[發(fā)明專利]一種基于熱-力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910743313.9
• 申請(qǐng)日: 2019-08-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110633496B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王青松;梅文昕;段強(qiáng)領(lǐng);孫金華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C10/00
• 分類號(hào): G16C10/00;G16C20/10
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 鄧治平;賈玉忠

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于熱?力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法，涉及鋰離子電池?zé)崤蛎浐蛻?yīng)力計(jì)算領(lǐng)域，該方法以鋰離子電池三維幾何尺度建立熱膨脹模型，具體步驟如下：(1)選取一種單體電芯，獲取其三維幾何參數(shù)，力學(xué)和熱力學(xué)初始參數(shù)；(2)根據(jù)熱膨脹系數(shù)、溫差及和應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系的耦合機(jī)制，建立三維電芯尺度的熱?力耦合模型；(3)實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池溫度和極耳溫度，進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證；(4)得到電池的溫度分布和沿著x,y,z三個(gè)方向的膨脹位移及應(yīng)力。本發(fā)明為電芯宏觀尺度上的膨脹模型，可為電芯在充放電過(guò)程中的膨脹行為和破裂預(yù)測(cè)提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池?zé)崤蛎浐蛻?yīng)力計(jì)算領(lǐng)域，具體涉及一種基于熱-力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電站的同時(shí)，也出現(xiàn)了較多的安全事故。鋰離子電池在充放電過(guò)程中，尤其在高倍率的充放電過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)局部高溫的現(xiàn)象，而高溫就會(huì)引起熱膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力較大時(shí)，就會(huì)伴隨電極材料的破裂、脫落，以及由于電芯膨脹導(dǎo)致的電芯各部分接觸不良，最終導(dǎo)致內(nèi)阻增大、容量衰減、電池失效，因此對(duì)電池的應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)可以有效地防止電池失效，對(duì)鋰離子電池的安全性提供了保障。

目前傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法較難觀測(cè)到電芯在充放電過(guò)程中的膨脹行為以及進(jìn)行應(yīng)力的預(yù)測(cè)，而在電芯宏觀尺度上的熱膨脹模型由于模型有效性難以檢驗(yàn)和模型建立較困難等因素也研究較少。因此，本發(fā)明打破這二者的局限性，提出了一種基于熱-力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法，首先獲取電芯幾何參數(shù)，力學(xué)和熱力學(xué)相關(guān)參數(shù)，根據(jù)熱膨脹系數(shù)、溫差及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的耦合機(jī)制建立熱-力耦合模型；之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的溫度和極耳溫度進(jìn)行模型有效性的驗(yàn)證，確保了模型的精確性；隨后得到了電芯沿著x,y,z 三個(gè)方向的膨脹位移及應(yīng)力分布。本發(fā)明能夠計(jì)算鋰離子電池在放電過(guò)程中電芯所受的應(yīng)力和溫度，并可觀測(cè)到電芯膨脹行為，可為電芯的膨脹和破裂行為預(yù)測(cè)提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于熱-力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法，通過(guò)建立電芯三維宏觀尺度的熱-力耦合模型，通過(guò)有效地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終得到電芯在放電過(guò)程中的溫度分布，熱應(yīng)力分布以及沿著x,y,z三個(gè)方向的膨脹位移分布，揭示了電芯膨脹現(xiàn)象與溫度之間的關(guān)系。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于熱-力耦合模型的鋰離子電池放電過(guò)程中熱應(yīng)力和溫度的確定方法，包含以下步驟：步驟一，選取一種單體電芯，獲取其三維幾何參數(shù)，力學(xué)和熱力學(xué)初始參數(shù)；步驟二，根據(jù)熱膨脹系數(shù)、溫差及和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的耦合機(jī)制，建立三維電芯尺度的熱-力耦合模型；步驟三，實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池溫度和極耳溫度，進(jìn)行模型的有效性驗(yàn)證；步驟四，得到電池的溫度分布和沿著x,y,z三個(gè)方向的膨脹位移及應(yīng)力。

步驟二中模型為三維電芯尺度的熱-力耦合模型，模型的基本理論包含兩個(gè)方面，(1) 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(2)能量守恒方程。下面敘述模型的建立過(guò)程：

(1)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

將電芯看成一個(gè)各向異性的導(dǎo)熱體和各向同性的線彈性體。其中應(yīng)力和溫度的耦合通過(guò)熱膨脹來(lái)實(shí)現(xiàn)，熱應(yīng)力引起的應(yīng)變與溫度的關(guān)系見(jiàn)式(1)，其中ε_ij為應(yīng)變分量，α為熱膨脹系數(shù)，δ_ij為Dirac delta函數(shù)，當(dāng)i＝j(luò)時(shí)其值為1，否則其值為0，ΔT為溫差，由公式可知，當(dāng)溫差越大時(shí)，應(yīng)變?cè)酱螅虼藷釕?yīng)力也越大。

有熱應(yīng)力存在時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系根據(jù)式(2)表示，

其中σ_ij為應(yīng)力分量，E為楊氏模量，ν為泊松比。

靜水應(yīng)力(σ_h)和von Mises應(yīng)力(σ_v)由式(3)和式(4)給出：