一种锂离子电池热失控的建模方法技术

本发明专利技术提供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)}。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池热失控的建模方法
本专利技术属于电池领域，涉及一种锂离子电池热失控的建模方法。
技术介绍
在能源危机与环境污染的双重压力下，汽车动力系统电动化成为了汽车发展的重要标志之一。当前，新能源车动力电池系统多采用具有较高能量密度的动力电池，如锂离子动力电池。然而，偶发的安全事故使得锂离子电池系统受到质疑。电池系统事故一般是由电池发生热失控造成的。电池热失控是指由于电池内部材料在一定温度下，将化学能瞬间转化为热能的过程。电池在热失控过程中，内部化学反应产生的热量使得电池的温度升高，而内部化学反应造成的活性物质损失和容量衰减使得电池电压下降。实际上，电池组在工作时可能会出现短暂的极端高温，而电池并不发生热失控。此种条件下，需要评估电池寿命的衰减情况。然而，现有的锂离子电池热失控模型只能模拟内部化学反应产生的热量，即用于模拟电池温度的升高，而不能同时模拟电池容量的衰减，即用于模拟电池电压的下降，进而分析电池寿命衰减情况。如果能够提供一种可以同时模拟锂离子电池温度的升高和电压的下降的建模方法，就能够提供极端条件下锂离子电池状态估计的依据，扩展锂离子电池的应用范围。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种可以同时模拟锂离子电池温度升高和锂离子电池电压下降的锂离子电池热失控的建模方法。本专利技术提供一种锂离子电池热失控的建模方法，其包括以下步骤：S1：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)；S2：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；S3：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)}。本专利技术提供的锂离子电池热失控的建模方法，通过对锂离子电池热失控过程进行阶段划分，并根据不同阶段对应的化学反应，建立所述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)}，并利用该数学模型进行仿真计算，可以定量地分析锂离子电池热失控过程中化学反应情况与容量衰减情况，同时预测锂离子电池在热失控过程中的温度和电压，从而为扩展锂离子电池在极端高温条件下的应用范围提供重要的依据。附图说明图1为本专利技术实施例中第一锂离子电池热失控的建模方法的流程图。图2为本专利技术实施例中第一锂离子电池热失控实验结果与阶段划分示意图。图3为本专利技术实施例中数学模型中正极电压与化学计量系数y的关系图。图4为本专利技术实施例中数学模型中负极电压与化学计量系数x的关系图。图5为本专利技术实施例中数学模型的温度计算结果与第一锂离子电池实验结果对比图。图6为本专利技术实施例中数学模型的电压计算结果与第一锂离子电池实验结果对比图。图7为本专利技术实施例中数学模型的温度计算结果与第二锂离子电池实验结果对比图。图8为本专利技术实施例中数学模型的电压计算结果与第二锂离子电池实验结果对比图。图9为本专利技术实施例中数学模型中电池容量衰减情况示意图。图10为本专利技术实施例中数学模型中化学反应产热速率示意图。如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。请参阅图1，本专利技术实施例提供一种锂离子电池热失控的建模方法，其包括以下步骤：S1：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)；S2：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；以及S3：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)}。步骤S1中，所述锂离子电池的正、负极材料以及隔膜可以为锂离子电池中常用正、负极材料以及隔膜。本实施例中，所述锂离子电池的正极材料为镍钴锰三元材料，负极材料为石墨，隔膜为具有陶瓷涂层的聚乙烯(PE)。在绝热环境下对所述第一锂离子电池进行热失控实验，有利于准确获得第一锂离子电池在热失控过程中释放和吸收的热量。本实施例中采用加速绝热量热仪(ARC)对所述第一锂离子电池进行热失控实验，并记录在绝热热失控过程中所述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)。请参阅图2，步骤S2中，只考虑所述第一锂离子电池的升温阶段而不考虑降温阶段，故，可以将所述第一锂离子电池热失控过程划分为阶段I、阶段II、阶段III、阶段IV以及阶段V五个阶段。阶段I：从初始加热时开始，到第一锂离子电池开始自生热时结束。在加速量热仪的加热条件下，所述第一锂离子电池温度升高，从温度等于50oC开始，负极表面固体界面膜（SEI膜）开始分解。同时，由于第一锂离子电池负极失去SEI膜保护，嵌入在负极内部的锂与电解液接触反应放热，并生成新的SEI膜。嵌入在第一锂离子电池负极内部的锂损失，使得负极的电压升高。另外，在高温条件下，第一锂离子电池正极内部金属离子溶解于电解液中，造成正极活性物质损失，会使得正极的电压降低。由于锂离子电池的电压等于正极电压与负极电压之差，所以第一锂离子电池的电压也随之下降。阶段II：从第一锂离子电池开始自生热时开始，到第一锂离子电池的隔膜基质开始融化时结束。负极表面固体界面膜（SEI膜）分解加速，嵌入在负极内部的锂与电解液反应放热速率加快，两者放热产生的热功率造成的电池温度升高速率大于加速量热仪的升温速率探测值。在此（约90oC）之后加速量热仪探测到电池自生热，将不再进行加热，而维持量热仪温度与第一锂离子电池温度相同，为第一锂离子电池提供绝热测试条件。在此阶段，SEI分解反应，嵌入在负极内部的锂与电解液的反应，正极金属离子溶解的反应继续发生，并持续到后续的阶段，直到活性物质反应完全为止。电池电压持续下降。阶段III：从第一锂离子电池的隔膜基质开始融化时开始，到第一锂离子电池的隔膜基质融化结束时结束。电池温度升高到聚乙烯（PE）隔膜基质融化温度（约120oC），隔膜基质融化吸收热量，造成生热速率减慢。阶段IV：从第一锂离子电池的隔膜基质融化结束时开始，到第一锂离子电池的隔膜崩溃时结束。隔膜基质融化结束（约140oC），隔膜开始收缩，第一锂离子电池正负极发生微弱短路，释放热量。在更高的温度下，如180oC以上，第一锂离子电池内部的其他物质分解放出热量，如正极分解放热，电解液分解放热，粘接剂分解放热等，这使得电池温度进一步升高。阶段V：从第一锂离子电池的隔膜崩溃时开始，到第一锂离子电池发生热失控且达到最高温度时结束。电池温度达到隔膜崩溃温度（约250oC），电池正负极发生内短路，电池电能瞬间释放，并放出大量的热量，电池温度急剧升高，电压急剧下降至0V，电池发生热失控，温度升高到最大值（约850oC）。可以理解，所述不同阶段的划分并不限定于本实施例中。由于不同锂离子电池的正、负极材料，隔膜，电解液等不同，所以锂离子电池在热失控过程中化学反应发生的温度等也不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池热失控的建模方法，其包括以下步骤：S1：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)；S2：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；以及S3：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)}。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池热失控的建模方法，其包括以下步骤：S1：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)；S2：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；以及S3：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)}，所述数学模型{T(t),V(t)}的建立包括以下步骤：S31：建立所述第一锂离子电池在加热热失控过程中产热速率Q(t)的计算式；S32：根据Q(t)得出升温速率的计算式；S33：根据升温速率得出不同时刻的温度T(t)的计算式；S34：建立第一锂离子电池在加热热失控过程中，容量衰减的x(t),y(t)的计算式，x(t)代表负极的化学计量系数，y(t)代表正极的化学计量系数；以及S35：根据x(t),y(t)得出V(t)的计算式，该V(t)的计算式为V(t)＝Vca(y(t))-Van(x(t))，Vca(y(t))为锂离子电池的正极电压；Van(x(t))为锂离子电池的负极电压，所述x(t)，y(t)的计算式分别为：其中，x0和y0分别是x(t)和y(t)的初始值；cLAM(t)是正极活性物质的归一化浓度。2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控的建模方法，其特征在于，在步骤S3之后进一步包括步骤：S4：提供一第二锂离子电池，该第二锂离子电池与所述第一锂离子电池相同，对所述第二锂离子电池进行绝热热失控实验，并记录该第二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)；以及S5：利用所述T”(t)以及V”(t)验证所述数学模型{T(t),V(t)}。3.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控的建模方法，其特征在于，对所述第一锂离子电池绝热热失控过程进行阶段划分包括，将所述第一锂离子电池热失控过程划分为阶段I、阶段II、阶段III、阶段IV以及阶段V五个阶段，阶段I从初始加热时开始，到第一锂离子电池开始自生热时结束；阶段II从第一锂离子电池开始自生热时开始，到第一锂离子电池的隔膜基质开始融化时结束；阶段III从第一锂离子电池的隔膜基质开始融化时开始，到第一锂离子电池的隔膜基质融化结束时结束；阶段IV从第一锂离子电池的隔膜基质融化结束时开始，到第一锂离子电池的隔膜崩溃时结束；阶段V从第一锂离子电池的隔膜崩溃时开始，到第一锂离子电池发生热失控且达到最高温度时结束。4.根据权利要求3所述的锂离子电池热失控的建模方法，其特征在于，所述阶段I从31℃开始，到90℃结束；所述阶段II从90℃开始，到120℃结束；所述阶段III从120℃开始，到140℃结束；所述阶段IV从140℃开始，到250℃结束；所述阶段V从250℃开始，到850℃结束。5.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控的建模方法，其特征在于，所述产热速率Q(t)的计算式为：Q(t)＝QARC(t)+Qr(t)+Qe(t)，且Qr(t)及Qe(t)满足：Qr(t)＝QSEI+QLi+Qseparator+Qanode+Qcat...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯旭宁，张明轩，欧阳明高，卢兰光，何向明，武鹏，C·库珀，史德芬，
申请(专利权)人：清华大学，宝马中国服务有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11