[发明专利]基于电化学-热耦合模型的预测锂电池循环寿命的方法

摘要

一种基于电化学‑热耦合模型的预测锂电池循环寿命的方法，包括以下步骤，1)获取锂电池的物性参数和电化学参数，并对电池进行充放电循环测试；2)利用步骤1)获得的参数信息，建立电化学‑热耦合模型，并对模型进行有效性验证；所述电化学‑热耦合模型是一个准二维电化学模型和一个三维热模型的耦合模型；3)验证模型的有效性；4)确定经验寿命函数；5)得到最终的寿命函数。本发明通过构建电化学热耦合多物理场模型，对仿真计算得到的寿命曲线进行函数拟合得到了具有快速响应、预测能力强、适用范围广的电池寿命预测方法。

主权项

一种基于电化学‑热耦合模型的预测锂电池循环寿命的方法，其特征在于：包括以下步骤，1)获取锂电池的物性参数和电化学参数，所述物性参数以及电化学参数包括电池的尺寸参数、动力学参数和热力学参数，并对电池进行充放电循环测试；2)利用步骤1)获得的参数信息，建立电化学‑热耦合模型，并对模型进行有效性验证；所述电化学‑热耦合模型是一个准二维电化学模型和一个三维热模型的耦合模型；①准二维电化学模型将电芯分为负极集流体、负极、隔膜、正极和正极集流体五个域，建立一维几何模型，在一维几何模型上加载描述放电和充电过程的微分或者偏微分方程，通过有限元思想对几何模型进行网格化后，计算描述放电和充电过程的微分或偏微分方程，得到在本电池结构下，放电和充电过程中，不同放电时间对应的放电电压和不同充电时间对应的充电电压；②三维热模型在准二维电化学模型的五个域上，分别加载五个域对应的材料，建立三维电池几何模型，并且在这五个域中加载热场，所述热场的热源为准二维电化学模型计算所得到的电极平均热量，在三维几何模型上加载对流换热的热场，得到三维热模型，通过有限元思想进行网格化后，计算热场方程，进而不同放电时间对应的电芯的温度和不同充电时间对应的电芯温度变化曲线以及不同放电时间对应的电芯的容量和不同充电时间对应的电芯容量变化曲线；并且将电芯温度变化反馈到准二维电化学模型中，实现电化学模型和热模型的双向耦合；3)验证模型的有效性，有效性①：通过步骤1)中的对电池的充放电循环测试，得到电池在实际情况下不同放电时间对应的放电电压和不同充电时间对应的充电电压曲线，与步骤2)中的准二维电化学模型得到的不同放电时间对应的放电电压和不同充电时间对应的充电电压进行比较，最大误差小于2％并且均方根误差小于1％为有效；有效性②：通过步骤2)中的准二维电化学模型和三维热模型的耦合模型得到的不同放电时间对应的电芯的温度和不同充电时间对应的电芯温度曲线，与步骤1)中实际情况下不同放电时间对应的电芯的温度和不同充电时间对应的电芯温度曲线进行比较，最大误差小于2％并且均方根误差小于1％为有效；有效性①和有效性②同时满足则判定电化学‑热耦合模型有效；4)确定经验寿命函数，所述经验寿命函数为幂次函数，幂次函数为：其中Qloss代表的是衰减容量，T为环境温度，t为放电量，Ea、R分别为活化能和摩尔气体常量，B、Z皆为常数，放电量t由放电倍率、放电深度和时间共同决定；5)对步骤2)得到的不同循环次数下对应的电芯的容量变化曲线依照经验寿命函数进行处理得到一个线性关系，将这个线性关系反带入到经验寿命函数中得到Ea和R的数值，得到最终的寿命函数。