Electro-thermal coupling modeling method for space lithium ion storage battery

技术领域

本发明涉及一种用于空间锂离子蓄电池的电-热耦合建模方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着我国航天技术的不断发展，对于能源系统的要求越来越高。作为目前空间储能电源的主力军，进一步提升锂离子电池的能量密度势在必行，但随着能量密度的提升，锂离子电池的循环寿命、安全性能、热特性等面临着极大的挑战。其中，电池的热特性直接影响了锂离子电池的本征安全性以及循环寿命，同时单体的热特性参数也是电池组热管理的关键输入。对于高比能锂离子电池体系，正负极材料锂离子扩散速率慢、极片载量高、导电剂含量低、电池极化大等特点都会很大程度上增大电池产热，劣化电池性能，因此，针对高比能体系的热特性研究是非常重要的研究方向。

传统的锂离子蓄电池单体热特性研究大多采用外部检测的方法，通过各类温度传感器可以表征电池在特定工况下的温度变化，检测结果一般为电池表面的热数据，无法获取电池内部的实际温度场分布。随着近年来多物理场仿真软件的发展与应用，采用有限元方法建立锂离子电池的热模型，可以获取电池内部的温度场分布，但是缺少电性能的对应，模型准确性和适用性较低。针对空间锂离子蓄电池的特殊使用环境，不仅要考虑电池内部的电化学产热，还需加入外部热传导的影响，因此，需要建立一种空间锂离子蓄电池的电-热耦合模型，实现电池放电电压、内部温度场分布、瞬时发热量的仿真计算，为空间用储能蓄电池组和电源分系统的电、热仿真提供重要的研制基础。

中国发明专利申请(公布号CN105206888B)公开了一种锂离子电池内部温度监测方法，通过测试电池内阻及开路电压温度系数等参数，建立了锂离子电池电热耦合模型，将仿真曲线与测试得到的电池在不同环境条件充放电时电池表面的温度变化曲线进行分析对比，优化模型，最终获得了可以对电池内部温度实时监测的电热耦合模型。此方法认为开路电压温度系数是一个定值，并不准确；其次，并未考虑到模型中散热速率参数与试验过程中的环境散热速率值的偏差，会导致最终模型的准确度降低；而且发明中的模型无法获取电池的电化学信息，如电池放电电压、电池内部锂离子浓度分布、电流密度分布等。

中国发明专利申请(公布号CN114184958A)公开了一种考虑热特性的锂离子电池建模方法，通过将建立的锂离子电池二阶RC等效电路模型与基于发热和传热的热模型进行双向耦合，得到了锂离子电池的电热耦合模型。此方法对锂离子电池的内部信息做了很多简化，且无法获取电池的内部温度场分布等信息。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于空间锂离子蓄电池的电-热耦合建模方法，该方法能够消除外部环境热交换对试验数据的影响，模型输入的正、负极电压-温度系数可通过实验获取，同时采用电池充放电电压曲线与表面温度变化曲线双优化的方法，可以显著提升模型的准确性。通过建立的电-热耦合模型可用于计算获取电池内部温度分布、发热量等热参数和电池充放电电压、锂离子浓度分布、电流密度分布等电化学参数的实时信息。

本发明的技术解决方案是：

11、本发明公开了一种用于空间锂离子蓄电池的电-热耦合建模方法，包含以下步骤：

基于电芯单元厚度方向建立一维锂离子电池模型；

基于空间用锂离子蓄电池单体结构建立三维热模型；

在所述一维锂离子电池模型和三维热模型中分别加入平均热源和平均温度的探针及参数，建立电池内部电化学与热特性之间的耦合关系；

设置建模参数，划分网格，根据耦合关系，建立电-热耦合初始模型；

在加速量热仪中测得锂离子蓄电池单体充放电时的电压和表面温度的实验值；

利用电-热耦合初始模型计算得到电池充放电电压曲线和表面温度变化曲线；

将电池充放电电压曲线和表面温度变化曲线与实验值进行对比分析，对所述电-热耦合初始模型进行关键参数的优化修正，获得用于空间锂离子蓄电池的电-热耦合模型。

进一步地，在上述建模方法中，所述在所述一维锂离子电池模型和三维热模型中分别加入平均热源和平均温度的探针及参数，建立电池内部电化学与热特性之间的耦合关系；具体为：

将一维锂离子电池模型中的电化学产热作为三维模型的热源，计算平均温度；

将所述平均温度反馈回一维锂离子电池模型，迭代计算一维锂离子电池模型的电、热特性，实现电-热双向耦合，建立电池内部电化学与热特性之间的耦合关系。

进一步地，在上述建模方法中，所述电-热耦合初始模型，包括变量函数负极平衡电位Eeq_neg和正极平衡电位Eeq_pos。

进一步地，在上述建模方法中，所述变量函数Eeq_neg和Eeq_pos通过将活性物质材料制备成的扣式半电池以充放电电流I进行充放电测试，得到的曲线拟合得到，其中，Eeq_neg和Eeq_pos是关于荷电状态的函数。

进一步地，在上述建模方法中，所述充放电电流I＝C/50～C/20。

进一步地，在上述建模方法中，所述电-热耦合初始模型中的材料参数包括负极电压-温度系数dEeq_neg/dT和正极电压-温度系数dEeq_pos/dT。

进一步地，在上述建模方法中，所述dEeq_neg/dT和dEeq_pos/dT是采用电位滴定法测试得到的关于荷电状态变化的曲线。

进一步地，在上述建模方法中，所述电-热耦合初始模型的边界条件包含锂离子电池的外表面为热绝缘。

所述电-热耦合初始模型中三维热模型的热源为锂离子蓄电池内部的电芯。

进一步地，在上述建模方法中，所述在加速量热仪中测得锂离子蓄电池单体充放电时的电压和表面温度的实验值，具体为：

将连接充放电测试线缆的锂离子蓄电池单体放入加速量热仪中；

锂离子蓄电池单体的表面粘贴热电偶，测试得到锂离子蓄电池单体在绝热环境下充放电时的电压和表面温度的实验值；

获得电池充放电电压曲线A1与表面温度变化曲线B1，曲线A1和B1的横坐标均为时间。

进一步地，在上述建模方法中，所述将电池充放电电压曲线和表面温度变化曲线与实验值进行对比分析，对所述电-热耦合初始模型进行关键参数的优化修正，具体为：采用最小二乘法同时对电-热耦合初始模型计算得到的电池充放电电压曲线A2与表面温度变化曲线B2和实验得到的电池充放电电压曲线A1与表面温度变化曲线B1进行对比分析，对所述电-热耦合初始模型的关键参数进行优化修正。

本发明与现有技术的有益效果在于：

(1)本发明该方法可以消除外部环境热交换对试验数据的影响，提高模型准确性；模型输入的正、负极电压-温度系数可通过实验获取，提高模型准确性；同时，采用了电池充放电电压曲线与表面温度变化曲线双优化的方法，进一步提升模型的准确性。

(2)本发明采用建立的电-热耦合模型可用于反向优化电池设计，降低内部极化和放电产热等；此外，通过在建立的电-热耦合模型中增加外部热环境参数，可用于计算获取空间应用环境和地面试验环境下，电池内部温度分布、产热速率等热参数和电池放电电压、锂离子浓度分布、电流密度分布等电化学参数的实时信息，为空间用储能蓄电池组和电源分系统的电、热仿真提供重要的研制基础。