[发明专利]一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法

说明书

本发明涉及一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法，步骤包括：确定锂电池组构型与几何结构，构建面向热滥用的锂电池组多物理场仿真模型和热滥用安全评估模型，对随机参数进行抽样，开展相应的多物理场仿真与热安全性分析，获得热安全边界和热失控延滞期，并对结果进行分布拟合，基于应力强度干涉模型进行热安全风险评估。该方法同时考虑了多场多单体耦合效应和载荷工况、生产工艺水平、退化等因素引起的随机不确定性对热安全性的影响，能够准确地对锂电池组热安全性进行评估，给出热滥用安全边界及风险概率。

所属技术领域

本发明涉及锂电池热安全性领域，特别是一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。

背景技术

锂离子电池因其能量/功率密度高，循环寿命长等优点，已广泛应用于汽车动力、储能等系统。然而，近年来锂电池起火、燃烧、爆炸等安全事故频现，阻碍了锂电池的深入发展与应用，因此锂电池的安全性至关重要。对于锂离子电池而言，热失控是其安全事故发生的主要原因之一，其主要特征是电池温度迅速升高，进而发生燃烧甚至爆炸。研究锂离子电池热安全性，准确地评估锂离子电池在热激励下的安全边界，对于预防锂电池安全事故的发生、降低事故的损失具有重要意义。

目前锂电池热滥用测试包括热箱测试、热冲击、温度循环、火烧等，其中以热箱测试为主。热箱测试是为了评估电池的高温时的安全性。通过观察分析电池在高温环境中的副反应生热、材料损耗、热失控的持续时间和最高温度，以此来评估电池的高温安全性。目前学者们主要从组成材料的热参数测试、热滥用实验和仿真三个方面开展关于锂离子电池热滥用的研究。其中，组成材料的热参数测试主要通过差示扫描量热仪(DSC)和加速量热仪(ARC)进行测量，但材料层的热性能参数无法直接用于评估锂电池组实际使用过程中的热安全性。鉴于电池模组级热滥用实验安全风险较大、成本较高，目前主要针对电池单体开展，通过研究单体热失控表征，利用有限元、有限体积等方法开展锂电池组的热失控及传播仿真，进而对模组级电池产品的热安全性进行分析。

然而，仍存在以下不足：1)现有锂电池热安全性分析方法主要针对单体或单一物理场，无法全面准确地评估多物理场耦合作用下的锂电池组热安全性；2)现有基于物理仿真的锂电池热安全性评估是确定性的，对于其中各电池单体的分散性和随机不确定性考虑不充分。实际工程中，锂电池组中随机不确定性主要包括环境温度、输出功率、电流等运行工况随机性，质量、初始内阻等由生产工艺水平造成的电池参数随机性，容量、内阻等由退化引起的参数随机性等，这些因素都会影响锂电池组的热安全。因此，锂电池组的热安全性评估还需要考虑热失控发生的概率，即风险。

鉴于此，为了对多物理场耦合作用下的锂电池组开展热安全性评估，准确量化风险概率，有必要给出一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决锂电池组热安全性评估技术存在的问题，提出一种基于多物理场仿真的锂电池组热滥用安全风险评估方法。该方法基于多物理场仿真，考虑到实际工程中的随机不确定性，从安全风险的角度对锂电池组热安全性及安全事故发生的概率进行评估，主要包含以下步骤：

步骤1：确定锂电池组构型与几何结构。分析锂电池的串并联结构，确定锂电池组的构型，根据锂电池组的几何结构，构建三维CAD模型。

步骤2：构建面向热滥用的锂电池组多物理场仿真模型。从电池单体和模组两个层级出发进行构建，锂电池单体的模型包括电化学模型、等效电路模型、黑箱模型及混合模型；锂电池组的多物理场耦合建模需要在电池单体模型的基础上，考虑电池单体之间的电场、热场、流场的交互影响；用串并联电路描述电池组内电场表征，构建包含热失控单体内短路的锂电池组串并联电路模型；用于描述热滥用及传热行为的锂电池热场模型则需要根据其内部的几何结构和散热情况，在能量、质量、动量守恒的基础上选择适当的模型，包括固体传热模型、基于层流、k-ε、k-ω湍流的流体动力学模型、流热耦合模型、热辐射模型；此外，锂电池组在热滥用情况下产热机理模型不仅需要考虑电池热失控情况下材料分解的产热，还需要考虑正常充放电的产热。