仿真模拟电芯充放电过程中的电化学反应及产生的热量，通过电流场与固体传热场仿真模拟电池充放电过程中的电芯结构件产生的热量及固体传热过程，计算电芯结构件的焦耳热，通过电芯的产热功率结合电芯结构件的焦耳热计算整个电芯的温升，分别标定电芯结构件与电芯的温度变化曲线，以获得电芯的温度分布情况。本发明能够提高实验效率、降低实验成本，实现了电芯温度分布可视化，能够清楚获知任意时刻电芯温度分布，了解电芯内外部不同位置的温度。
Description
技术领域
本发明属于电池的技术领域，具体涉及一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法。
背景技术
锂离子电池具有质轻、高容、长寿命、自放电率低、无记忆效应、无污染等优点，随着现代社会的发展、人们环保意识的增强及新能源行业的日益发展，越来越多的设备选择以锂离子电池作为电源，如手机、笔记本电脑、电动工具和电动汽车等等。
然而，锂离子电池由于内部电化学过程伴随着热量产生，且因内部结构复杂使得温度分布不均匀，进而导致局部产生过热，一旦造成热失控，后果将极为严重。现有的一些技术是将电芯拆开后在不同位置放置热电偶温感线，测量各个温度点温度变化情况，了解电芯在充放电过程中温度的变化，这一过程操作流程繁琐，耗时耗力并且增加实验成本。为此，亟需提出一种新型的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其能够精准预测电芯的温度分布与整个工况过程中电池各位置温度变化情况，为电池热管理系统的设计提供依据。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，包括以下步骤：
S1、绘制电芯的几何模型，设置电芯的材料属性，通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，仿真模拟电芯充放电过程中的电化学反应及电池卷芯或极组充放电过程产生的热量；
S2、标定电芯全电池电压与充放电时间曲线图，标定电芯的温升与时间的变化曲线图，设置需要计算的工况电流，计算该工况对应的电芯产热，提取电芯的产热功率；
S3、简化电芯的结构，绘制电芯结构件，设置电芯结构件的各组件的材料属性，通过电流场与固体传热场仿真模拟电池充放电过程中的电芯结构件产生的热量及固体传热过程，计算电芯结构件的焦耳热；
S4、通过电芯的产热功率结合电芯结构件的焦耳热计算整个电芯的温升，分别标定电芯结构件与电芯的温度变化曲线，设置需要计算的工况电流，计算该工况下电芯热分布及电芯各位置温升情况，绘制电芯的温度分布图和各个位置的温度变化图。
优选的，所述S1步骤中的设置电芯的材料属性包括：设置铜箔、铝箔电导率，设置正负极材料电导率、扩散系数、平衡电位、平衡电位温度导数、参考浓度、电极最大荷电状态、电极最小荷电状态、电极体积分数、电解质体积分数、初始物质浓度、粒径、电化学反应交换电流密度、活性比表面积，设置隔膜孔隙率，设置电解液电导率、扩散系数、传递数和活性相关性，设置等效密度、等效比热容、等效热导率。
优选的，所述S1步骤中还包括：设置锂离子电池物理场的正负极集流体、正负极多孔材料、隔膜及电解液，设置对应的控制方程，设置边界条件，将负极接地，将正极作为电流入口，设置电池初始荷电状态；设置固体传热物理场的初始温度、换热条件，将固体传热物理场与锂离子电池物理场耦合，实现温度与电化学反应之间的相互作用关系。
优选的，所述S1步骤中的控制方程包括：Butler–Volmer方程、质量守恒方程、电荷守恒方程、阿仑尼乌斯方程。
优选的，所述S2步骤的工况电流的取值为0.1C～0.33C、0.33C～0.5C、0.5C～1C、1C～2C、2C～3C，其中，在0.1C～0.33C、0.33C～0.5C、0.5C～1C中，电芯的荷电状态可以为10％SOC～50％SOC，在1C～2C、2C～3C中，电芯的荷电状态可以为50％SOC～100％SOC。
优选的，所述S3步骤中的设置电芯结构件的各组件的材料属性包括：设置各绝缘组件的比热容、密度、导热系数，设置各导电组件的比热容、电导率、密度和导热系数。
优选的，所述S3步骤中还包括：通过电流场控制方程、固体传热控制方程、能量守恒方程的耦合实现电芯热分布的仿真。
优选的，所述S4步骤中还包括：建立电芯热分布模型，并根据实测恒流充放电电压、温度、时间数据标定模型，预测任一实际工况下任意时刻电芯的温度分布与整个工况过程中电池各位置温度变化情况。
优选的，所述S4步骤中还包括：将电芯不同位置的温度可视化，展现热流方向、充放电过程中的不同位置的温度变化。
优选的，所述S4步骤中还包括：在标定温度变化曲线的过程中，最后时刻的仿真温度与实测温度相差在2℃的范围以内。
本发明的有益效果在于，本发明通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，同时标定电芯全电池电压与充放电时间的曲线图、电芯的温升与时间的变化曲线图，计算不同工况电流所对应的电芯产热，可以更合理地获知不同荷电状态时的电芯产热情况，从而更真实地模拟了电芯的产热情况，通过电流场与固体传热场仿真模拟电池充放电过程中的电芯结构件产生的热量及固体传热过程，计算不同工况电流下的电芯热分布及电芯各位置温升情况，能够预测到在充放电过程中热量的主要贡献的来源，可以知道电芯的最大温度出现的时刻及位置，并且可得到电芯上下以及内外部的温差，并可以将电芯总的产热分解为电芯产热与结构件产热，从而可以为电池热管理系统的设计提供依据。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
图1为本发明的预测电芯热分布的操作流程图。
图2为本发明的实施例1的模型标定的对比图。
图3为本发明的实施例1的温升标定图。
图4为本发明的实施例1的焦耳热与固体传热模块的电流路径示意图。
图5为本发明的实施例1的电芯温度分布图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图1～5对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
参见图1，本发明的一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，具体包括以下步骤：
S1、绘制电芯的几何模型，设置电芯的材料属性，通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，仿真模拟电芯充放电过程中的电化学反应及电池卷芯或极组充放电过程产生的热量；
S2、标定电芯全电池电压与充放电时间曲线图，标定电芯的温升与时间的变化曲线图，设置需要计算的工况电流，计算该工况对应的电芯产热，提取电芯的产热功率；
S3、简化电芯的结构，绘制电芯结构件，设置电芯结构件的各组件的材料属性，通过电流场与固体传热场仿真模拟电池充放电过程中的电芯结构件产生的热量及固体传热过程，计算电芯结构件的焦耳热；
S4、通过电芯的产热功率结合电芯结构件的焦耳热计算整个电芯的温升，分别标定电芯结构件与电芯的温度变化曲线，设置需要计算的工况电流，计算该工况下电芯热分布及电芯各位置温升情况，绘制电芯的温度分布图和各个位置的温度变化图。
从上述步骤中可以看出，本发明包含几个部分，第一部分为电化学模块，模拟电池JR(卷芯)充放电过程中的电化学反应及产生的热量；第二部分为焦耳热与固体传热模块，模拟电池充放电过程中的结构件产生的热量及固体传热过程；第三部分为多物理场耦合-能量守恒。
其中，以上模块的仿真主要通过comsol Multiphysics，通过第一部分计算完毕后提取JR产热功率，作为第二部分的输入，并结合结构件的焦耳热计算整个电芯的温升。并且，本发明通过耦合质量、电荷、能量守恒和电化学动力学，建立模型。以下为各个模块所用到的控制方程。
第一部分：电化学模块
1.控制方程：
正、负极的电化学反应的实质是锂离子在正、负极的嵌入和脱嵌，这一过程由巴特勒-伏尔摩(Butler-Volmer)方程来描述，即
式中：αa和αc分别为阳极(负极)和阴极(正极)电极反应的转移系数，取值分别为0.5；F为法拉第常数；R为理想气体常数；T为温度，其单位为K；i0为交换电流密度，其单位为A/cm2；η是固相活性材料和电解质中锂离子浓度的函数。
2.质量守恒方程
锂离子在电解质中的质量守恒方程为：
式中：c为单位体积内的锂离子浓度，其单位为mol/cm3；
为锂离子的转移数；
为电解质中的有效扩散系数；εl为液相体积分数。
锂离子在电极固相中的质量守恒方程为：
εs为固相体积分数。
固液相接触面间的锂离子平衡计算式为：
式中：jm为由锂离子嵌入和脱嵌反应产生的转移电流，其单位为A/cm3；ls为锂离子在电极固相活性材料中的微观扩散长度，其单位为μm；A为电极活性分子的比表面积，其单位为cm2/cm3。
3.电荷守恒
电解质中的电荷守恒方程为：
电极固相中的电荷守恒方程为：
φl：电解质中电势分布；keff：有效离子导电性；σeff：有效电导率；φs：固相电势分布。
4.电化学热耦合
温度对电化学影响由阿仑尼乌斯方程给出：
式中：Φ为随温度变化的物理量；下标ref为在参考温度下取值；Eact,Φ为活化能。
第二部分：焦耳热与固体传热模块
1.电流场控制方程
式中：J为电流密度，其单位为A/m2；Qj,v为电荷通量E是电场，其单位为V/m；σ为电导率，其单位为S/m；D为电位移场，其单位为C/m2；Je为外部电流密度，其单位为A/m2；V为电势，其单位为V。
2.固体传热控制方程
热传导：q＝-λdT/dx；
热对流：q1＝h(T-Tamb)；
热辐射：q2＝εσ(T4-Tamb 4)；
式中：T为物体温度，其单位为K；Tamb为环境温度，其单位为K；λ为导热系数，其单位为W/(m·K)；q、q1、q2分别为热流密度，其单位为W/m2；h为对流换热系数，其单位为W/(m2·K)；σ为玻尔兹曼常数；ε为表面发射率。
第三部分：多物理场耦合-能量守恒
其中，等式左侧代表热量积累，等式右侧代表热量传导和热量产生项。
通过上述三部分的耦合实现电池热分布仿真。
同时，上述的第一部分和第二部分的具体操作可以通过实施例1进行如下说明。
实施例1
第一部分：电化学模块的操作步骤
1.几何模型绘制：
绘制1维，2维，3维的电池模型，其中1维是线形，2维和3维可以是卷绕，叠片或者是异形电池，可以是单层或者多层，根据实际需求进行绘制。
2.物理场选择：在COMSOL Multiphysics中选中锂离子电池与固体传热两种物理场，然后进行电化学与固体传热几何模型搭建。
3.设置电芯材料属性：
设置铜箔、铝箔电导率；
设置正负极材料电导率、扩散系数、平衡电位、平衡电位温度导数、参考浓度、电极最大荷电状态、电极最小荷电状态、电极体积分数、电解质体积分数、初始物质浓度、粒径、电化学反应交换电流密度、活性比表面积；
设置隔膜孔隙率、设置电解液电导率、扩散系数、传递数、活性相关性；
设置JR材料属性，设置等效密度、等效比热容、等效热导率。
4.设置物理场
锂离子电池
设置电池正负极集流体、正负极多孔材料、隔膜及电解液；设置对应的控制方程；设置边界条件；并且，将负极接地，正极作为电流入口；设置电池初始荷电状态。
固体传热
设置初始温度、换热条件；与“锂离子电池”物理场耦合，实现温度与电化学反应之间的相互作用关系。
5.添加研究
设置“带初始化的瞬态研究”，设置仿真时长与时间步，设置停止条件。
6.模型标定
标定电压时间曲线，通过优化上述设置的参数减少仿真值与实测值的偏差。其中，标定结果参见图2，实测数据包含1C、2C、3C倍率充电电压-时间数据，圆圈为实测全电池电压数据，曲线为全电池电压的仿真值，从图中可以看出仿真值与实测值拟合程度较好，而且，本申请的标定标准为仿真值与实测值误差±10mV。
图2的测试条件如下：
1)电芯放置(25±2)℃恒温箱，静置1h；
2)1C放电至2.8V；
3)静置0.5h；
4)XC恒流充电至4.4V恒压充电至电流I<0.05C(X＝1、2、3)；
5)静置0.5h；
6)1C放电至2.8V；
7)静置0.5h；
8)重复4)-5)步3次，倍率充电测完为止。
其中，1C、2C、3C是电池不同电流进行充电，1C是指电池标称容量1h放电完毕的电流；图2中电芯的容量为151Ah，1C电流为151A，2C电流为310A，3C电流为453A。
标定JR温升时间曲线，其中，标定结果参见图3，图3所展示的是3C恒流充电过程JR的温升随时间变化的曲线，同时对电芯表面、电芯顶部、负极超声焊印三处位置的温升进行标定，圆圈为实际测试的温度值，曲线为软件仿真的温度变化情况，从3条曲线中可以发现，电芯表面的温升速度较慢，电芯顶部的温升速度较电芯表面的温升速度快，负极超声焊印的温升速度最快，同时，本申请的各个位置的最后时刻的实测温度和仿真温度的误差为±2℃。
7.计算所需工况电芯JR产热与结果提取
设置需要计算的工况电流，计算该工况对应的JR产热；其中，工况电流的取值为0.1C～0.33C、0.33C～0.5C、0.5C～1C、1C～2C、2C～3C。
并且，结合发明人发现了不同的电流区间对仿真精度的影响，在0.1C～0.33C、0.33C～0.5C、0.5C～1C中，电芯的荷电状态可以为10％SOC～20％SOC、20％SOC～30％SOC、30％SOC～40％SOC、40％SOC～50％SOC，在1C～2C、2C～3C中，电芯的荷电状态可以为50％SOC～60％SOC、60％SOC～70％SOC、70％SOC～80％SOC、80％SOC～90％SOC、90％SOC～100％SOC。
接着，进行计算结果提取。
第二部分：焦耳热与固体传热模块的操作步骤
1.几何绘制
导入电芯数模；
简化结构。
2.选择物理场
选择电流场与固体传热场，计算电芯结构件焦耳热。
3.设置电芯结构件各组件材料属性：
主要参数：各绝缘组件的比热容、密度、导热系数；各导电组件的比热容、电导率、密度、导热系数。
4.设置物理场
电流场：设置电流场所包含的域，设置正极电流端口，负极接地；其中，本实施例电芯充电过程中电芯内部电流路径可以参见图4。
固体传热场：设置JR为热源，将第一部分提取的JR产热功率代入；设置对流换热系数，空气自然对流一般为5W/(m2·K)～10W/(m2·K)。
5.添加研究
添加瞬态研究，设置电流，设置仿真时间及时间步长。
6.模型标定
标定电芯结构件与JR温度变化，最后时刻仿真温度与实测温度相差在2℃以内。
7.计算所需工况电芯温度分布
模型标定完毕后，如需计算其他工况电流下电芯的温度分布，首先需要设置想要计算的工况电流，然后点击计算，即可计算该工况下电芯热分布及电芯各位置温升情况。
上述两部分计算完毕即可输出仿真计算结果，同时，可导出电芯温度分布云图，参见图5，正负极的位置温度最高，可达到60℃～85℃，正负极位于电芯的顶部，电芯的顶部除开正负极的位置的温度可达到50℃～75℃，并且，电芯的温度从电芯的顶部至电芯的底部依次减小，其中，电芯的两个侧表面的温度可达到35℃～50℃，从而可以得到电芯的各个位置的温度和温度变化情况图，还可以从计算结果的解集中提取JR产热量和结构件产热量(焦耳热)。
因此，本发明通过绘制电池的几何模型，设置电池材料属性，通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，模拟电池充放电过程中的电化学反应及产生的热量，获得仿真结果；设置电芯结构件的各个组件的材料属性，采用电流场与固体传热场计算电芯结构件的焦耳热，设置需要计算的工况电流，计算该工况下电芯热分布及电芯各个位置温升情况，可以导出电芯温度分布情况和电芯各个位置温度变化。在本发明的仿真中，能够根据实测恒流充放电电压、温度、时间数据标定模型，可以预测任一实际工况下任意时刻电芯的温度分布与整个工况过程中电池各位置温度变化情况。
在本发明中，电芯热分布仿真可将电芯不同位置的温度可视化，可观看温度分布以及热流方向、充放电过程的不同位置的温度变化；能够预测到在充放电过程中热量的主要贡献的来源，可以知道电芯的最大温度出现的时刻及位置，并且可得到电芯上下、内外部温差；还可以将电芯总的产热分解为JR产热与结构件产热，从而更精准地模拟了电芯实际充放电过程和温升过程。
此外，通过对电池内部生热来源和生热速率进行分析，可以设计电池热管理系统，可以提高实验效率、降低实验成本，实现了电芯温度分布可视化，能够看到任意时刻电芯温度分布，了解电芯内外部不同位置温度，根据仿真结果可针对性设计冷却系统，从而显著地降低电芯温升并提高了电芯的使用寿命。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、绘制电芯的几何模型，设置电芯的材料属性，通过锂离子电池物理场、固体传热物理场进行电化学与固体传热几何模型搭建，仿真模拟电芯充放电过程中的电化学反应及电池卷芯或极组充放电过程产生的热量；
S2、标定电芯全电池电压与充放电时间曲线图，标定电芯的温升与时间的变化曲线图，设置需要计算的工况电流，计算该工况对应的电芯产热，提取电芯的产热功率；
S3、简化电芯的结构，绘制电芯结构件，设置电芯结构件的各组件的材料属性，通过电流场与固体传热场仿真模拟电池充放电过程中的电芯结构件产生的热量及固体传热过程，计算电芯结构件的焦耳热；
S4、通过电芯的产热功率结合电芯结构件的焦耳热计算整个电芯的温升，分别标定电芯结构件与电芯的温度变化曲线，设置需要计算的工况电流，计算该工况下电芯热分布及电芯各位置温升情况，绘制电芯的温度分布图和各个位置的温度变化图。
2.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S1中的设置电芯的材料属性包括：设置铜箔、铝箔电导率，设置正负极材料电导率、扩散系数、平衡电位、平衡电位温度导数、参考浓度、电极最大荷电状态、电极最小荷电状态、电极体积分数、电解质体积分数、初始物质浓度、粒径、电化学反应交换电流密度、活性比表面积，设置隔膜孔隙率，设置电解液电导率、扩散系数、传递数和活性相关性，设置等效密度、等效比热容、等效热导率。
3.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S1中还包括：设置锂离子电池物理场的正负极集流体、正负极多孔材料、隔膜及电解液，设置对应的控制方程，设置边界条件，将负极接地，将正极作为电流入口，设置电池初始荷电状态；设置固体传热物理场的初始温度、换热条件，将固体传热物理场与锂离子电池物理场耦合，实现温度与电化学反应之间的相互作用关系。
4.如权利要求3所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S1中的控制方程包括：Butler–Volmer方程、质量守恒方程、电荷守恒方程、阿仑尼乌斯方程。
5.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S2的工况电流的取值为0.1C～0.33C、0.33C～0.5C、0.5C～1C、1C～2C、2C～3C。
6.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S3中的设置电芯结构件的各组件的材料属性包括：设置各绝缘组件的比热容、密度、导热系数，设置各导电组件的比热容、电导率、密度和导热系数。
7.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S3中还包括：通过电流场控制方程、固体传热控制方程、能量守恒方程的耦合实现电芯热分布的仿真。
8.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S4中还包括：建立电芯热分布模型，并根据实测恒流充放电电压、温度、时间数据标定模型，预测任一实际工况下任意时刻电芯的温度分布与整个工况过程中电池各位置温度变化情况。
9.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S4中还包括：将电芯不同位置的温度可视化，展现热流方向、充放电过程中的不同位置的温度变化。
10.如权利要求1所述的用于预测电芯充放电过程中的热分布仿真方法，其特征在于，所述S4中还包括：在标定温度变化曲线的过程中，最后时刻的仿真温度与实测温度相差在2℃的范围以内。
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