一种基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法及系统与流程

本发明涉及锂离子电池，特别涉及一种基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法及系统。

背景技术：

1、锂离子电池在生产过程中，注液（电解液注入）是关键工序之一。电解液在正负极极片、隔膜等多孔介质中的浸润效果，直接决定了后续化成工艺的效率以及电池最终的容量、内阻和循环寿命。注液后、化成前，电芯正负极端子间可测量到一个微小的端电压（通常为数十至二百毫伏量级），该电压源于电解液与电极材料接触后自发形成的电化学势差，其数值大小与电解液对电极多孔结构的浸润程度密切相关。若浸润不良（如电极内部存在干区或气泡），该微小电压将偏离正常范围，进而导致化成时局部电流密度不均、析锂甚至短路。因此，如何准确预测化成前的这一微小端电压（ocv），成为锂离子电池制造领域的重要技术问题。

2、电解液浸润性的检测与评估是锂离子电池制造领域长期关注的技术问题。国内外学者和企业对此进行了大量研究，按技术发展脉络可大致归为电参数测试法、超声波检测法、电压监测法、电化学阻抗谱法及图像分析法等几类技术路线。

3、在电参数测试法方面，通过测量正负极间电容值来估计电解液润湿性的方法，在注液后预定时间点测量电容值，通过电容变化推断浸润程度。此后，虽然出现了在电参数测试法基础上进行了改进的测试方法。这类方法能够在注液后获得定量的电参数响应，但其测量结果为离散时间点的数据，难以获得浸润过程的连续演化信息，且电容值与浸润程度之间的定量关系缺乏明确的物理模型支撑，本质上仍属于经验性测量方法。而超声波检测法为浸润性评估提供了另一种物理视角。通过超声波在电池内部的反射与透射特征判断电解液分布的均匀性及浸润效果。该方法能够获得浸润的空间分布信息，但依赖专用超声扫描设备、成本较高，且对软包电池以外的电芯结构（如方壳、圆柱）适应性有限，更适用于定性判断浸润均匀性而难以定量预测电化学性能参数。电压监测法近年来受到广泛关注。

4、此后，又出现了在注液后静置浸润过程中以固定时间间隔测试电池电压，绘制电压-时间曲线，通过电压差值变化判定浸润性，当电压差值不超过40mv时认为浸润良好。该方法简单快捷、无需额外设备、可实现无损检测。需要指出的是，该方法所测量的电压正是电芯注液后、化成前、未经充放电状态下正负极端子间的微小端电压（通常为数十至二百毫伏量级），其物理来源是电解液与电极材料接触后自发形成的电化学势差，而非传统意义上的充放电后开路电压。其他的还有，通过实验手段实时监测注液过程中这一微小电压的变化，建立了其与浸润程度的经验关联。然而，这类电压监测法本质上属于实验归纳法，必须基于已制得的物理电芯进行测试，通过大量实验数据归纳出经验阈值（如40mv），无法在设计阶段对新体系进行预测，且经验阈值是否适用于不同材料体系缺乏系统验证。

5、上述各类方法虽然在电解液浸润性检测方面各有贡献，但共同面临根本性局限：均需基于物理电芯样品进行测试，无法在电芯设计阶段对尚未生产的体系进行浸润行为及ocv预测，导致“设计-制样-测试”循环周期长、成本高。

6、因此，现有技术仍缺乏一种能够在无需物理样品的条件下，定量预测电芯化成前的端电压的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法及系统，旨在解决现有技术中的电芯化成前的端电压预测需要基于物理电芯样品进行测试的导致生产周期长、成本高的问题。

2、本发明实施例是这样实现的：

3、一种基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，所述方法包括：

4、基于待测电芯的正极极片以及负极极片的微观结构参数，建立包含活性颗粒、孔隙相和粘结剂相的三维多孔介质模型；

5、通过格子玻尔兹曼方法仿真模拟电解液在三维多孔介质模型中的浸润过程，基于仿真模拟的结果提取关键参数，其中，关键参数包括饱和度曲线、迂曲度及有效离子电导率；

6、将提取的关键参数输入预先构建的宏观电化学模型当中，其中，以迂曲度及有效离子电导率作为输入参数替代宏观电化学模型的经验常数，并将极片沿厚度方向离散化；

7、在宏观电化学模型中设置零电流边界条件，求解固相电势的空间分布得到正极集流体以及负极集流体固相电势，基于正极集流体以及负极集流体固相电势的电势差得到电芯化成前的端电压。

8、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，有效离子电导率的计算公式为：

9、；

10、其中，为有效离子电导率，为体相电解液电导率，为迂曲度，为饱和度曲线，为饱和度指数。

11、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，所述在宏观电化学模型中设置零电流边界条件，求解固相电势的空间分布得到正极集流体以及负极集流体固相电势的步骤包括：

12、将沿极片厚度方向离散后的正极极片、负极极片分别划分为多层串联的电化学微元，将格子玻尔兹曼仿真提取的、对应极片不同厚度位置的迂曲度与有效离子电导率参数逐位映射赋值至各层电化学微元，形成沿极片厚度方向非均匀分布的电化学参数阵列；

13、基于电荷守恒定律与电极固相电势平衡关系，结合各电化学微元的非均匀电化学参数阵列，构建考虑电解液浸润空间不均匀性的固相电势控制方程，在正、负极集流体的外端面分别设置零电流边界条件，在相邻电化学微元的界面设置电势与电流密度连续的内边界条件；

14、对固相电势控制方程进行数值迭代求解，获取极片厚度方向上的固相电势全场分布结果，分别提取正极集流体与负极集流体对应位置的稳态固相电势值。

15、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，所述对固相电势控制方程进行数值迭代求解的步骤包括：

16、采用有限差分法对固相电势控制方程进行空间离散处理，通过python编写的p2d求解器完成迭代运算求解；或者

17、基于扩展格子玻尔兹曼方法构建宏观孔隙尺度的电化学-流体耦合模型，在该耦合模型的统一数值框架下完成固相电势控制方程的同步迭代求解；或者

18、通过具备电化学数值计算模块的商业仿真软件构建宏观孔隙尺度的电化学-流体耦合模型，调用软件内置的迭代求解器完成固相电势控制方程的数值求解。

19、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，所述通过格子玻尔兹曼方法仿真模拟电解液在三维多孔介质模型中的浸润过程的步骤包括：

20、采用多相流格子玻尔兹曼模型模拟电解液浸润过程中的气-液两相驱替，多相流格子玻尔兹曼模型采用伪势模型或颜色梯度模型；

21、其中，多相流格子玻尔兹曼模型的仿真边界条件具体设置为：入口采用恒压注液或恒流量注液模式，出口设置为大气压以实现气体排出，壁面设置为非润湿边界或部分润湿边界。

22、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，所述基于正极集流体以及负极集流体固相电势得到电芯化成前的端电压的步骤之后还包括：

23、判断电芯化成前的端电压是否处于预设的阈值范围内；

24、当判断到电芯化成前的端电压处于预设的端电压阈值范围内，判定电芯浸润合格。

25、进一步的，上述基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测方法，其中，所述预设的端电压阈值范围的确定步骤包括：

26、获取不同的电芯的设计参数下电芯浸润完全后的稳定端电压值；

27、依据电芯的生产质量标准，反推电芯的最小电解液饱和度，结合端电压值的演化曲线，对应读取得到端电压值下限阈值；

28、将端电压值与端电压值下限阈值限定的范围作为对应电芯的预设的端电压阈值范围；

29、对多个不同的电芯和对应的预设的端电压阈值范围进行对应的存储，构建端电压阈值范围数据库，当需要获取端电压阈值范围时，基于不同的电芯在端电压阈值范围数据库查找出对应的端电压阈值范围。

30、本发明的另一个目的在于提供一种基于格子玻尔兹曼仿真的电芯端电压预测系统，其特征在于，所述系统包括：

31、建立模块，用于基于待测电芯的正极极片以及负极极片的微观结构参数，建立包含活性颗粒、孔隙相和粘结剂相的三维多孔介质模型；

32、仿真模块，用于通过格子玻尔兹曼方法仿真模拟电解液在三维多孔介质模型中的浸润过程，基于仿真模拟的结果提取关键参数，其中，关键参数包括饱和度曲线、迂曲度及有效离子电导率；

33、输入模块，用于将提取的关键参数输入预先构建的宏观电化学模型当中，其中，以迂曲度及有效离子电导率作为输入参数替代宏观电化学模型的经验常数，并将极片沿厚度方向离散化；

34、预测模块，用于在宏观电化学模型中设置零电流边界条件，求解固相电势的空间分布得到正极集流体以及负极集流体固相电势，基于正极集流体以及负极集流体固相电势得到电芯化成前的端电压。

35、本发明的另一个目的在于提供一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的方法的步骤。

36、本发明的另一个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。

37、本发明通过基于待测电芯正负极极片的微观结构参数，构建包含活性颗粒、孔隙相和粘结剂相的三维多孔介质模型，仅依托设计参数即可还原极片真实微观形貌，无需制备物理电芯样品，从根源上摆脱现有检测方法对实物电芯的依赖。随后，采用格子玻尔兹曼方法仿真模拟电解液在三维多孔介质模型中的浸润过程，连续追踪气液两相驱替的完整演化过程，从仿真结果中提取饱和度曲线、迂曲度及有效离子电导率三类具备明确物理意义的关键参数，替代传统离散时间点的经验性测试数据，为电化学计算提供连续且精准的微观输入。接着，将提取的关键参数输入预先构建的宏观电化学模型，以仿真得到的迂曲度与有效离子电导率替换模型中原有的经验常数，并将极片沿厚度方向离散化，建立孔隙尺度流体行为与电芯尺度电化学响应的定量映射，打通了现有浸润仿真与电化学计算之间的尺度壁垒。最后，在宏观电化学模型中设置匹配化成前工况的零电流边界条件，求解固相电势的空间分布，通过正负极集流体的固相电势差值，定量计算得到电芯化成前的端电压，实现无实物条件下的化成前端电压精准预测。解决了现有技术必须依赖物理电芯测试、无法在电芯设计阶段预测化成前端电压，以及浸润评估缺乏物理模型支撑、定量准确性不足的问题。