三维电化学-三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法技术

本申请实施例提出了一种三维电化学

【技术实现步骤摘要】
三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法


[0001]本申请提出了一种数据处理方法，特别是指三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法。

技术介绍

[0002]数学建模就是根据实际问题来建立数学模型，对数学模型来进行求解，然后根据结果去解决实际问题。当需要从定量的角度分析和研究一个实际问题时，人们就要在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上，用数学的符号和语言作表述来建立数学模型。
[0003]电能无疑是人类生活工作不可或缺的能源。在长期大规模工程应用实践中发现，电池参数不一致性引起的发热不均问题会导致同一储能电站预制舱内的电池可能存在温度差；在不良的通风或降温条件下，电池参数的不一致性会进一步加剧电池之间的温度差异，严重时可能导致电池热失控。电池参数不一致性这一现象严重了影响了电池的寿命，提高了储能电站的维护难度，降低了储能电池和电站的安全性。
[0004]如果能够很好地发现的储能电池的发热原因和特性，可有助于降低电池使用中的发热程度，从根本上解决电池预制舱内的温度分布不均的问题；进而提高储能电站运维能力，实现储能电站长期稳定安全运行。现有技术中提出了采用数学建模的方式模拟储能电池的方法，从而可以很好地采用数学的方式模拟出储能电池，从而确定出储能电池的发热情况等问题。
[0005]中国专利公开号CN110457742A、申请日为2019
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06
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26、名称为《叠片式锂离子电池的电化学
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热
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结构耦合多尺度建模方法》的中国专利申请，这一技术方案在锂离子电池经典电化学准二维模型的基础上，引入电池在使用中电化学反应所产生的热量，同时采用三维集总参数热模型模拟电池循环过程中的温度变化，实现电化学模型和热模型的耦合，并将这一模型用于电池热管理系统(BTM)的单体温度的估计与预测。其中，图1为三种物理场及其耦合逻辑，图2为三种物理场中各自变量的耦合关系。为方便说明，上面的介绍中忽略应力场。但是这种方案使用的准二维电化学模型是假定电池电化学单元的所有状态量(如锂离子浓度、电压电流、产热速率)在垂直于厚度的方向上是处处相等的；在物理场耦合时，热模型中的电芯部分的产热量也处处相等。这种模型无法正确反映电池内部不同位置上的产热率分布差异。
[0006]中国专利公开号CN112883610A、申请日为2021
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02
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04、名称为《叠片式锂离子电池的电化学
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热
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结构耦合多尺度建模方法》的中国专利申请，这一技术方案首先分布构建电池单元的三维电化学场模型和整个电池(由多个电池单元堆叠而成)的三维热场模型，在计算时将电化学模型中，电池单元的三维生热速率映射到热模型中的所有电池单元中，即通过映射、阵列的方式实现产热速率从电化学模型到热模型的耦合。相比于技术一，这一方案在仿真计算中体现了热模型中产热速率的差异分布，温度仿真的准确率也会上升。但是该中国专利申请是使用三维热模型，其几何结构是由多个三维电化学模型的几何结构组成
的，但三维电化学模型在几何上最显著的特征是电化学单元的厚度(10μm到100μm不等)远小于长度和宽度(单位在厘米量级)。用这种几何结构堆叠出的电池几何结构，其在厚度方向上将会出现密集的电池层。热模型采用这样的几何结构，在电池厚度方向上绘制的网格数量会非常多，但温度场在厚度方向上的梯度并不大，因此会造成计算资源的浪费。此外，在电池部分采用密集的网格，对热模型的拓展十分不利，模型将难以与流体场等散热环境进行耦合，因为电池部分繁杂的网格将会导致整个模型的网格数目急剧增长。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，能够对储能电池进行数学建模以更为精确的模拟储能电池，从而提高储能电池热模型的网格质量。
[0008]为了达到上述目的，本申请实施例提出了一种三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，包括：
[0009]步骤1、确定待建模的电池的电池参数；其中电池参数包括电池的几何参数、电化学参数、热学参数；
[0010]步骤2、根据电池的电化学参数，建立待建模电池的电化学模型；其中所述电化学模型包括电荷守恒子模型、质量守恒子模型、电极动力学子模型、能量守恒子模型；
[0011]步骤3、根据电池的热学参数，建立待建模电池的热模型；
[0012]步骤4、通过三维模型将通过电化学模型和热模型耦合；其中所述电化学模型输出的产热速率被输入到所述热模型，以模拟电化学过程会产生热量改变电池的温度；所述热模型输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中的物理量；其中所述电化学模型计算电池的产热速率，然后将产热速率为热模型的热源，计算出电池内部温度场；电化学模型该热模型输出的温度调整电化学参数，以实现了电化学模型和热模型耦合。
[0013]进一步的，所述电池为方形电池。
[0014]进一步的，所述电化学过程中的物理量包括以下的至少一种：电导率、扩散系数、反应速率。
[0015]进一步的，所述电化学模型计算电池的产热速率，然后将产热速率为热模型的热源，计算出电池内部温度场，包括：
[0016]沿电池厚度方向对电化学模型的产热速率进行积分，并求取平均值，得到二维的产热速率平面；
[0017]将二维的产热速率平面输入到热模型中，作为热模型的热源项，这样就完成了产热速率从电化学模型到热模型的耦合。
[0018]进一步的，所述热模型输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中的物理量，包括：
[0019]沿电池厚度方向对热模型的温度进行积分，并求取平均值，得到二维的温度分布平面；
[0020]将二维的温度分布平面输入到电化学模型中，作为电化学模型的温度项，这样就完成了产热速率从电化学模型到热模型的耦合。进一步的，所述电荷守恒子模型包括：
[0021]作用于电池整体的模型：其中i1是固相电流密度矢量；i2是液相电流密度矢量；为对矢量求散度；
[0022]作用于正负极集流体、正负极电极材料的固相模型：其中σ1是固相电导率，Φ1是固相电势；
[0023]作用于正负极电极材料、隔膜的液相模型：
[0024]其中σ2是电解液液相电导率；Φ2是液相电势；R是通用气体常数；T是热力学温度；F是法拉第常数；t
+
是电解质溶液中锂离子迁移数；c2是电解质溶液浓度；
[0025]作用于正负极电极材料的模型：其中S
a
是多孔电极比表面积；j
n
是固液相交界面处的局部电流密度。
[0026]进一步的，所述质量守恒子模型包括：
[0027]作用于正负极电极材料的固相模型：其中c1是电极固相锂离子浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，包括：步骤1、确定待建模的电池的电池参数；其中电池参数包括电池的几何参数、电化学参数、热学参数；步骤2、根据电池的电化学参数，建立待建模电池的电化学模型；其中所述电化学模型包括电荷守恒子模型、质量守恒子模型、电极动力学子模型、能量守恒子模型；步骤3、根据电池的热学参数，建立待建模电池的热模型；步骤4、通过三维模型将通过电化学模型和热模型耦合；其中所述电化学模型输出的产热速率被输入到所述热模型，以模拟电化学过程会产生热量改变电池的温度；所述热模型输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中的物理量；其中所述电化学模型计算电池的产热速率，然后将产热速率为热模型的热源，计算出电池内部温度场；电化学模型该热模型输出的温度调整电化学参数，以实现了电化学模型和热模型耦合。2.根据权利要求1所述的三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，所述电池为方形电池。3.根据权利要求1所述的三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，所述电化学过程中的物理量包括以下的至少一种：电导率、扩散系数、反应速率。4.根据权利要求1所述的三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，所述电化学模型计算电池的产热速率，然后将产热速率为热模型的热源，计算出电池内部温度场，包括：沿电池厚度方向对电化学模型的产热速率进行积分，并求取平均值，得到二维的产热速率平面；将二维的产热速率平面输入到热模型中，作为热模型的热源项，这样就完成了产热速率从电化学模型到热模型的耦合。5.根据权利要求1所述的三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，所述热模型输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中的物理量，包括：沿电池厚度方向对热模型的温度进行积分，并求取平均值，得到二维的温度分布平面；将二维的温度分布平面输入到电化学模型中，作为电化学模型的温度项，这样就完成了产热速率从电化学模型到热模型的耦合。6.根据权利要求1所述的三维电化学
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三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法，其特征在于，所述电荷守恒子模型包括：作用于电池整体的模型：其中i1是固相电流密度矢量；i2是液相电流密度矢量；为对矢量求散度；作用于正负极集流体、正负极电极材料的固相模型：其中σ1是固相电导率，Φ1是固相电势；作用于正负极电极材料、隔膜的液相模型：其中σ2是电解液液相电导率；Φ2是液相电势；R是通用气体常数；T是热力学温度；F是法拉第常数；t
+
是电解质溶液中锂离子迁移数；c2是电解
...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊功成，王楠，周喜超，李振，郝添翼，李雅泊，张凯，杨智鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：