一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法

摘要

本发明公开一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法，包含以下步骤：1、建立锂离子电池组系统的热仿真分析模型并实现数值计算；2、针对锂离子电池组系统热仿真分析模型及其计算结果，提取电池单体及其周围结构实体和仿真所需边界条件；3、建立电池单体热仿真模型，并使用提取的传热状况信息作为该电池单体热仿真模型的载荷和边界条件，同时补充电池单体内部电芯的具体细节结构，进行电池单体热仿真分析。本发明通过电池单体热仿真分析模型中的载荷和边界条件，结合补充电池单体内部结构细节并重新建模的手段，能够最大限度地给出具体的锂离子电池组系统工作环境和工况下电池单体内部丰富而精确的热特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法。

背景技术

电池作为蓄能元件广泛地应用于国民经济和人们生产生活的若干个领域，其使用方式既包括作为电池单体单独使用，也包括将若干个电池单体串并联之后再加上相关结构约束和冷却构件作为锂离子电池组系统使用。电池使用过程中不可避免地产热热量并导致温度升高，这会引起电池内部的物理和化学变化，并可能影响电池的性能发挥、使用寿命和安全性能，尤其是目前在消费电子品、电动汽车、备用电源和电力储能等行业大量使用的锂离子电池产品及其成组系统更对电池的温度范围和温度均匀性有着较高的要求。计算机热仿真技术是对电池单体和锂离子电池组系统工作过程热状况的一种重要分析手段，常被人们用于电池单体和锂离子电池组系统的优化设计和评价。然而，公知的电池计算机热仿真方法对电池单体和锂离子电池组系统的研究是截然不同和互相独立的：对电池单体而言，为了获得电池单体内部结构具体的热特性，需要建立尽量详尽的电池单体结构细节，并估计电池单体大致的工作环境，添加电池单体热分析所需的边界条件，如环境温度以及单体与环境之间的对流传热系数、热通量或热流密度等，但针对成组为锂离子电池组系统后工作于具体场合的电池单体而言，由于结构、工况和锂离子电池组系统内外环境的复杂性，往往无法简单地通过总体估算而准确给定某个电池单体与环境之间的传热信息；而锂离子电池组系统层次的热仿真方法，则主要关注于如何合理地排布电池单体、如何优化冷却介质流道设计以及如何调节冷却系统工作参数以控制锂离子电池组系统温度范围并提高各单体间的温度均匀性，而受限于建模复杂度和网格数目，往往对电池单体进行大幅度简化，并将组成电池单体的各种材料的密度、比热和热传导系数等物性参数进行质量平均处理，故其计算结果并不能针对锂离子电池组系统内电池单体给出丰富而精确的热特征。尤其是当锂离子电池单体容量和尺寸较大时，电池内部具有数十层甚至上百层正负极极片和隔膜，各种材料的物性参数也存在较大的差别，大电流充放电过程电池内部极片和电池壳体表面存在较大的温差，基于电池单体简化建模的电池组系统热仿真分析的计算结果就不能很好地模拟得到电池内部的热特征。

发明内容

本发明提供一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法，可以将锂离子电池组系统的热仿真分析结果获得的锂离子电池组系统内某个电池单体及其周围环境的温度分布和热状况作为该电池单体热仿真分析所需的热载荷和边界条件，并补充该电池单体内部的结构细节重新建立电池单体的热仿真分析模型，最终针对锂离子电池组系统内的某个电池单体计算得到真实、准确而丰富的热特征。

为实现上述目的，本发明提供一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、建立由若干个电池单体和相关冷却构件及约束构件组成的锂离子电池组系统的热仿真分析模型并实现数值计算；

步骤2、针对锂离子电池组系统热仿真分析模型及其计算结果，提取所需考察的某个电池单体和该单体周围相关的结构实体，以及该电池单体及其周围实体包含的传热状况信息；

步骤3、使用提取的结构实体建立电池单体热仿真模型，并使用提取的传热状况信息作为该电池单体热仿真模型的载荷和边界条件，同时补充电池单体内部电芯的具体细节结构，重新建立电池单体热仿真分析模型并实现数值计算。

上述步骤1中，锂离子电池组系统包含若干个电池单体串并联形成电回路，以及其相应的冷却构件及约束构件。

上述的锂离子电池组系统的冷却构件提供的冷却方式为：自然冷却、强制风冷、液冷和相变蓄热材料冷却等冷却方式中的一种或若干种的组合。

上述步骤1中，锂离子电池组系统的建模时，将锂离子电池组系统热仿真模型中的所有电池单体均简化为简单的实体，同时采用较粗的尺寸对锂离子电池组系统进行网格划分。

上述步骤2中电池单体及其周围实体的传热状况信息为：电池单体周围结构的温度分布、热通量分布、热流率分布、产热功率、相变材料吸热速率、冷却流体温度和速度及压强分布。

上述步骤3中电池单体热仿真分析模型，通过电池单体及其周围结构实体，并根据电池单体设计参数补充电池单体内部电芯的具体细节结构，并采用相对锂离子电池组系统模型而言更小的网格尺寸重新划分电池单体热仿真分析模型的网格。

上述步骤3中电池单体内部电芯的具体细节结构包含正负极极片、隔膜、极耳和连接片。

上述步骤3中，锂离子电池单体热仿真分析中实体模型的建立采用锂离子电池组系统热仿真分析模型的空间几何位置坐标；

参照该空间几何位置坐标系统，将补充的电池单体内部电芯的具体细节结构与原有的提取自锂离子电池组系统热仿真分析模型中的实体进行布尔交运算便获得电池单体结构。

上述步骤3中，电池单体热仿真分析模型的载荷和边界条件，除了来源于所述锂离子电池组系统热仿真分析计算结果，还可以根据电池单体的涂覆量、极片尺寸、电芯厚度及外壳结构补充电池单体热仿真模型所需的其他必要信息。

上述其他必要信息包含：焊接的接触电阻所造成的局部产热源项，以及滥用条件下对电池单体内部局部极片赋予特定的产热源项。

本发明一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法和现有技术相比，其优点在于，本发明充分利用锂离子电池组系统的热仿真分析模型及其结果获得锂离子电池组系统内所要考察的电池单体所处的真实环境，并精确地体现在电池单体热仿真分析模型中的载荷和边界条件上，同时结合补充电池单体内部结构细节并重新建模的手段，能够最大限度地给出具体的锂离子电池组系统工作环境和工况下电池单体内部丰富而精确的热特征；

本发明锂离子电池组系统和电池单体的热仿真分析是分开依次进行的，所以锂离子电池组系统热仿真模型中仍然可以对成组的每个单体进行结构简化，故计算快速简便，方便对各种不同设计方案进行对比筛选，计算解析得到的锂离子电池组系统内具体的电池单体内部丰富而精确的热特征，有助于设计者掌握电池各结构细节最细微的温度分布及热状态，进而更有效地指导电池组的散热设计和电池单体细节结构的优化设计。

附图说明

图1为本发明一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法的流程图。

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。

本发明公开一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法的实施例。建立由若干个电池单体和相关冷却构件及约束构件组成的锂离子电池组系统的热仿真分析模型，受限于建模复杂程度和网格数目，将电池单体简化为单个的实体，根据工作环境和使用工况加载锂离子电池组系统的热载荷和边界条件并计算得到仿真结果；在此基础上提取所需考察的某个电池单体和该单体周围相关结构实体，以及该电池单体及其周围实体包含的传热状况信息，并补充电池单体内部电芯的正负极极片、隔膜、极耳和连接片等具体细节结构，重新建立电池单体热仿真分析模型，划分尺寸更小的网格并实现数值计算，计算结果可以准确地解析锂离子电池组系统内具体的电池单体内部丰富而精确的热特征。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，一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法包含以下步骤：

步骤1、建立由若干个电池单体和相关冷却构件及约束构件组成的锂离子电池组系统的热仿真分析模型并实现数值计算。

该锂离子电池组系统包含若干个电池单体串并联形成电回路，以及其相应的冷却构件及约束构件。

锂离子电池组系统的冷却构件提供的冷却方式包含但不限于：自然冷却、强制风冷、液冷和相变蓄热材料冷却等冷却方式中的一种或若干种的组合。

锂离子电池组系统的建模时，锂离子电池组系统的热仿真分析可结合流体力学原理和传热学原理进行。尽管电池单体内部具有复杂的结构特点，但为了降低建模的复杂程度并划分尽可能高质量的网格，需要尽可能忽略电池单体内部的结构细节，将锂离子电池组系统热仿真模型中的所有电池单体均简化为简单的实体，同时采用较粗的尺寸对锂离子电池组系统进行网格划分。视研究对象特征和具体计算模型选取的不同，锂离子电池组系统的热仿真分析结果可以包括温度分布、冷却介质流速、对流传热系数、热通量和热流密度等信息。

步骤2、针对锂离子电池组系统热仿真分析模型及其计算结果，提取所需考察的某个电池单体和该单体周围相关的结构实体，以及该电池单体及其周围实体包含的传热状况信息。

锂离子电池组系统热仿真分析模型及其计算结果提取的电池单体及其周围结构实体的传热状况信息可以是有助于精确给定电池单体热仿真分析模型热载荷边界条件的一切所需要的信息，视具体电池组系统冷却设计方式和热仿真模型而定，包含但不限于温度分布、热通量分布、热流率分布、产热功率、相变材料吸热速率、冷却流体温度和速度及压强分布。提取的热状况信息，可以整理为热状况相关参数在三维空间的分布形式并加载至电池单体热仿真分析模型，

例如，对电池单体周围环境冷却空气速度v的分布，可以写成如下矩阵形式：

                       

对空间第i个点，式中v_i为空气流速，x_i、y_i、z_i为空间某个点的三维坐标，将该矩阵包含的冷却空气流速分布信息加载电池单体热仿真模型可获得电池单体与外界环境的对流传热系数分布。由于提取的热状况信息也保留了原来的三维坐标，故可以很方便地与电池单体热分析模型中的实体模型空间坐标相匹配。

步骤3、使用提取的结构实体建立电池单体热仿真模型，并使用提取的传热状况信息作为该电池单体热仿真模型的载荷和边界条件，同时补充电池单体内部电芯的具体细节结构，重新建立电池单体热仿真分析模型并实现数值计算。电池单体内部电芯的具体细节结构包含正负极极片、隔膜、极耳和连接片。

上述步骤3具体包含以下步骤：完成对锂离子电池组系统的热仿真分析之后，根据用户特定需要或通过观察锂离子电池组系统温度分布结果来选取某个特定位置（如几何尺寸的居中位置或温度最高位置）的电池单体进行进一步考察，以详细而精确地了解该电池单体内外温度分布和热流密度等信息。

步骤3.1、首先从锂离子电池组系统热仿真分析模型以及计算结果中提取所需考察的某个电池单体和该单体周围相关结构实体，以及该电池单体及其周围实体包含的传热状况信息。

步骤3.2、然后将提取的结构实体和传热状况信息另存为数字文件并在此基础上进行该电池单体的热仿真分析。

步骤3.3再直接利用锂离子电池组系统热仿真模型提取得到的电池单体及其周围结构实体作为电池单体热分析模型实体建模的基础，并根据电池单体设计参数补充电池单体内部电芯的正负极极片、隔膜、极耳和连接片等具体细节结构，并采用相对锂离子电池组系统模型而言更小的网格尺寸重新划分电池单体热仿真分析模型的网格。

锂离子电池单体热仿真分析中实体模型的建立，其基础来源于锂离子电池组系统热仿真分析模型，保留了原来的空间几何位置的坐标。参照此坐标系统，根据设计参数在此基础上不断添加实体，补充电池单体内部电芯的正负极极片、隔膜、极耳和连接片等具体细节结构，而通过对新添加的实体和原有的提取自锂离子电池组系统热仿真分析模型中的实体进行布尔交运算便获得了包含一切结构细节电池单体结构。之后，对该电池单体内的各种结构赋予各自的材料属性，并采用较小的尺寸划分网格，得到锂离子电池单体热仿真分析用的计算网格。

步骤3.4、最后对电池单体热仿真模型重新进行计算以获得电池内部每个细节结构精确而细致的温度分布和热流密度等热特征。

电池单体的热仿真分析模型，其载荷和边界条件，除了来源于锂离子电池组系统热仿真分析计算结果，还可以根据电池单体的设计参数、工艺参数和相关历史测试数据，例如涂覆量、极片尺寸、电芯厚度及外壳结构，补充电池单体热仿真模型所需的其他必要信息，这些信息往往对提高电池单体热仿真分析模型的有效性和精确性具有重要意义，而往往受限于模型复杂程度又无法在电池组热仿真模型中得到体现。例如可在单体热仿真模型中的极耳位置添加焊接的接触电阻所造成的局部产热源项，以及滥用条件等特殊情况下对电池单体内部局部极片赋予特定的产热源项。

综上所述，利用本发明锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法，可以提供锂离子电池组系统内所需考察的任一电池单体内部真实、准确而丰富的热特征，从而为锂离子电池组系统的设计制造和使用维护提供更为有力的指导。

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。