[发明专利]一种基于电化学特征的单体锂离子电池三维热模型

摘要

本发明涉及一种基于电化学特征的单体锂离子电池三维热模型，包括步骤：1)单体锂离子电池三维模型建立方案；2)单体锂离子电池径向热模型建立；3)单体锂离子电池热模型方程建立。本发明的有益效果是：本发明对单体锂离子电池进行循环老化实验，实验在不同温度环境下进行；其中，参考性能测试分别在15℃，25℃，30℃温度环境下进行，并采用恒流恒压充电模式；循环老化测试分别在25℃和50℃温度环境下进行，并采用恒流充电、恒压充电和恒流放电模式；每一次实验静置时间为6小时。

主权项

1.一种基于电化学特征的单体锂离子电池三维热模型，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：单体锂离子电池三维模型建立方案；步骤1‑1：基于单体电池性能参数的一维电化学模型建立，基于电路等效理论的电子电流守恒模型建立，基于热环境参数的三维模型建立；步骤1‑2：模型参数设置为，Qrea单体电池实际电量，Qpol单体电池正极电量，Qohmic单体电池内阻电量，Tave平均温度；步骤2：单体锂离子电池径向热模型建立；步骤2‑1：建立基于电化学特征的单体锂离子电池热模型，根据经典的热仿真理论，提出三点假设：1)假设组成电池的各种材料介质均匀、密度一致；2)相同材料的比热容恒定，相同材料在同方向上的热导率恒定；3)单体电池在放电期间电池各处电流密度相同；步骤2‑2：利用热阻抗法来计算锂离子电池径向热传导与温度分布，考虑了电极缠绕体、钢壳以及两者之间的空隙部分的温度分布，建立圆柱体径向热模型；其中，缠绕体按照半径均匀的分为N个网格，每个网格构成一个柱壳，最内的网格构成一个柱体，其密度、热传导率与热容等传热学参数均使用缠绕体整体值；其中，Ri(i＝1,…N)为网络级联等效电阻，Ti(i＝1,…N)为节点温度，Ci(i＝1,…N)为网络等效电容，Rroll‑gap为柱体与外壳空隙等效电阻，Rroll‑gap为空隙与外壳等效电阻，Tsh为外壳温度；步骤3：单体锂离子电池热模型方程建立；步骤3‑1：锂离子电池在充放电时生热的来源主要有反应热、欧姆热和极化热，分别定义为Jrev、Johmic和Js；则总生热速率vt可用式(3)来表示：vt＝Jrev+Johmic+Js              (3)其中，反应热Jrev为可逆热，欧姆热Johmic和极化热Js为非可逆热；步骤3‑2：根据文献，反应热的理论公式为(4)，生热速率的正负符号分别表示放热和吸热；式中，Jrev为可逆热的生成速率，单位W；Se为电池极片的总面积，单位cm2；T为电池温度，单位K；j为固相与液相界面处净反应电流的体积密度，单位A/cm；ΔS为进行还原反应时的熵变；步骤3‑3：欧姆热可以通过电池的内阻和充放电电流获得，建立公式(5)：Johmic＝I2Re                                   (5)式中，I为充放电电流，单位A；Re为电池的欧姆内阻，单位Ω；步骤3‑4：计算极化热时，通常等效为极化内阻Rs，建立公式(6)：Js＝I2Rs                                         (6)步骤3‑5：结合公式(1)‑(4)，可得单体锂离子电池的总生热功率如式(7)：vt＝Jrev+I2(Re+Rs)                                    (7)。