一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法

摘要

本发明公开一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法，包含：1、制备电池样品，测试不同环境温度下的电性能数据；2、建立多层结构的有限元电池实体模型，并进行网格划分；3、赋予材料属性，并添加电池有限元模型的边界条件与初始条件；4、将电池置于绝热环境下进行加热试验和放电试验，实现热仿真分析模型的关键参数修正和计算结果验证。本发明提供的具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法将试验与有限元建模这两条途径有机地结合了起来，并通过参数化建模的方式将有限元模型细致至每一片隔膜、正负极活性物质层和金属箔层，获得的试验结果可用于计算结果的修正，进而保证计算的精确度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子动力电池技术领域的电池热仿真分析方法，具体涉及一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、输出功率大、使用寿命长和绿色环保等诸多优点，目前已牢牢占据移动消费电子产品电源的绝对主导位置，并不断地拓宽其应用领域。其中，最受人们期待的则是作为电动车辆的动力来源。然而，由于锂离子动力电池的功率发挥、使用寿命乃至安全性能都与电池温度密切相关，电动车辆行驶过程中电池的长时间大电流放电，势必对电池温度产生显著影响。如果电池内部温度过高或温度均匀性很差，则会恶化电池性能甚至引发热失控等安全事故。因此，如何预测各种环境与工况条件下电池的温度高低及其均匀程度成为锂离子动力电池领域的关键技术之一，而计算机仿真分析由于自身效率高、成本低和信息量丰富等优点而受到锂离子动力电池技术开发者的广泛重视。公知的锂离子电池热仿真分析技术，往往受限于模型参数的丰富程度和模型建立的复杂性，对电池结构进行了较大的简化，忽略电池内部数十层乃至上百层极片结构存在的独立性，不能充分反映出电池内部金属材料、非金属无机材料和有机材料等各种物质的物理属性和热特性的明显差异，也就不能精确地解析出电池内部活性物质层和正负极集流体等任一细微的结构细节的热状况，也很难通过有效地形成“参数测试-仿真分析—实测验证与模型修正”这一反馈闭环，故不但仿真分析模型本身的有效性有待改进，而且也无法给电池研发与设计人员提供足够丰富的参考信息。

发明内容

本发明提供一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法，模拟不同环境温度情况下电池以不同电流放电时电池内部任何细微结构的温度变化情况，同时也通过相应的绝热环境内电池加热试验和电池放电过程中采温测试来验证与修正模型。

为实现上述目的，本发明提供一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、制备电池样品，测试不同环境温度下的电性能数据；

步骤1.1、制作锂离子电池： 

步骤1.2、将电池充满电后置于恒温箱内，调节箱内温度为所需考察的环境温度，电池静置若干小时后反复开展“放电-静置”循环，将每个静置结束时刻的电压作为该荷电态下的电池平衡电动势；

步骤1.3、将电池充满电后置于恒温箱内，调节箱内温度为所需考察的环境温度，电池静置若干小时后以恒定倍率放电至截止电压，得到电池端电压随放电时间的变化曲线；

步骤2、建立多层结构的有限元电池实体模型，并进行网格划分；

使用参数化设计语言对电池实体模型进行建模，根据电池设计方案设定电池正、负极片数目和电芯，以及用于容纳电芯的方形金属壳实体；电芯为通过循环切割建立由隔膜、第一负极活性物质、铜箔、第二负极活性物质、隔膜、第一正极活性物质、铝箔和第二正极活性物质反复多层片状交叠组成的方形电芯实体；

步骤2.1、建立立方体电池和立方体电芯，通过布尔交叠操作形成电池壳体和壳体内的电芯；

步骤2.2、在电芯的不同厚度位置，通过循环操作由厚度方向的一侧向另一侧依次对电芯实体进行体切割以交替形成隔膜、负极活性物质、铜箔、负极活性物质、隔膜、正极活性物质、铝箔和正极活性物质，循环次数等于正极片的层数；

步骤2.3、进行其他方向和部位的体切割以产生正负极的极耳和容纳电芯的方形金属壳实体；

步骤2.4、对电池实体模型进行有限元网格的划分；

步骤3、赋予材料属性，并添加电池有限元模型的边界条件与初始条件；

步骤3.1、确定电池的放电电流I；

电池从满电态容量Q以恒定的放电电流I放电，放电过程荷电态SOC和放电时间t可以通过式（1）得到二者的对应关系，从而确定电池放电电流I：

SOC=1-I * t / Q                     （1）

步骤3.2、根据电池生热率计算公式得到不同放电时刻电芯的体积生热率q：

q=(E-U)* I/V                     （2）

式（2）中，E为平衡电动势、U为端电压，由步骤1中获得；（E-U）* I为放电过程电芯产热功率，将该产热功率除以电芯体积V，得到不同放电时刻电芯的体积生热率q，体积生热率q以随时间变化的热量源项的形式加载在电芯上；

步骤3.3、确定极耳的欧姆电阻R₁以及因极耳焊接造成的接触电阻R₂，通过欧姆生热量公式I²*（R₁+ R₂）计算极耳处的产热功率并设置为有限元模型中的热量源项，并加载在正、负极耳上。

步骤4、将电池置于绝热环境下进行加热试验和放电试验，实现热仿真分析模型的关键参数修正和计算结果验证。

上述步骤3还包含：结合具体环境工况设置电池壳体表面与环境换热的对流传热边界条件，并设置电池各处的初始温度与环境温度一致。

上述步骤4中，通过所述的有限元热仿真分析模型验证和关键参数修正方法包含：在加速量热仪内对电池进行加热试验和放电试验，试验过程通过张贴于电池壳体表面的采温探头记录电池温度随时间的变化，以及根据试验结果对有限元分析模型计算结果进行验证和关键参数修正。

上述步骤4的加热试验包含以下步骤：

将电池样品置于绝热环境中；

在绝热条件下以恒定功率对电池进行缓慢加热并采集加热过程温度随时间的变化；保持电池缓慢加热的温升速率为0.1~0.5摄氏度/分钟；

根据加热试验结果对有限元分析模型进行验证与关键参数修正；通过将绝热条件下电池加热试验获得的电池平均比热                                                与有限元分析模型中各种材料比热的质量平均值进行比较，验证有限元分析模型中的物性参数是否合理，若二者存在较大偏差，则根据加热试验获得的电池平均比热来修正有限元热分析模型中给定的物性参数。

上述加热试验中，在绝热条件下以恒定功率（P₀）对电池进行缓慢加热，绘制电池壳体表面温度随时间变化图并拟合为线性关系，求得电池的平均比热：

=                          （3）

式（3）中，为平均比热，Po为恒定的加热功率，为拟合直线斜率，m为电池的质量。

上述步骤4的放电试验包含以下步骤：

将电池样品在绝热条件下；

以恒定电流对电池进行放电至下限截止电压，并采集放电过程电池温度随时间的变化；

根据放电试验结果对有限元分析模型进行验证与关键参数修正；通过将绝热条件下电池放电试验采集得到的电池壳体温度随时间变化曲线与有限元热分析模型计算得到的瞬态温度分布数值进行比较以验证有限元热分析模型的合理性，并通过放电试验结果计算得到的电池产热功率来修正有限元热分析模型中随时间变化的热量源项的取值。

上述放电试验中，采集放电过程电池温度随时间的变化，并绘制电池壳体表面温度随时间变化的曲线，求得不同时刻电池的产热功率：

                      （4）

式（4）中，为不同时刻曲线的斜率，为平均比热，m为电池质量。

本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法和现有技术相比，其优点在于，本发明提供的具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法将试验与有限元建模这两条途径有机地结合了起来，并通过参数化建模的方式将有限元模型细致至每一片隔膜、正负极活性物质层和金属箔层，获得的试验结果可用于计算结果的修正，进而保证计算的精确度。由于采用参数化建模的方法，计算快速简便，方便对各种不同设计方案进行对比筛选，计算解析得到的电池内部丰富而精确的热特征有助于电池设计者掌握电池各结构细节最细微的温度分布及热状态，进而有效地指导电池结构细节的优化设计。

附图说明

图1为本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法的流程图；

图2（a）为本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法在常温环境测得的锂离子电池样品荷电态-平衡电动；

图2（b）为本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法在常温环境测得的锂离子电池样品1C倍率放电时间-端电压；

图3为从有限元模型中局部截取的具有分层特征的电芯结构图；

图4为有限元热分析模型中常温1C放电工况下电芯随放电时间的产热功率热量源项；

图5为本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法中加速量热仪内电池加热试验采集得到的温度随时间变化趋势及拟合得到的直线；

图6为本发明一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法中加速量热仪内电池放电试验采集得到的温度随时间变化图及相应的有限元热仿真分析计算结果对比。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

基于受控的环境温度下测得的电池平衡电动势和放电过程开路电压等电性能数据，使用参数化设计语言建立结构细致至电池隔膜、活性物质层和金属箔层的电池实体模型并划分有限元网格，根据电性能测结果可以准确地给定可随时间变化的电芯生热速率这一关键模型参数，并结合电池具体使用工况添加其他相应的边界条件与初始条件进行瞬态计算，计算结果可以准确地解析电芯内部任意一个细微结构的瞬态温度分布，同时还可以通过加速量热仪内的加热试验和放电试验对有限元热仿真模型进行验证和关键参数修正。下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，但本发明并不限于此。

如图1所示，本发明公开了一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、制备电池样品，测试不同环境温度下的电性能数据。

步骤1.1、制作锂离子电池:将镍钴锰（NCM）三元材料作为正极活性物质，并添加炭黑为导电剂，聚偏氟乙烯（PVDF）为粘结剂，三者的质量比为：镍钴锰：炭黑：聚偏氟乙烯=95：3：2，加以适量N-甲基吡咯烷酮（NMP）用作溶剂制得浆料，均匀涂覆于18微米厚的铝箔上并碾压裁切烘干制备正极片；将石墨材料作为负极活性物质，并添加炭黑为导电剂，聚偏氟乙烯（PVDF）为粘结剂，三者的质量比为：石墨:炭黑:聚偏氟乙烯=87：6：7，加以适量N-甲基吡咯烷酮（NMP）用作溶剂制得浆料，均匀涂覆于12微米厚的铜箔上并碾压裁切烘干制备负极片；电解液为以六氟磷酸锂为溶质的有机溶液，溶剂体积比为：碳酸乙烯酯（EC）：碳酸丙烯酯（PC）：碳酸甲乙酯（EMC）=1：1：1；隔膜为厚度为25微米的聚丙烯（PP）/聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）三层复合多孔隔膜。将正负极片与隔膜叠片成电芯并装入铝壳内制造为1780123方形电池，正负极片数目分别为25层和26层。

步骤1.2、将电池充满电后置于恒温箱内，调节箱内温度为所需考察的环境温度，电池静置16小时后反复开展“放电-静置”循环，将每个静置结束时刻的电压作为该荷电态下的电池平衡电动势。常温条件下电池的平衡电动势与荷电态的关系如图2（a）所示。

步骤1.3、将电池充满电后置于恒温箱内，调节箱内温度为所需考察的环境温度，电池静置16小时后以恒定倍率放电至截止电压3.0V，可以得到电池端电压随放电时间的变化曲线。常温条件下1C倍率放电过程电池的端电压与放电时间的关系如图2（b）所示。

步骤2、建立多层结构的有限元电池实体模型，并进行网格划分。

使用参数化设计语言对电池实体模型进行建模，根据电池设计方案设定电池正负极片数目及组成电芯的隔膜、负极活性物质、铜箔、正极活性物质、铝箔和其他必要部分的厚度及长宽等尺寸参数。

电池模型建立过程包含以下步骤：

步骤2.1、建立立方体电池和立方体电芯，通过布尔交叠操作形成电池壳体和壳体内的电芯。

步骤2.2、在电芯的不同厚度位置，通过循环操作由厚度方向的一侧向另一侧依次对电芯实体进行体切割以交替形成隔膜、负极活性物质、铜箔、负极活性物质、隔膜、正极活性物质、铝箔和正极活性物质，循环次数等于正极片的层数。上述隔膜、负极活性物质、铜箔、负极活性物质、隔膜、正极活性物质、铝箔和正极活性物质反复片状交叠组成的方形电芯实体。

在电芯外设置用于容纳电芯的方形金属壳实体。

步骤2.3、进行其他方向和部位的体切割以产生正负极的极耳和其他必要的电池组成部分。

步骤2.4、进行有限元网格的划分。

如图3所示，为一种电池多层结构的有限元实体模型的实施例。某个电芯局部从上至下依次为“隔膜21、负极活性物质22、铜箔23、负极活性物质24、隔膜25、正极活性物质26、铝箔27、正极活性物质28、隔膜29”。图中包含了电芯内部一层负极片和一层正极片之间的局部分层特征。

步骤3、赋予材料属性，并添加电池有限元模型的边界条件与初始条件。

步骤3.1、确定电池放电电流（I）。

电池从满电态容量Q以恒定的放电电流I放电，放电过程荷电态（SOC）和放电时间（t）可以通过式（1）得到二者的对应关系：

SOC=1-I * t / Q                     （1）

通过式（1）可获得电池放电电流I。

步骤3.2、根据电池生热率计算公式q=(E-U)* I/V，结合电性能测试得到的平衡电动势（E）和端电压（U），放电过程中电芯的产热功率等于（E-U）* I可以得到放电过程电芯产热功率，将该产热功率除以电芯体积（V）设置为各种组成电芯的结构实体的体积热量源项，电芯的产热功率是随放电时间而变化的，如图4所示，为常温环境1C放电倍率过程电芯的产热功率变化情况。

步骤3.3、对极耳位置，在已知极耳的欧姆电阻（R₁）以及因极耳焊接造成的接触电阻（R₂）的前提下，可通过欧姆生热量公式I²*（R₁+ R₂）计算极耳处的产热功率并设置为有限元模型中的热量源项。

此外，还需要结合具体环境工况设置电池壳体表面与环境换热的对流传热边界条件，并设置电池各处的初始温度与环境温度一致。

步骤4、将电池置于加速量热仪（ARC）内处于绝热环境下进行加热试验和放电试验，试验过程通过张贴于电池壳体表面的采温探头记录电池温度随时间的变化，以实现热仿真分析模型的关键参数修正和计算结果验证。

常温环境自然冷却条件下电池从满电态开始以1C倍率恒流放电。

计算得到放电结束时刻壳体表面温度为横向分布，一端为温度最高点，相对的另一端为温度最低点，其中最高点至最低点的温度分为十级，温度逐级降低，依次为41.949、41.926、41.903、41.879、41.856、41.832、41.809、41.785、41.762、41.739。

电池内部某一层正极片及其极耳的温度分布为由中心向外的环形分布，中心为温度最高点，边缘为温度最低点，由中心向边缘温度分为十级，温度逐级降低，依次为42.063、42.052、42.04、42.029、42.017、42.006、41.994、41.983、41.971、41.96。

通过上述温度分布可见电池外部壳体与内部极片层的温度分布趋势存在较大的差异，也有效地说明了本发明有限元热分析模型中多层片状结构建模的必要性。

1）加热试验：

将两只锂离子电池样品捆绑为一体后置于加速加热仪（ARC）的绝热环境中于两只电池样品之间放置加热片，并于电池壳体表面布置贴片式采温探头采集电池温度，然后在绝热条件下以恒定功率对电池进行缓慢加热并采集加热过程温度随时间的变化。根据加热试验结果对有限元分析模型进行验证与关键参数修正。

加热试验中，加热功率恒定为3.0W，选择好恒定的加热速率使电池的升温速率保持在0.1~0.5℃/min，最好选取20℃~50℃这一电池通常工作温度区间的试验数据绘制温度随时间变化的关系图并进行线性拟合。如图5所示，为本实施例中这一过程电池温度随时间的变化，加热功率恒定为3.0W，选取30~50℃范围内的线性升温段，选定恒定的加热速率使电池的升温速率保持在0.2℃/min。可见图5中同时对试验数据进行直线拟合并得到直线斜率为0.2℃/min，进而通过式（2）得到电池的平均比热：

=                              (2)

其中，为平均比热，Po为恒定的加热功率，为拟合直线斜率，m为电池的质量。

电池的平均比热为998J /（℃·kg）。然后将试验获得的电池平均比热与有限元模型中各种材料比热的质量平均值加以比较，若二者相差较大则可以根据试验得到的平均比热值对有限元模型中不确定性较大的比热取值进行适当修正。而有限元热分析模型中设定的各种材料比热的质量平均值为986 J /（℃·kg），由此说明有限元模型给定的物性参数具有较好的合理性。

2）放电试验：

将锂离子电池样品置于加速量热仪（ARC）内，并于电池壳体表面布置贴片式采温探头，在绝热条件下以恒定电流对电池进行放电至下限截止电压并采集放电过程电池温度随时间的变化。根据放电试验结果对有限元分析模型进行验证与关键参数修正。

放电试验中，加速量热仪可以提供放电试验所需的绝热环境，将充满电的电池置于加速加热仪的绝热环境中进行1C倍率恒流放电并采集电池温度。

同时采用有限元热仿真模型对这一电池放电工况进行仿真。

通过将有限元热仿真模型中电池壳体与外界环境的对流换热系数设置为接近于零的一个很小的值来模拟绝热环境中电池的温升，并将计算值（有限元热分析模型计算得到的瞬态温度分布数值）与加速量热仪内进行的放电试验中采集的电池温度变化（采集得到的电池壳体温度随时间变化曲线）加以比较，来验证计算结果的真实性以及有限元热分析模型的合理性，若二者的相差较大则可以对放电试验中获得的温度随时间变化的曲线求斜率来得到不同时刻（t）电池的产热功率，进而对有限元模型中给定的电池产热功率取值（有限元热分析模型中随时间变化的热量源项的取值）进行修正。

如图6所示，为试验采集得到的电池壳体中心温度与仿真计算值的对比，图6中两条曲线的重合度较高，由此有限元模型的准确性得到验证。

综上所述，利用本发明具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法，可以精确地解析得到放电过程电池内部细致至正负极活性物质层的温度瞬态分布，并通过试验有效地验证和修正有限元热仿真模型，从而为锂离子电池热特性的研究与设计提供准确而丰富的数据。

需要说明的是，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可以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面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。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。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。