[發明專利]一種正向鋰離子電池內短路熱失控建模方法

有效

• 申請號: 202011311126.2
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112485674B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 劉力碩;馮旭寧;韓雪冰;盧蘭光;歐陽明高
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R31/367
• 分類號: G01R31/367;G01R31/385;G01R31/389;G01R31/52;G01K13/00;G06F30/30
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

1.一種正向鋰離子電池內短路熱失控建模方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

1)任意選定一款待建模的鋰離子電池，測量該電池的質量m和關鍵幾何參數；

基于關鍵幾何參數建立該電池的三維幾何模型，計算該電池電芯的體積V，計算該電池的密度ρ＝m/V；

2)獲取四個與步驟1)選定的電池型號相同且全新的鋰離子電池，將步驟2)獲取的四個鋰離子電池均放電至0V并拆解，然后將得到的四個鋰離子電池卷芯靜置、風干，至電解液完全揮發后，分別在每個卷芯內部制造一種內短路損傷，得到分別對應四種內短路損傷的四個卷芯；其中，所述四種內短路損傷分別為：正極-負極內短路損傷、正極-銅內短路損傷、鋁-負極內短路損傷和鋁-銅內短路損傷；

3)將步驟2)得到的每個卷芯夾緊，并使用直流內阻儀器連接每個卷芯正負極并測量電阻，得到每個卷芯的內短路內阻，分別記為R_ISC1、R_ISC2、R_ISC3、R_ISC4，分別代表四種內短路損傷的內阻；

4)獲取一個與步驟1)選定的電池型號相同且全新的鋰離子電池，對步驟4)獲取的鋰離子電池進行絕熱熱失控測試，記錄測試過程中的步驟4)獲取的鋰離子電池不同時刻的溫度T(t)構成的溫度時間曲線和不同時刻的電壓V(t)構成的電壓時間曲線；

對溫度時間曲線進行分析，計算溫度時間曲線的微分，獲得dT/dt(t)構成的溫升速率曲線，根據溫升速率曲線，獲得步驟4)獲取的鋰離子電池熱失控起始溫度T₁；根據溫度時間曲線獲得熱失控最高溫度T₂；根據電壓時間曲線獲得電池隔膜失效溫度T_s；

進一步，計算步驟4)獲取的鋰離子電池所包含的熱失控化學能：

H_TR＝C_P×m×(T₂-T₁)

其中，C_P是電池的比熱容；

5)獲取一個與步驟1)選定的電池型號相同且全新的鋰離子電池，對步驟5)獲取的鋰離子電池進行常溫充放電測試、混合動力脈沖能力特性測試，并建立步驟5)獲取的鋰離子電池的電模型，計算步驟5)獲取的鋰離子電池使用過程中的端電壓U_t與電流I，

6)在步驟1)建立的三維幾何模型基礎上，建立鋰離子電池的三維熱模型，其中，三維熱模型的電池溫度T分布的控制方程為：

其中，λ_i為電池的導熱系數，下標i＝{x,y,z}分別代表xyz三個導熱方向，Q為電池的生熱速率；

Q＝Q_rev+Q_irr+Q_ISC+Q_TR

其中，Q_rev為電池可逆產熱，Q_irr為電池不可逆產熱，Q_ISC為內短路產熱，Q_TR為熱失控產熱；

其中I為電池電流，T_avg為電池平均溫度，為熵系數；

Q_irr＝I²R₀

其中，R₀為電池的歐姆內阻；

其中，R_ISC為電池短路內阻，R_ISC＝ξ_ISCR_ISCj，R_ISCj由步驟3)獲得，下標j＝{1,2,3,4}分別代表步驟3)的四種內短路損傷；ξ_ISC為內短路系數，

其中，c_TR為熱失控速率，C_TR為熱失控速率參數；

該模型中，邊界條件為即為絕熱邊界條件；

7)在步驟5)建立的電模型基礎上將內短路內阻串聯連接至電模型中的端電壓部分，建立內短路電模型，其中端電壓U_t與電流I的關系為U_t＝IR_ISC；

8)鋰離子電池內短路熱失控模型建立完畢，該模型包括步驟6)建立的三維熱模型和步驟7)建立的內短路電模型；

將設定的鋰離子電池內短路熱失控模型計算步長Δt，初始荷電狀態SOC，電池初始溫度T₀，以及初始短路內阻R_ISC0輸入鋰離子電池內短路熱失控模型，鋰離子電池內短路熱失控模型輸出不同時刻的端電壓U_t(t)構成的端電壓時間曲線及電池不同位置在不同時刻的溫度T(t)構成的溫度時間曲線。