基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法技术

本发明专利技术涉及基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。该方法包括：搜集实验电池的信息；建立实验电池的电化学

【技术实现步骤摘要】
基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、无记忆效应和自放电率低等优点，在便携式电子产品中得到了广泛的应用，近年来，已广泛应用于电动汽车与储能领域。
[0003]针对提高电池能量密度的指标，电池的尺寸越来越大，电池的容量也越来越大。大电池的产热大，温度高，尤其电池内部的温度比较高。夏季，天气温度高，电池内部的温度较高，若得不到控制，很容易发生安全事故。
[0004]目前，电池的热管理主要是针对电池模组级别与电池包级别，鲜见基于电池单体级别的报道。中国专利申请号201710235800.5，一种电池模组导热板排布优化方法，此专利技术是针对电池模组采用热仿真方法进行研究，探究了模组中单体之间的间隙的影响，在单体之间增加导热板，以提高模组的散热，进而提高模组温度分布的均匀性。中国专利申请号201910238645.1，锂离子电池包的热仿真方法，此专利技术针对电池包，讲述了电池包的热仿真方法与过程。
[0005]本专利技术从电池单体的结构即几何构造出发，提高卷芯的传热，进而有效降低电池内部的温度。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法。该方法简单易于实现，成本低且降温效果明显。
[0007]本申请主要基于以下问题提出的：影响电池温升的因素，一方面在于电池的产热，另一方面在于电池的传热与散热。电池的产热需从材料与工艺方面进行改善，实施起来，难度较大。而电池的传热与散热从电池的构造方面就可以改善，容易实现。
[0008]为此，本专利技术提出了一种基于电化学
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热耦合模型从电池结构方面降低电池温升的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括以下步骤：（1）搜集实验电池的信息 实验电池的信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据。
[0009]（2）建立实验电池的电化学
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热耦合模型在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块与固体传热模块，建立实验电池的电化学
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热耦合模型。其中，电化学模型是一维模型，热模型是三维模型。
[0010]（3）修正电化学
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热耦合模型利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学
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热耦合模型。
[0011]（4）用步骤（3）修正后的电化学
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热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升。
[0012]用步骤（3）修正后的电化学
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热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。
[0013]进一步的，所述步骤（1）中，几何信息包含电芯层级的几何信息，具体地：铜箔的厚度、负极单面涂层的厚度、隔膜的厚度、正极单面涂层的厚度、铝箔的厚度、正极片的长度及宽度、正极片的总层数；还包含电池单体层级的几何信息，具体地：壳体的厚度、极耳的尺寸与位置、极柱的尺寸与位置、极柱底座的尺寸与位置、顶盖的厚度、顶盖下方绝缘板的厚度、连接片的尺寸与位置；设计信息包含正极与负极的面密度与压实密度；电化学物性参数包含：正极与负极的最大嵌锂浓度、活性颗粒半径、固相扩散系数、活性比表面积、速率常数、曲折系数、SOC范围、平衡电位、熵热系数、电导率，电解液的液相扩散系数、离子迁移数、电导率、活度系数，隔膜的孔隙率；热物性参数包含：电池的密度、比热容、热导率。实验数据包含：1C充放电的电流、电压、温度数据。
[0014]进一步的，所述步骤（2）中的电化学
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热耦合模型，主要是在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块建立一维的电化学模型，利用固体传热模块建立三维的热模型；其中电化学模型与热模型间的耦合是：通过设置两个变量Qh与 T，并在模型输入参数中调用这两个变量，来实现电化学模型与热模型间参数的实时传递，所述Qh指电化学模型的产热，所述 T指热模型的温度；具体的参数传递方式为：将电化学模型计算的产热Qh反馈到热模型中，作为热模型的热源输入；将热模型计算的温度T反馈到电化学模型中，作为电化学模型的温度输入；这样，热模型的热源是实时变化的，电化学模型的温度也是实时变化的，即电化学模型考虑了温度的影响，而温度是依据电化学模型计算的产热由热模型计算得到的，可提高电化学
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热耦合模型的精度。
[0015]进一步的，所述步骤（3）修正方式包括：（3
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1）工况与探针的设置：利用步骤（2）建立的电化学
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热耦合模型，在电化学模型中设置与实验电池一致的工况；根据实验电池监测温度，监测位置为电池外表面大面的中心点，在热模型中设置2个域点探针，分别为探针1和探针2，并监测此两点处的温度，探针1的点选择电池外表面大面的中心点，其与实验电池的监测位置一致，探针2的点选择电芯内部的几何中心点；（3
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2）工况的计算与结果的处理：进行计算，计算完后，处理仿真结果数据，分别绘制1C充电与1C放电的电压
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容量曲线，并绘制探针1与2的温度曲线；（3
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3）对比实验曲线，调整模型参数，继续计算：把仿真结果的1C充电与1C放电的电压
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容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压
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容量曲线进行对比，根据仿真曲线与实验曲线的吻合度，对电化学模型的一些关键物性参数进行调整；
把仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线进行对比，对热模型的一些关键物性参数进行调整，之后进行计算；如此重复此过程，直到仿真结果的1C充电与1C放电的电压
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容量曲线，与实验电池的1C充电与1C放电的电压
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容量曲线的吻合度良好，且仿真结果探针1的温度曲线与实验的温度曲线的吻合度良好时为止；至此，完成电化学
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热耦合模型的修正。
[0016]进一步的，所述步骤（4）中，从电池结构方面降低电池的温升，主要是从热模型几何的角度出发，即从电池单体的几何构造出发，结合传热学的知识，分析电池内部温度高的原因，进而提出解决方案；分析方式为：由于电池的卷芯与壳体之间有缝隙，在仿真中，此部分的热模型几何被赋予空气，在完成修正电化学热耦合模型后，通过观察1C充放电曲线及温升分布可知，此部分的空气的导热性能很差，使得卷芯向壳体的传热受阻；由此可知，电池内部温度高的原因分为两种，一方面在于电池的产热高，另一方面在于电池的传热受阻；具体的解决方案，这里从提高电池的传热出发，电池的卷芯与壳体之间有缝隙，导致卷芯的热量向壳体的传递受阻，解决方案是在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料，消除卷芯与壳体之间的缝隙，这样就提高了卷芯热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）搜集实验电池的信息 实验电池的信息，包括几何信息、设计信息、电化学物性参数、热物性参数、实验数据；（2）建立实验电池的电化学
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热耦合模型在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块与固体传热模块，建立实验电池的电化学
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热耦合模型；其中，电化学模型是一维模型，热模型是三维模型；（3）修正电化学
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热耦合模型利用实验电池的1C充放电曲线及温升曲线，修正电化学
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热耦合模型；（4）用步骤（3）修正后的电化学
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热耦合模型进行研究，从电池结构方面降低电池的温升;用步骤（3）修正后的电化学
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热耦合模型，从电池结构方面降低电池的温升，具体地：在卷芯入壳之前，在卷芯外面包裹一层导热性能良好的绝缘材料。2.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于：所述步骤（1）中，几何信息包含电芯层级的几何信息，具体地：铜箔的厚度、负极单面涂层的厚度、隔膜的厚度、正极单面涂层的厚度、铝箔的厚度、正极片的长度及宽度、正极片的总层数；还包含电池单体层级的几何信息，具体地：壳体的厚度、极耳的尺寸与位置、极柱的尺寸与位置、极柱底座的尺寸与位置、顶盖的厚度、顶盖下方绝缘板的厚度、连接片的尺寸与位置；设计信息包含正极与负极的面密度与压实密度；电化学物性参数包含：正极与负极的最大嵌锂浓度、活性颗粒半径、固相扩散系数、活性比表面积、速率常数、曲折系数、SOC范围、平衡电位、熵热系数、电导率，电解液的液相扩散系数、离子迁移数、电导率、活度系数，隔膜的孔隙率；热物性参数包含：电池的密度、比热容、热导率；实验数据包含：1C充放电的电流、电压、温度数据。3.根据权利要求1所述的基于电化学热耦合模型从电池结构方面降低电池温升方法，其特征在于：所述步骤（2）中的电化学
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热耦合模型，主要是在comsol multiphysics5.6中，利用锂离子电池模块建立一维的电化学模型，利用固体传热模块建立三维的热模型；其中电化学模型与热模型间的耦合是：通过设置两个变量Qh与 T，并在模型输入参数中调用这两个变量，来实现电化学模型与热模型间参数的实时传递，所述Qh指电化学模型的产热，所述 T指热模型的温度；具体的参数传递方式为：将电化学模型计算的产热Qh反馈到热模型中，作为热模型的热源输入；将热模型计算的温度T反馈到电化学模型中，作为电化学模型的温度输入；这样，热模型的热源是实时变化的，电化学模型的温度也是实时变化的，即电化学模型考虑了温度的影响，而温度是依据电化...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴风霞，于维珂，
申请(专利权)人：上海电气国轩新能源科技南通有限公司，
类型：发明
国别省市：