[发明专利]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

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；