一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池热管理技术领域，公开了一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法，旨在为锂离子电池包热管理系统在线软包电池单体估计温度、压力等参数提供了计算工具。该方法首先基于软包电池生热、产气、热路模型建立温度估计模型，求解得到实时的电芯内部温度、软包表面温度、反应气体质量；其次，建立电池内部压力估计模型，利用温度、产气的计算结果，求解得到软包电池内部实时气压。与现有技术相比，所提方法综合考虑了软包电池生热、产气、传热、膨胀过程，计算精度具有理论保证且计算效率高；不涉及复杂的化学‑电‑热‑机械等多物理场耦合建模过程，也不需要编写繁冗的计算求解程序，具有良好的工程实用性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法
本专利技术涉及锂离子电池热管理
，具体而言，涉及一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法。
技术介绍
锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、充电速度快、成本持续降低等诸多优点得到广泛应用，但电池热失控导致的安全问题始终存在。热滥用条件下，锂离子电池单体内部发生化学放热反应；当放热速率超过散热效率，内部温度上升使放热反应加速，导致热量和反应气体在电池内部持续积累。温度或压力达到临界值将引发电池热失控，释放大量的热量和可燃气体。实际应用中，通常将数百上千的电池单体通过串并联连接封装成高能量密度的电池包储能系统。当某一单体发生热失控，其释放的热量会急剧加热毗邻单体，导致单体间的热失控传播行为，进而引发整个电池包起火、爆炸事故。为有效预测电池包的热行为，阻止热失控在单体间扩散，需要构建热模型精确估计电池内部热生成率和外部散热效率。现有建模方法主要包括有限元模型、集总参数方法、状态空间方程等。目前，对电池单体热模型的研究大都基于硬包电池。这类电池采用坚固的金属外壳，并设计有单向排气阀。当电池内部压力超过阈值，排气阀自动打开，反应气体和热量从电池内部排除，从而降低热失控的可能性。软包电池具有安全性高、能量密度高、重量轻、循环寿命长等优势，是消费类电子产品的首选，也是被车企日益青睐的一种电池封装形式。软包电池通常采用铝塑膜封装，软包膨胀可容纳反应气体，所以一般不设置排气阀。热滥用条件下，反应释放的热量和气体在封闭空间中累积，同样面临起火、爆炸的危险。为此，针对锂离子软包电池单体内部温度、压力监测难题，建立热滥用条件下化学反应、热路、气体状态等解析模型，并将其集成到统一的温度/压力分析框架中，对于提升锂离子软包电池的可靠性及热管理水平具有重要的工程意义。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法。该方法首先基于软包电池生热、产气、热路模型建立温度估计模型，求解得到实时的电芯内部温度、软包表面温度、反应气体质量；其次，建立电池内部压力估计模型，利用温度、产气的计算结果，求解得到软包电池内部实时气压。所提专利技术为锂离子电池包热管理系统在线软包电池单体估计温度、压力等参数提供了计算工具。为实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：（1）基于待估计的软包电池，建立生热模型M1：Q’cel=mrea·(Δh1·R1+Δh2·R2)（2）建立产气模型M2：m’gas=cgas·Q’cel；（3）建立热路模型M3：T’cel=Q’cel/Ccel-(Tcel-Tsur)/(Rcel·Ccel)，Tsur=(Tcel·Rair+Tair·Rcel)/(Rair+Rcel)（4）建立温度估计模型M4并求解输出计算结果；（5）建立压力估计模型M5并求解输出计算结果。进一步地，在步骤（1）中软包电池由电芯、软包、电解液组成，悬置于温度变化的环境中，软包电池内部发生化学放热反应，电芯阳极表面的固体电解质膜（SolidElectrolyteInterphase，SEI）发生分解、重构反应，释放热量和气体。进一步地，在步骤（1）中Q’cel表示生热速率，mgas表示释放气体的质量，Δh1,Δh2分别表示SEI分解、重构的反应焓变，R1,R2分别表示SEI分解、重构的反应速率，可写成：Rj=fj·xj0·exp{-Ej/(Ru·Tcel)+fj·t·exp[-Ej/(Ru·Tcel)]}，j=1,2其中x10,x20分别表示SEI膜中包含、嵌入锂离子的初始量，f1,f2分别表示SEI分解、重构反应的频率因子，E1,E2分别表示SEI分解、重构反应的活化能，Ru为通用气体常数，Tcel表示电芯温度，t表示当前时刻。进一步地，在步骤（2）中mgas表示释放气体的质量，m’gas表示产气速率，cgas表示表示产气速率与生热速率之间的比例系数。进一步地，在步骤（3）中Ccel表示软包电池的热容，Rcel表示电芯到软包的热阻，Rair表示软包到环境的热阻，Tsur表示软包的温度，Tair表示环境温度。进一步地，在步骤（4）中建立温度估计模型M4并求解输出计算结果的过程为：（4.1）基于生热模型M1、产热模型M2、热路模型M3，建立温度估计模型M4：Q’cel=mrea·(Δh1·R1+Δh2·R2)，m’gas=cgas·Q’cel，T’cel=Q’cel/Ccel-(Tcel-Tsur)/(Rcel·Ccel)，Tsur=(Tcel·Rair+Tair·Rcel)/(Rair+Rcel)（4.2）调用现有数值分析软件求解器求解温度估计模型M4，得到并输出所有时刻的电芯温度Tcel、软包温度Tsur、产气质量mgas。进一步地，在步骤（5）中建立压力估计模型M5并求解输出计算结果的过程为：（5.1）建立气体状态方程：Pcel·Vgas=mgas·Rgas·Tcel；（5.2）建立有限元模型M6，输出气压-体积方程Vgas=Vgas(Pcel)；（5.3）建立压力估计模型M5：Pcel·Vgas=mgas·Rgas·Tcel，Vgas=Vgas(Pcel)（5.3）将已得到的电芯温度Tcel、产气质量mgas代入到模型M5中，求解得到所有时刻软包电池内部气压Pcel。进一步地，在步骤（5.1）中Pcel表示软包电池的内部气压，Vgas表示气体体积，Rgas表示内部气体的气体常数。进一步地，在步骤（5.2）中建立有限元模型M6的过程为：（5.2.1）根据工程实际，对软包建立1/4型壳结构；（5.2.2）设置材料属性，包括弹性模量、泊松比、应力与塑性应变表；（5.2.3）对X方向的对称区域、Y方向的对称区域、Z方向的对称区域设置对称边界条件；（5.2.4）对壳结构内表面设置m个不同的压力载荷Pcel,j(j=1,2,...,m)，建立相应的求解情况；（5.2.5）调用现有有限元软件的通用静态求解器，对每一求解情况分别求解，得到相应的气体体积响应值Vgas,j(j=1,2,...,m)；（5.2.6）基于m组压力载荷Pcel,j和气体体积响应值Vgas,j，拟合得到气压-体积方程Vgas=Vgas(Pcel)。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：首先，根据工程实际，综合考虑了软包电池生热、产气、传热、膨胀过程，建立了软包电池温度、压力估计模型，理论上具有较好的估计精度。其次，所构建的温度、压力估计模型不涉及耗时的数值仿真计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法，其特征在于，该方法包含如下处理步骤：/n（1）基于待估计的软包电池，建立生热模型M1：/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法，其特征在于，该方法包含如下处理步骤：
（1）基于待估计的软包电池，建立生热模型M1：

Q’

cel

=m

rea
·(Δh1·R1+Δh2·R2)；
（2）建立产气模型M2：m’gas=cgas·Q’cel；
（3）建立热路模型M3：

T’

cel

=Q’

cel
/Ccel-(Tcel-Tsur)/(Rcel·Ccel)，

T

sur

=(Tcel·Rair+Tair·Rcel)/(Rair+Rcel)
（4）建立温度估计模型M4并求解输出计算结果；
（5）建立压力估计模型M5并求解输出计算结果；
在步骤（1）中所述软包电池(200)由电芯(201)、软包(202)、电解液(203)组成，悬置于温度变化的环境(204)中，所述软包电池(200)内部发生化学放热反应，所述电芯(201)阳极表面的固体电解质膜（SolidElectrolyteInterphase，SEI）发生分解、重构反应，释放热量和气体；
所述Q’cel表示生热速率，所述mgas表示释放气体的质量，所述Δh1,Δh2分别表示SEI分解、重构的反应焓变，所述R1,R2分别表示SEI分解、重构的反应速率，可写成：

R

j

=f

j
·xj0·exp{-Ej/(Ru·Tcel)+fj·t·exp[-Ej/(Ru·Tcel)]}，j=1,2
所述x10,x20分别表示SEI膜中包含、嵌入锂离子的初始量，所述f1,f2分别表示SEI分解、重构反应的频率因子，所述E1,E2分别表示SEI分解、重构反应的活化能，所述Ru为通用气体常数，所述Tcel表示电芯温度，所述t表示当前时刻；
在步骤（2）中所述mgas表示释放气体的质量，所述m’gas表示产气速率，所述cgas表示表示产气速率与生热速率之间的比例系数；
在步骤（3）中所述Ccel表示所述软包电池(200)的热容，所述Rcel表示所述电芯(201)到所述软包(202)的热阻，所述Rair表示所述软包(202)到所述环境(204)的热阻，所述Tsur表示所述软包(202)的温度，所述Tair表示所述环境(204)的温度；
在步骤（4）中所述建立温度估计模型M4并求解输出计算结果的过程为：
（4.1）基于所述生热模型M1、所述产热模型M2、所述热路模型M3，建立所...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志亮，王怀兴，阳同光，邓曙光，李航洋，赵治国，孙文德，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43