CN117233617B - 循环工况下的锂离子电池老化测试方法、存储介质和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，包括如下步骤：获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学‑热耦合老化模型，进行仿真计算；基于仿真计算结果，输出包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的结果；本申请的通过将锂离子电池的老化循环分割成一个以上的循环组，提高了每个仿真组的效率，更也有利于后续仿真的灵活续算。
Description
技术领域
本发明涉及包仿真领域，尤其是涉及一种锂离子电池的老化仿真。
背景技术
传统的锂离子电池充放电试验需要使用专业的设备，并且因为设备复杂昂贵，只有较为专业的实验室或者大型企业才会配备。此外，电池老化试验的数据量较大测试，周期也很长，即便采用仿真软件进行仿真，也需要使用较长的时间和算力进行老化仿真的计算。如何快速，灵活的对锂离子电池进行仿真计算成为较为迫切的需求。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，本发明实施例提供了一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法、存储介质和设备，用以解决现有技术中无法快速，灵活的对锂离子电池进行仿真计算的缺陷。
本申请中所述的循环工况下的锂离子电池老化测试是指，在预设的工况下，对锂离子电池进行充放电循环的仿真测试。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，包括如下步骤：
获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；
基于仿真计算结果，输出包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的结果。
进一步的，其中仿真作业信息，包括待进行仿真作业的电池参数信息或已有电池老化仿真作业信息。
该方法既可以对未进行过仿真计算的电池进行仿真，也可以对已经做过仿真计算的电池进行仿真。当对新设计的电池进行仿真计算时，系统获取电池的设计参数，例如结构尺寸，材料参数和电极片参数就可以进行仿真计算了。当对已经做过仿真计算的电池进行仿真时，只需要导入现有的仿真数据，设计人员可以根据需要，在现有仿真计算的基础上以特定位置，以特定循环位置为起始点，重新设定循环工况，进行循环。设计人员并不需要为电池做完整的充放电循环仿真，通过在已有循环组的基础上进行续算的方式，就可以得到同一电池，在不同情况下的老化仿真的结果。
进一步的，所述循环组的划分包括将总循环次数划分成1组以上的循环组。
本发明将电池的充放电老化循环分成1个以上的循环组，以便于在完成一次老化循环后，再次以其中的部分循环组为基础进行续算，而无须对已经完成的相同部分进行重复的仿真计算。
在电池的充放电循环过程中，可以以每个循环为单位进行仿真，也可以循环组为单位存储仿真信息。本发明以循环组为单位存储仿真信息，有利点是，在每个循环组内可以只选择部分具有代表性的循环进行仿真，基于电池老化的客观规律，其他循环不再进行单独仿真，而是采用已经完成的仿真结果，这样就可以大大提高了仿真的效率。
本发明在现有仿真结果的基础上，从指定循环组的终点开始续算，不必再重头开始仿真，加快了仿真的计算速度，节约了计算资源。
优选的，所述工作条件包括，在充电阶段选择充电电压，充电电流和充电功率之一，在放电阶段选择放电电压，放电电流和放电功率之一，以及静置时间。
例如，在充电阶段，选择充电电压，在放电阶段选择放电电压，具体的选择，由工程师根据锂离子电池具体的使用场景进行选择。对于静置时间而言，也可以根据具体需求选择充分静置和不充分静置，也是由工程师根据具体的使用场景进行选择。
优选的，所述基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算，还包括如下步骤：
获取已有电池老化仿真作业信息；
获取续算起始点位置信息；
获取续算循环工况策略信息；
代入电化学-热耦合老化模型，基于已有电池老化仿真作业信息和续算起始点位置信息，从续算起始点开始进行仿真计算。
进一步的，所述续算起始点位置信息为预设循环组的终点位置信息。
如前文所述，为了节省仿真的时间和资源，对锂离子电池进行仿真时，可以以循环组为单元记录仿真信息，此时，设计人员可以任意以某个仿真循环组的终点为起始点，进行仿真，而不需要重头开始仿真。且通过设置循环组，可以进一步通过如前文所述的方式，提高循环组内的仿真效率。
进一步的，所述锂离子电池的老化和性能衰减信息至少包括负极电位小于0、SEI成膜、析锂、产气、电解液消耗与干涸或温度达到预设值。在进行老化测试的时候，还可以设定一个或者多个因素，作为老化的参考依据，例如，负极电位小于0、SEI成膜、析锂、产气、电解液消耗与干涸或温度达到预设值等等，这些设定也是由工程师结合电池使用的具体场景，来进行设置。
本发明还提供一种循环工况下的锂离子电池老化测试装置，包括：
第一采集单元，获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
第二采集单元，获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
计算单元，基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；
生成单元，基于仿真计算结果生成包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的报告。
本发明还提供一种计算机存储介质，用于存储网络平台产生数据，以及对应所述网络平台产生数据进行处理的程序；
所述程序在被处理器读取执行时，执行采用上述任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
本发明还提供一种电子设备，包括：处理器；存储器，用于存储对网络平台产生数据进行处理的程序，所述程序在被所述处理器读取执行时，执行采用上述任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.通过对锂离子电池老化仿真充放电循环划分循环组，在循环组内可以只对部分循环进行仿真，例如，研发人员可以基于现有的经验和知识，选择对充放电循环曲线差异较大的循环进行仿真，而其他循环可以直接采用已经完成的仿真数据或者对已经完成的仿真数据进行简单计算后采用，最终以循环组为单位生成仿真结果，极大的提高了仿真效率。
2.可以基于已经完成的仿真结果，选择特定的充放电循环组的终点为起点，进行部分仿真的续算，即可生成在重新定义的工况下的，完整的锂离子电池充电循环，避免了部分循环组的重复仿真，进一步提高了锂离子电池的老化仿真的效率。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明循环工况下的锂离子电池老化测试方法的示例流程图；
图2是本发明实施例中方法的流程示意图；
图3是本发明实施例中第一个循环的温度-时间曲线；
图4是本发明实施例中第二个循环的温度-时间曲线；
图5是本发明实施例中第三个循环的温度-时间曲线；
图6是本发明实施例中多个连续循环下温度-时间曲线。
具体实施方式
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，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：参见图1所示，一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，包括如下步骤：
S110，获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
在一些实施例中，仿真作业信息，包括待进行仿真作业的电池参数信息或已有电池老化仿真作业信息。
当对新设计的电池进行仿真计算时，系统获取电池的设计参数，例如，结构尺寸、材料参数和电极片参数就可以进行仿真计算了。当对已经做过仿真计算的电池进行仿真时，只需要导入现有的仿真数据，仿真数据中已经包含了电池本身的各种参数，设计人员根据需要，在现有仿真计算的基础上以特定位置，以特定循环位置为起始点，重新设定循环工况，进行仿真续算。设计人员并不需要为电池做完整的充放电循环仿真，通过在已有循环组的基础上进行续算的方式，就可以得到同一电池，在不同情况下的老化仿真的结果。
S120，获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
在一些实施例中，所述循环组的划分包括将总循环次数划分成2组以上的循环组。
在一些可能的实施例中，可以将循环组划分为一组，此时，后续的续算只能基于该组的结果进行仿真计算。
电池老化仿真作业以循环组为单位计算仿真结果，便于后续基于在先老化循环进行进一步的续算，而不必从头开始重新进行仿真。更重要的是，循环组内不再单独对每次充放电循环进行仿真。而是在每个循环组内只选择部分具有代表性的循环进行仿真，基于电池老化的已知规律，其他循环不再进行单独仿真，而是采用已经完成的仿真结果，对于仿真结果准确性的影响极小，但却可以大大提高了仿真的效率。
在一些可能的实施例中，所述工作条件包括充电电压，充电电流，静置时间，放电电压，放电电流。
S130，基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；
在一些实施例中，本步骤还包括以下步骤：
获取已有电池老化仿真作业信息；
获取续算起始点位置信息；
获取续算循环工况策略信息；
代入电化学-热耦合老化模型，基于已有电池老化仿真作业信息和续算起始点位置信息，从续算起始点开始进行仿真计算。
具体来说，当一个已完成作业老化仿真作业不理想时，工程师可以选择在其基础上进行续算，可从原仿真作业任一循环组的终点开始添加新的仿真作业。例如，原仿真作业工况包含循环组1、循环组2和循环组3，新的仿真作业基从原循环组2开始续算，新增了循环组4、循环组5和循环组6。此时，续算作业就包含循环组1、循环组2、循环组4、循环组5和循环组6，其中循环组1和循环组2采用原仿真结果，不再重复仿真，循环组4、循环组5和循环组6按新工况进行仿真。
需要说明的是，本申请中的电化学-热耦合老化模型可以采用现有已知的电化学仿真模型，例如，目前主流的电化学阶段模型包括：三维模型、介观尺度模型、颗粒堆叠模型等，这些模型在此不做限制。
在一个可能的实施例中，所述续算起始点位置信息为预设循环组的终点位置信息。虽然起算点的选择可以是任意一个已经完成的仿真充放电循环，但是采用循环组进行仿真的优势在于，如前文所述循环组内可以通过仿真结合复制仿真结果的算法的方式提高仿真的效率。在这种情况下，以循环组为最小的仿真信息记录单位，不但能满足单个循环组的仿真的效率，还能将一个完整的循环分割成若干个循环组，以循环组为节点进行续算，使得后续的仿真更为灵活和有效率。
S140，基于仿真计算结果，输出包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的结果。
在一些可能的实施例中，所述锂离子电池老化和衰减信息至少包括负极电位小于0、SEI成膜、析锂、产气、电解液消耗与干涸或温度达到预设值。
本发明还提供一种循环工况下的锂离子电池老化测试装置，包括：
第一采集单元，获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
第二采集单元，获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
计算单元，基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；
生成单元，基于仿真计算结果生成包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的报告。
本发明还提供一种计算机存储介质，用于存储网络平台产生数据，以及对应所述网络平台产生数据进行处理的程序；
所述程序在被处理器读取执行时，执行采用上述任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
本发明还提供一种电子设备，包括：处理器；存储器，用于存储对网络平台产生数据进行处理的程序，所述程序在被所述处理器读取执行时，执行采用上述任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
实施例2：
一种减少循环工况下仿真计算时间的方法，参见图2～5，本实施例中所述循环工况策略为设置成，对方形叠片电池在1C倍率下进行循环充放电，环境温度为25℃。所述方形叠片电池的初始温度为25℃。整个循环工况为对电池进行3500个充放电循环。具体包括以下步骤：
步骤101：将循环工况包括的所有循环划分形成多个循环组；
循环工况策略包括3500个总循环次数，从第1个循环～第3500个循环按每500个循环划分一个循环组，形成第1循环组～第7循环组。
在本步骤中，对于循环工况策略的设定由进行电池循环仿真的工程师根据电池实际应用场景或者测试的需要进行设置，循环的总次数，循环组的划分，每个循环组的循环数量都可以根据实际需要进行设置，并没有限制。
步骤102：在每一个循环组内，获取第一温度-时间曲线和第二温度时间曲线；
本步骤包括：对于每1个循环组内包括的循环，都按第1个循环～第500个循环命名。在每一循环组内，先在第1个循环和第2个循环内通过电化学场与温度场耦合求解，分别得到每一循环组内的第一温度-时间曲线和第二温度-时间曲线。
步骤103：获取第一温度值T1和第二温度值T2的温度差ΔT；
本步骤包括：由第一温度-时间曲线得到其在最后时刻对应的第一温度值T1，由第二温度-时间曲线得到其在最后时刻对应的第二温度值T2。
由对应同一循环组的第一温度值T1和第二温度值T2求解温度差ΔT，ΔT为T1与T2的差值的绝对值。
参见图3、4，分别为第1循环组内第2个循环和第2个循环的温度-时间曲线图。由图可知，由第1个循环的第一温度-时间曲线得到第一温度值T1=309.13K，由第2个循环的第二温度-时间曲线得到的第二温度值T2=309.42K，ΔT=0.29K。
步骤104：将温度差ΔT与阈值X比较，获取循环温度-时间曲线；
本步骤包括：将温度差ΔT与阈值X比较，若ΔT＜X，则将所述第二温度-时间曲线作为循环温度-时间曲线，并将所述循环温度-时间曲线直接用于与第二温度-时间曲线的对应循环连续的后续至少一个循环的仿真计算。若ΔT≥X，则将所述第二温度-时间曲线更新为第一温度-时间曲线，并由第三个循环求解并更新为第二温度-时间曲线，由更新后的第二温度-时间曲线和第二温度-时间曲线求解温度差ΔT并与阈值X比较。若ΔT≥X，用第四个循环、第五个循环……重复上述更新第一温度-时间曲线、第二温度时间曲线，比较温度差ΔT与阈值X的过程，直至ΔT＜X，将此时的第二温度-时间曲线作为循环温度-时间曲线，直接用于其对应循环连续的后续循环至第500个循环的仿真计算。所述仿真计算过程包括：记录指定循环完成时的时间值，在指定循环的下一个循环中，用每一时间值减去指定循环的最后时间值作为插值时刻。用插值时刻在循环温度-时间曲线上进行插值或者查询，得到插值时刻对应的温度值。将温度值与电化学场等耦合求解电池模型等。
本实施例中在第一循环组内，将阈值X设定为0.1K。ΔT=∣T2-T1∣=0.29K，ΔT＞X。因此，将第二个循环的第二温度-时间曲线作为第一温度-时间曲线，由更新后的第一温度-时间曲线得到T1=309.42K。利用第一循环组内的第三个循环计算温度-时间曲线，参见图4所示，将第三个循环计算得到的温度-时间曲线作为第二温度-时间曲线。由更新后的第二温度-时间曲线得到T2=309.42K。ΔT=∣T2-T1∣=0，ΔT＜X。因此，将此时的第二温度-时间曲线作为第一循环组的循环温度-时间曲线。将所述循环温度-时间曲线直接用于第一循环组内第四个循环至第五百个循环的仿真计算。
同样，利用上述计算过程分别获取在第2循环组～第7循环组内的循环-温度时间曲线。
通过在每一循环组内获取达到温度变化稳定状态时的循环温度-时间曲线，将该循环温度-时间曲线直接用于该循环组内后续循环的仿真计算，减少每一循环组内温度场计算的时间，进而可大大减少整个循环工况下仿真计算的时间，加快研发进程。且将整个循环工况划分形成多个循环组，在每一循环组内获取对应的循环温度-时间曲线，可使用于仿真计算的循环温度-时间曲线与实际的温度-时间曲线更为接近，保证计算结果的准确性。
参见图6，施例中循环工况开始阶段连续多个循环的温度-时间曲线。由图中可以看出，从第二次循环开始，每一循环中的温度变化基本相似，即温度变化呈稳定状态。经第三次循环与第二次循环温度差与阈值的比较，也与图中呈现的状态相符。因为后续循环中温度-时间曲线基本不变，因此，将第三次循环中的温度-时间曲线直接用于后续仿真计算，对结果影响不大。
本实施例中按500个循环划分一个循环组，获取一个循环温度-时间曲线，整个循环工况仿真计算需要时长为40157s。在利用相同的电化学场求解方法、温度场求解方法、数值求解方法的情况下，对整个循环工况内3500个循环都进行温度场求解时，整个循环工况仿真计算需要时长为70752s。因此，使用本实施例一种的方法能够大大缩短仿真计算时间，加快电池研发进程。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；该步骤包括：获取已有电池老化仿真作业信息；获取续算起始点位置信息；获取续算循环工况策略信息；代入电化学-热耦合老化模型，基于已有电池老化仿真作业信息和续算起始点位置信息，从续算起始点开始进行仿真计算；
基于仿真计算结果，输出包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的结果。
2.根据权利要求1所述的一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：其中仿真作业信息，包括待进行仿真作业的电池参数信息或已有电池老化仿真作业信息。
3.根据权利要求1所述的一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：所述循环组的划分包括将总循环次数划分成1组以上的循环组。
4.根据权利要求1所述的一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：所述工作条件包括在充电阶段选择充电电压，充电电流和充电功率之一，在放电阶段选择放电电压，放电电流和放电功率之一，以及静置时间。
5.根据权利要求1所述的一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：所述续算起始点位置信息为预设循环组的终点位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种循环工况下的锂离子电池老化测试方法，其特征在于：所述锂离子电池的老化和性能衰减信息至少包括负极电位小于0、SEI成膜、析锂、产气、电解液消耗与干涸或温度达到预设值。
7.一种循环工况下的锂离子电池老化测试装置，其特征在于，包括：
第一采集单元，获取仿真作业信息，所述仿真作业信息至少包括电池的结构参数、材料参数和电极极片参数；
第二采集单元，获取循环工况策略，所述循环工况策略包括循环总次数，循环组的划分，各个循环组的工作条件；
计算单元，基于获取的已有电池老化仿真作业信息和循环工况策略，代入电化学-热耦合老化模型，进行仿真计算；该步骤包括：获取已有电池老化仿真作业信息；获取续算起始点位置信息；获取续算循环工况策略信息；代入电化学-热耦合老化模型，基于已有电池老化仿真作业信息和续算起始点位置信息，从续算起始点开始进行仿真计算；
生成单元，基于仿真计算结果生成包括锂离子电池的老化和性能衰减信息的报告。
8.一种计算机存储介质，用于存储网络平台产生数据，以及对应所述网络平台产生数据进行处理的程序；
所述程序在被处理器读取执行时，执行采用权利要求1到权利要求7任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
9.一种电子设备，包括：处理器；存储器，用于存储对网络平台产生数据进行处理的程序，所述程序在被所述处理器读取执行时，执行采用权利要求1到权利要求6任意一项所述循环工况下的锂离子电池老化测试方法。
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