[發(fā)明專利]一種手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611215683.8
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106599508A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段冀淵;嚴(yán)波;楊榮靜;繆文彬;李計融;張琳;王濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中華人民共和國上海出入境檢驗檢疫局
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海麥其知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)31257
• 代理人: 董紅曼

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池?zé)崾Э氐念A(yù)測技術(shù)，尤其涉及一種手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)測方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池在手機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用，方便人們的日常生活的同時，其安全性能越來越受到廣泛關(guān)注。目前商品化的鋰離子電池大多使用易燃的有機(jī)電解液，具有潛在的危險性，如：可燃性、易燃性和可爆炸性。常見的手機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在設(shè)計或者制造中，如果存在一些潛在的結(jié)構(gòu)缺陷，就可能造成嚴(yán)重的安全事故，即使是小的手機(jī)電池也可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。除了鋰離子電池自身的因素之外，如果手機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇可能導(dǎo)致手機(jī)運行中產(chǎn)生大量的熱量，并且熱量不能順利地向環(huán)境釋放，特別是在搭配大容量大功率鋰離子電池的智能手機(jī)運行時，長時間運行某些應(yīng)用程序致使CPU溫度升高較快。而當(dāng)CPU等發(fā)熱元器件離鋰離子電池很近時，CPU的高溫加上鋰離子電池的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)放熱，可能導(dǎo)致在手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э兀虼耸謾C(jī)爆炸事件時有發(fā)生。鋰離子電池?zé)崾Э貙?dǎo)致手機(jī)報廢甚至爆炸，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會浪費，威脅人的生命財產(chǎn)安全。

通過常規(guī)的實驗檢測鋰離子電池安全性能的方法與鋰離子電池在手機(jī)中的實際運行環(huán)境脫鉤，并且手機(jī)運行時隨機(jī)產(chǎn)生的CPU局部高溫引起鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)連鎖發(fā)生的現(xiàn)象很難通過實驗來檢測，并且只有在手機(jī)完成設(shè)計、生產(chǎn)、組裝之后才能進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)存在鋰離子電池的安全隱患則會需要修改設(shè)計、生產(chǎn)，浪費人力、財力、物力和時間。采用數(shù)值仿真的方法可以在設(shè)計過程中對手機(jī)運行的鋰離子電池?zé)崾Э貑栴}進(jìn)行預(yù)測，盡可能避免存在的安全隱患，能大大提高設(shè)計效率，節(jié)約企業(yè)成本，縮短上市時間，提高手機(jī)運行時的鋰離子電池安全性。且傳統(tǒng)上簡單地將鋰離子電池看作一個電阻來預(yù)測手機(jī)內(nèi)部的傳熱方法是不合理的，因為鋰離子電池的電阻是不斷變化的，而且導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生的直接原因可能是鋰離子內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。

鋰離子電池發(fā)生熱失控的環(huán)境因素是手機(jī)運行時局部溫度高，并且不能順利降溫。局部高溫會導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生連鎖反應(yīng)，如SEI(solid electrolyte interface)分解、陰極/電解質(zhì)反應(yīng)、電解質(zhì)分解反應(yīng)、陽極分解反應(yīng)、陽極/電解質(zhì)反應(yīng)等。大量放熱的化學(xué)反應(yīng)又能導(dǎo)致鋰離子電池的溫度迅速升高，甚至起火、爆炸。

因此，為了能夠提前預(yù)測手機(jī)運行過程中可能發(fā)生的鋰離子電池發(fā)熱失控行為，本發(fā)明提出了一種預(yù)測方法。本發(fā)明預(yù)測方法基于鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，并且依據(jù)在各種反應(yīng)發(fā)生在特定的溫度范圍內(nèi)對發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行建模和數(shù)值仿真，來預(yù)測手機(jī)運行時預(yù)測鋰離子電池可能的熱失控行為。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明在在手機(jī)設(shè)計時即可預(yù)測手機(jī)運行時可能發(fā)生的鋰離子電池?zé)崾Э匦袨椋岢隽艘环N手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)測方法。

本發(fā)明提出的所述手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)測方法中，包括如下步驟：

步驟一：建立包含鋰離子電池的手機(jī)幾何物理模型，劃分所述幾何物理模型的有限元網(wǎng)格，定義手機(jī)內(nèi)各組成部分的材料屬性；

步驟二：建立鋰離子電池充放電的數(shù)學(xué)物理模型、鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型及手機(jī)傳熱模型；

步驟三：基于所述鋰離子電池充放電的數(shù)學(xué)物理模型和所述鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型，采用有限元法仿真手機(jī)運行時鋰離子電池充放電過程及鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)過程；

步驟四：基于所述手機(jī)傳熱模型，采用有限元法仿真手機(jī)運行時內(nèi)部元器件、鋰離子電池充放電和鋰離子電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)熱作為熱源時的手機(jī)傳熱過程；

步驟五：預(yù)測鋰離子電池?zé)崾Э剡^程；

其中，所述鋰離子電池充放電的數(shù)學(xué)物理模型包括電荷守恒方程、質(zhì)量守恒方程和電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方程；鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型包括SEI分解反應(yīng)、陰極材料與電解質(zhì)反應(yīng)、陽極材料與電解質(zhì)反應(yīng)和電解質(zhì)分解反應(yīng)產(chǎn)熱模型；手機(jī)傳熱模型中的熱源包括：鋰離子電池充放電產(chǎn)熱、鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱、手機(jī)元器件產(chǎn)熱。本發(fā)明提出的鋰離子電池充放電模型和化學(xué)反應(yīng)模型能預(yù)測手機(jī)內(nèi)的鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生的熱量，并能以此為熱源來預(yù)測手機(jī)的傳熱、溫度分布，從而科學(xué)地預(yù)測手機(jī)內(nèi)鋰離子電池的熱失控現(xiàn)象

本發(fā)明提出的所述手機(jī)運行時的鋰離子電池?zé)崾Э仡A(yù)測方法中，在電解質(zhì)中，正、負(fù)離子為導(dǎo)電電荷，且電解質(zhì)溶液為濃溶液，所述電荷守恒模型以如下公式(1)表示：