[发明专利]一种锂离子电池的电-热模型

说明书

本发明涉及一种锂离子电池的电‑热模型，对于单体电池，将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型。对于电池模组和PACK系统，将单体电池建立的包括电路建模、关联模型和热模型的电热模型根据电池模组或者PACK系统的串联或并联关系进行连接，建立电池模组或者PACK系统的电‑热模型。有益效果：本发明采用锂离子电池电‑热模型可以进行模组或PACK系统的电流密度和温度的仿真、电池在内短路和外短路仿真及模拟此时的电池内部温度分布。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池的电-热模型。

背景技术

锂离子电池在消费电子领域及电动汽车行业得到了广泛的应用，电子产品及电动汽车用户对电池的充电速度和电池安全提出了更高的要求。虽然更高的充电速度会增加用户的体验，但电池在快充条件下会导致电池出现安全问题，尤其在大倍率充电时由于电池极片内电流密度分布不均，会有局部热点产生，严重时导致隔膜熔化，引起内短路，内部产热增加，引起电池温度上升，进一步触发电池内部的链式产热副反应，最终导致电池热失控发生。

温度特性不仅影响电芯安全，对电芯电性能影响也很显著，电芯处于较高温度下工作时会导致电芯加速衰减，电芯内部存在温度梯度时会导致极片电流密度的不均匀，SOC的不均匀，在大倍率充放电时尤其明显，严重时可能会导致极片局部电流过大，导致析锂或者局部热点等较为严重的后果，并且这种温度及电流的不均匀性会进一步导致电芯内部衰减的不一致。为了能够保证电池的使用安全和电池的使用寿命，需要从电池的本征特性出发，准确识别电池在各种条件下的内部状态变量的变化规律，包括极片的温度、电流以及SOC等内部分布状态，而这些变量的测量是难以实现的。因此，通过数学建模的方法来估计电池内部的状态已经较为普遍。专利申请公布号为CN 104346524 A的专利文献公开了一种锂离子电池热失控的建模方法，包括：提供一第一锂离子电池，对所述第一锂离子电池进行绝热热失控实验，并记录该第一锂离子电池在不同时刻的温度 T'(t)，以及不同时刻的电压 V'(t) ；根据所述温度 T'(t) 以及电压V'(t)，对所述第一锂离子电池绝热热失控过程进行阶段划分，并确定不同阶段对应的化学反应；根据不同阶段对应的化学反应，建立所述第一锂离子电池在绝热热失控实验过程中的数学模型{T(t),V(t)}，并利用所述 T'(t) 以及 V'(t) 标定该数学模型 {T(t),V(t)}。授权公告号为CN 108646186 B的专利文献公开了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。

目前最为常见的电池的电化学模型就是P2D模型和等效电路模型ECN。P2D模型基于第一性原理建立，并且得到了实验结果的验证，但是模型的计算量较大，并且参数复杂，不适用于实时计算或需要快速计算的场景，且使用难度较高，需要经过专门的学习和训练才能掌握。ECN模型可以模拟电池整体的电流、电压等，它将电池作为一个黑箱模型，不能获取电池内部的状态量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种锂离子电池的电-热模型，用于电池内部电流密度和温度的仿真，以及电池系统中单个电池的电流密度及温度的仿真。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种锂离子电池的电-热模型，对于单体电池，将其正负极片在长度和宽度方向进行块划分，正负极相对应的块作为一个电池单元，将正负极所构成的电池单元进行电路建模，基于电池单元的电路建模建立热模型和电池单元的电阻与电池荷电状态SOC、电池温度以及电池老化状态SOH的关联模型，根据要仿真的电池参数进行模型参数设定，实现电池在不同使用条件的电流密度和温度的仿真和电池在内短路和外短路的仿真以及模拟电池在内短路和外短路下电池内部温度分布；具体步骤如下：