[发明专利]一种锂离子电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型

说明书

本发明提供一种锂离子电池电化学‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型，由电化学模型、热模型、力学模型、短路模型以及热失控副反应模型耦合而成。力学模型的应力/应变参数与短路模型的电导率关联，短路模型的短路内阻与电化学模型的边界条件关联，电化学模型的电池电压与短路模型的边界条件关联，热模型的温度分别与电化学模型和热失控副反应模型的温度关联，短路模型的内短路产热，电化学模型的电化学极化热、可逆熵热和欧姆热，以及热失控模型的副反应产热分别与热模型中的对应产热项关联。该模型能够模拟电池外部和内部特征在挤压工况下的动态响应，显著提升电池状态的预测能力。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型及其构建方法和应用。

背景技术

随着我国经济的快速发展，对化石能源的消耗导致国家面临能源危机和环境污染等问题，急需发展和使用新型可再生能源以缓解当前处境。锂离子电池因具有能量密度高、工作电压高、自放电率低、无记忆效应等优点被广泛应用，已成为目前新能源汽车的首选和主流动力源。然续航里程和安全性问题是电动汽车推广过程中的关键影响因素。高能量密度电池体系的开发在缓解里程焦虑的同时，促使电池安全问题日益突出，严重危害人民群众生命与财产安全。

由于锂离子电池的广泛应用，在一些实际的使用场景中易受到机械载荷的冲击和影响，导致电池受力并产生变形。严重时会引起电池内部正/负极发生短路产生大量热量，进而触发电池燃烧和爆炸等热失控风险。目前，我国动力汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法（GBT31485-2015）中规定单体蓄电池在挤压实验中应不爆炸、不起火。

在电池设计开发阶段完全基于实验方法会带来大量实验测试工作、复杂的操作流程以及较高的成本，且并不能帮助研发人员深入认识电池内在电化学反应、产热以及短路机理。因此有必要设计一种用于估计、预测电池在挤压工况中温度和电压动态响应的耦合模型，以便提供更多电池内部信息。

现有技术中存在一些模拟预测电池热失控行为的仿真模型，但这些仿真模型仅适用于常规电或热触发因素的影响预测。由于电池热失控除受上述影响因素外，机械、短路等极端的偶然因素也常常会造成电池的热失控现象，引发变形并在短时间内产生较大的热量，这些影响均会对电池产生较大的损害。仿真模型对于这些极端的或偶然因素的预测能力显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锂离子电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型及其构建方法和应用，该模型能够模拟电池外部和内部特征在挤压工况下的动态响应，求解电池在挤压过程中电压、温度、应力以及物质的分布和变化，估计和预测内短路发生位置、大小以及热失控温度的演变。节约实验成本，指导电池优化设计、提高开发效率，显著提升了对于机械、短路等极端或突变条件下电池状态的预测能力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括：

一种锂离子电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型，所述耦合模型由电化学模型、热模型、力学模型、短路模型以及热失控副反应模型耦合而成。

模型间的耦合关联方式包括：所述力学模型的应力/应变参数与短路模型的电导率关联，所述短路模型的短路内阻与电化学模型的边界条件关联，所述电化学模型的电池电压与短路模型的边界条件关联，所述热模型的温度分别与电化学模型和热失控副反应模型的温度关联，所述短路模型的内短路产热，电化学模型的电化学极化热、可逆熵热和欧姆热，以及热失控模型的副反应产热分别与热模型中的对应产热项关联。通过上述耦合关联，能够成功将电池在机械、短路等突变条件下的影响在模型中进行实时准确的传递，并通过应力/应变、内阻变化、温度变化、综合产热等参数反应出来，提高了模型的仿真准确性、灵敏性和综合状况下的预测能力。

作为优化的可选方案，各模型间的耦合关联方式可以通过下述各具体模型的建立实现。