[发明专利]一种18650型锂电池放电循环的瞬态温度模型建模方法

摘要

本发明涉及一种18650型锂电池放电循环的瞬态温度模型建模方法，包括步骤：1)锂电池单体放电循环热模型的建立规则；2)建立瞬态热行为的控制方程；3)建立瞬态热行为的边界条件。本发明的有益效果是：本发明基于Newman的伪二维模型建立锂电池单体在不同放电倍率工况下的瞬态温度模型，自行设计恒流充放电实验装置，采集、计算和仿真单体电池热行为数据，并将瞬态温度参数与电压分布曲线进行结果分析，本发明提出的瞬态温度模型具有很好的可靠性和有效性；同时本发明提出的新模型和新算法计算速度快，计算结果精度较高。

主权项

1.一种18650型锂电池放电循环的瞬态温度模型建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1)：锂电池单体放电循环热模型的建立规则；将基于物理特征的二维电化学模型与反映锂电池性能的电荷守恒和热扩散方程相结合，从而计算温度分布值；步骤2)：建立瞬态热行为的控制方程；方程描述固相电荷守恒、电解质相电荷守恒、固相锂离子守恒、电解质相锂离子守恒；步骤2‑1)：建立固相电荷守恒方程如下：▽(ρeff▽φs)‑iLi＝0   (4)另一种表示方式为：AndAnd其中，ρeff为固相有效电导率，ρ+和ρ‑分别为正负极的有效电导率，φ+和φ‑分别为相电势正负极，ln为负极长度，ls为分离器长度，lp为正极长度，L＝ln+ls+lp为总长度；步骤2‑2)：建立电解质相电荷守恒方程如下：And其中，κ^eff为有效扩散电导率，满足β为Burggeman孔隙度指数；为有效离子电导率，计算公式为：其中，f_±为电解质的分子活度系或电解质活度系数，ξ_e为电极中电解质相的体积分数，R为通用气体常数，F为法拉第常数，为锂离子转移数，C_e为电解液中的锂浓度；步骤2‑3)：建立固相锂离子守恒方程；活性固体材料中锂离子的物质平衡粒子在球面坐标系下方程为：结合边界条件如下，And其中，Cs为锂离子在固相中的浓度，Ds为锂离子在电解质中的质量扩散系数，r为沿活性物质颗粒的径向坐标，Rs为固体活性物质颗粒的半径；设as为电流分配系数，锂离子在插入和脱嵌过程中分别表示为as,a和as,c，则电极/电解质界面上锂离子插入和脱嵌引起的转移电流iLi表示为：步骤2‑4)：建立电解液锂离子守恒方程：或者表示为：其中，ξ_e为电解质的体积分数/孔隙率，为有效扩散系数，满足为基于溶剂流速的锂离子转移速度；步骤3)：建立瞬态热行为的边界条件；步骤3‑1)：建立反应速率方程；将其转化为耦合电荷系的控制方程：其中，局部表面超电势表示为：η＝φs‑φe‑U   (19)交换电流密度表示为：其中，i0为交换电流密度，αa和αc分别为阳极和阴极的传递系数，T为温度值，η为过电位，U为热力学OCV，Cs,max为固相锂的最大浓度，Cs,e为锂在固体颗粒表面的浓度，φs和φe分别为固相和电解质相的电势；将模型进行耦合，引入基于温度的物理化学参数，如电解质扩散系数Ds和锂离子导电性参数km，两个参数表示为：同时，电解质相扩散系数计算公式为：其中，Ds为固相扩散系数，Ds.ref为参考固体扩散系数，km.ref为参考反应速率系数，De为电解质相的扩散系数，Ed为控制Ds温度敏感性的活化能，Er为控制km温度灵敏度的活化能，Tref为温度参考系数；步骤3‑2)：建立能量守恒公式：或者表示为：上述公式进一步修改为：其中，公式(26)和公式(27)中的各参数计算公式如下：其中，为电化学热，满足公式(31)：其中，i_p为长度为l_p范围内锂离子转移电流，满足公式和i＝‑ai_p。