一种锂离子电池过充电热失控建模方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池过充电热失控建模方法，属于电池领域。该方法首先对第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录第一锂离子电池在不同时刻的温度、电压及内阻；然后将与第一锂离子电池相同的第二锂离子电池拆解，制作分别包含第二锂离子电池正负极的两个纽扣电池，并进行过充电测试，分别获取包含第二锂离子电池正、负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；对第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应，最终建立第一锂离子电池在绝热过充电热失控实验过程中的数学模型。本发明专利技术同时模拟过充电热失控过程中电压和温度的变化规律，准确模拟锂离子电池过充电热失控行为，保障电池系统安全。

Modeling method for overcharge electric runaway of lithium ion battery

The invention provides a method for modeling an overcharge electric runaway of a lithium ion battery, belonging to the battery field. First the first lithium ion battery charging electric control adiabatic experiment, and record the temperature, voltage and internal resistance of the first lithium ion battery at different time; second lithium ion battery dismantling and then with the first lithium ion battery the same, making each of which includes second two button battery lithium ion batteries, and over charge test curves were obtained, including second lithium ion battery positive and negative voltage and lithium ion stoichiometry; the first lithium ion battery charging electric control adiabatic process stages, make sure the battery internal chemical reaction in different stages, the mathematical model established the first lithium ion battery overcharge in electric heating in the process of adiabatic runaway. The invention also simulates the change law of voltage and temperature in the process of charging electric heating, and simulates the overcharge and runaway behavior of the lithium ion battery to ensure the safety of the battery system.

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池过充电热失控建模方法
本专利技术属于电池领域，具体涉及一种锂离子电池过充电热失控建模方法。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度/功率密度高、使用寿命长等特点，是目前应用最为广泛的车用化学动力源。然而，近年来，电动汽车的电池系统的热失控事故层出不穷，危害了人们的生命财产安全，同时打击了公众对电动汽车的信心。过充电是最常见的电池滥用情况之一，指的是电池在到达充电截止电压后仍然被继续充入电流，通常由电池管理系统失效引起。过充电过程中，电池内部会发生一系列化学反应，这些反应产生大量的热量，使得电池温度升高，最终导致电池发生热失控，造成起火、爆炸等事故。为了更好地防止电池发生过充电，需要建立电池的过充电热失控模型，模拟过充电过程中电池电压和温度的变化，根据电压和温度的变化规律评估电池安全状态的变化，实现对过充电热失控隐患的早期检测。另外，电池过充电热失控模型还可以模拟过充电引起的电池系统热失控扩散，仿真模拟结果可以用于指导电池系统热失控扩展防范设计，更好地保障电池系统的安全。然而，目前为止，尚没有能够模拟真实电池过充电热失控过程电压和温度变化的模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的空白之处，提供一种锂离子电池过充电热失控建模方法。该方法能够同时模拟过充电热失控过程中电压和温度的变化规律，准确地模拟锂离子电池的过充电热失控行为，更好地保障电池系统的安全。本专利技术提出了一种锂离子电池过充电热失控建模方法，其特征在于，该方法首先对第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录第一锂离子电池在不同时刻的温度、电压及内阻；然后将与第一锂离子相同的第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池正负极的两个纽扣电池，并对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；然后，对第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；最后建立所述第一锂离子电池在绝热过充电热失控实验过程中的数学模型。该方法包括以下步骤：1)提供一第一锂离子电池，对所述第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录该第一锂离子电池在不同时刻的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)；2)提供一第二锂离子电池，所述第二锂离子电池型号与第一锂离子电池相同，将所述第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池的正负极的两个纽扣电池，对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含所述第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；3)根据步骤1)所记录的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)，对所述第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；4)根据步骤3)得到的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过充电热失控实验过程中的数学模型{T(t),V(t)}，并利用所述T’(t)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过充电热失控建模方法，通过将锂离子电池绝热过充电热失控过程划分为不同的阶段，总结不同阶段的化学反应，并根据不同阶段的化学反应，建立所述锂离子电池绝热过充电热失控过程的数学模型{T(t),V(t)}，并利用该数学模型进行仿真计算，可以定量分析锂离子电池过充电热失控过程中化学反应情况，同时预测锂离子电池在过充电热失控过程中的温度和电压变化，为电池过充电过程中的安全状态监控和热失控扩散防范设计提供重要依据。附图说明图1为本专利技术的锂离子电池过充电热失控建模方法的流程图。图2为本专利技术实施例中第一锂离子电池的绝热过充电热失控实验结果及阶段划分结果示意图。图3为本专利技术实施例中第二锂离子电池正极电压Vca与锂离子化学计量数y的关系曲线图。图4为本专利技术实施例中第二锂离子电池负极电压Van与锂离子化学计量数x的关系曲线图。图5为本专利技术实施例中过充电热失控模型的仿真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过充电热失控模型的仿真结果与第三锂离子电池实验结果对比图。图7为本专利技术实施例中过充电热失控模型的仿真结果与第四锂离子电池实验结果对比图。具体实施方式本专利技术提出一种锂离子电池过充电热失控建模方法，下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术提出一种锂离子电池过充电热失控建模方法，首先对第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录第一锂离子电池在不同时刻的温度、电压及内阻；然后将与第一锂离子相同的第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池正负极的两个纽扣电池，并对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；然后，对第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；最后建立所述第一锂离子电池在绝热过充电热失控实验过程中的数学模型。本专利技术流程如图1所示，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常规绝热过充电热失控测试(即在绝热环境下进行过充电测试，直至发生热失控)，并记录该第一锂离子电池在不同时刻的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)；S2：提供一第二锂离子电池，所述第二锂离子电池型号与第一锂离子电池一致，将所述第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池的正负极的两个纽扣电池，对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含所述第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；S3：根据步骤S1中记录的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)，对所述第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；S4：根据步骤S3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过充电热失控实验过程中的数学模型{T(t),V(t)}，并利用所述T’(t)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常用的锂离子电池的正、负极材料以及隔膜。在本实施例中，所述锂离子电池的正极材料为镍钴锰三元材料与锰酸锂材料混合组成，负极材料为石墨，隔膜为具有陶瓷涂层的聚乙烯。在绝热环境下对所述第一锂离子电池进行过充电热失控实验，有利于准确获得所述锂离子电池在过充电热失控过程中释放的全部能量。本实施例中，采用常规大型绝热加速量热仪中进行所述第一锂离子电池的过充电热失控实验，并记录了该第一锂离子电池在不同时刻的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)，如图2所示。其中，图2的横坐标为电池的荷电状态，即充电容量与电池标称容量的比值；虚线为第一锂离子电池过充电热失控实验过程中电压的变化曲线，对应的纵坐标轴为左边的电压坐标轴，可以看到，过充电热失控过程中，电池电压逐渐上升，在充电容量达到电池标称容量的160％时，达到极大值5.23V，然后开始下降，在热失控发生时急剧下降至0V；实线为第一锂离子电池过充电热失控实验过程中温度的变化曲线，对应的纵坐标轴为右边第一个坐标轴——温度纵坐标轴，可以看到，过充电热失控过程中，电池温度也逐渐上升，在充电容量达到电池标称容量的140％后，电池升温速率加快，热失控发生时，电池温度急剧升高至最大值800本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池过充电热失控建模方法，其特征在于，该方法首先对第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录第一锂离子电池在不同时刻的温度、电压及内阻；然后将与第一锂离子相同的第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池正负极的两个纽扣电池，并对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；然后，对第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；最后建立所述第一锂离子电池在绝热过充电热失控实验过程中的数学模型。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池过充电热失控建模方法，其特征在于，该方法首先对第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录第一锂离子电池在不同时刻的温度、电压及内阻；然后将与第一锂离子相同的第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池正负极的两个纽扣电池，并对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；然后，对第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；最后建立所述第一锂离子电池在绝热过充电热失控实验过程中的数学模型。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)提供一第一锂离子电池，对所述第一锂离子电池进行绝热过充电热失控实验，并记录所述第一锂离子电池在不同时刻的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)；2)提供一第二锂离子电池，所述第二锂离子电池型号与第一锂离子电池相同，将所述第二锂离子电池拆解，制作分别包含所述第二锂离子电池的正负极的两个纽扣电池，对两个纽扣电池进行过充电测试，分别获取包含所述第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线；3)根据步骤1)所记录的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)，对所述第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，确定不同阶段对应的电池内部化学反应；4)根据步骤3)得到的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过充电热失控实验过程中的数学模型{T(t),V(t)}，并利用所述T’(t)及V’(t)标定该数学模型{T(t),V(t)}。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：5)提供第三、第四锂离子电池，所述第三、第四锂离子电池型号与所述第一锂离子电池相同，对所述第三、第四锂离子电池分别进行与第一锂离子电池不同充电倍率的绝热过充电热失控实验，分别记录第三、第四锂离子电池在不同时刻的温度和电压；6)根据步骤5)得到的第三、第四锂离子电池的实验结果，验证步骤4)所建立的数学模型{T(t),V(t)}。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中分别获取包含所述第二锂离子电池正负极电压与锂离子化学计量数的关系曲线，具体包括以下步骤：2-1)将所述第二锂离子电池放电至放电截止电压，将第二锂离子电池拆解，获取该电池的正负极极片；2-2)利用步骤2-1)中获得的电池正负极极片，在手套箱中分别制作两个纽扣电池；其中，第一纽扣电池的正极为所述第二锂离子电池的正极材料，负极为金属锂；第二纽扣电池的正极为所述第二锂离子电池的负极材料，负极为金属锂；2-3)对步骤2-2)得到的分别包含所述第二锂离子电池的正、负极的两个纽扣电池进行过充电测试，获取过充电过程中正极电压Vca与锂离子化学计量数y以及负极电压Van与锂离子化学计量数x的关系曲线。5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中对所述第一锂离子电池绝热过充电热失控过程进行阶段划分，具体内容包括：根据步骤S1中记录的温度T’(t)、电压V’(t)以及内阻R’(t)，将所述第一锂离子电池过充电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；所述阶段I为从所述第一锂离子电池开始充电开始，到电池充电电压到达充电截止电压时结束；所述阶段II为从所述第一锂离子电池的充电电压超过其充电截止电压时开始，到充电容量达到电池标称容量的120％结束；所述阶段III为从所述第一锂离子电池的充电容量超过电池标称容量的120％开始，到充电容量达到电池标称容量的140％结束；所述阶段IV为从所述第一锂离子电池的充电容量超过电池标称容量的140％开始，到充电容量达到电池标称容量的160％结束；所述阶段V为从所述第一锂离子电池的充电容量超过电池标称容量的160％开始，到电池发生热失控并且达到热失控的最高温度结束。6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中建立所述第一锂离子电池在绝热过...

【专利技术属性】
技术研发人员：任东生，杜玖玉，卢兰光，冯旭宁，欧阳明高，李建秋，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11