一种三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法与流程

1.本发明属于电池生产制造的技术领域，具体涉及一种三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法。


背景技术：

2.如今，各国都在大力发展绿色、高效二次电池。锂离子电池作为一种新型二次电池，具有能量密度和功率密度大、工作电压高、重量轻、体积小、循环寿命长、安全性好、绿色环保等优点，在便携式电器、电动工具、大型贮能、电动交通动力电源等方面具有广阔的应用前景。电芯在电动汽车、3c等产业应用广泛，产品开发迭代速度很快，通过仿真方法来加速产品开发已经是越来越普遍。温升作为影响电芯安全的重要因子，对电芯温升预测仿真很重要。
3.但当前的仿真基本均为一维电化学和三维热耦合，只能用于常规结构的仿真，兼容性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供一种三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法，能够兼容更多的电芯结构的热仿真，有助于降低仿真成本。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法，包括步骤一、预设电芯结构设计参数和电芯使用的材料体系；步骤二、基于电芯结构尺寸，绘制三维电化学模型，并添加锂离子电池物理场；步骤三、绘制三维热模型，添加固体和流体传热物理场；步骤四、物理场耦合；步骤五、计算并整理结果。
7.优选的，所述步骤一中，所述电芯结构设计参数包括涂层厚度、集流体厚度、涂布长度、极耳位置、电芯长宽厚。
8.优选的，所述步骤一中，所述电芯使用的材料体系包括正负极材料、集流体材料、极耳材料、电解液材料。
9.优选的，所述步骤三中，热模型包括电芯和周围环境。
10.优选的，所述步骤三中，采用固体和流体传热物理场，根据电芯设计情况定义散热方式。
11.优选的，所述三维化学模型沿厚度方向依次为正极集流体、正极短膜面、隔膜、负极短膜面、负极集流体、负极长膜面、隔膜、正极长膜面、正极集流体。
12.优选的，所述三维电化学模型基于newman模型。
13.本发明的有益效果在于，本发明包括步骤一、预设电芯结构设计参数和电芯使用的材料体系；步骤二、基于电芯结构尺寸，绘制三维电化学模型，并添加锂离子电池物理场；步骤三、绘制三维热模型，添加固体和流体传热物理场；步骤四、物理场耦合；步骤五、计算并整理结果。由于当前的仿真基本均为一维电化学和三维热耦合，只能用于常规结构的仿
真，兼容性较差，因此，根据电芯结构尺寸，绘制三维电化学模型，三维电化学模型参照电芯极片设计，分别将正负极活性物质的双面活性物质考虑成长膜面和短膜面，热模型考虑到真实的电芯散热和计算量，基于电芯设计将裸电芯绘制成一个整体，热模型包括电芯和周围环境，电芯包括裸电芯和极耳，周围环境即为散热材料，不同的环境温度和场景散热系数不同，影响散热，电芯温升为电芯产热和散热之差，故考虑环境影响，解决现有的模型只能用于极耳前置结构的问题，可应用于更多的电芯结构的热仿真，如极耳中置结构和多极耳结构。本发明能够兼容更多的电芯结构的热仿真，有助于降低仿真成本。
附图说明
14.下面将参考附图来描述本发明示例性实施方式的特征、优点和技术效果。
15.图1为本发明的电芯模型图。
16.图2为本发明的防震结构示意图。
17.其中，附图标记说明如下：
18.1-正极集流体；
19.2-正极短膜面；
20.3-隔膜；
21.4-负极短膜面；
22.5-负极集流体；
23.6-负极长膜面；
24.7-正极长膜面。
具体实施方式
25.如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决技术问题，基本达到技术效果。
26.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.以下结合附图1～2对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
29.三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法，包括：
30.步骤一、预设电芯结构设计参数和电芯使用的材料体系；
31.步骤二、基于电芯结构尺寸，绘制三维电化学模型，并添加锂离子电池物理场；
32.步骤三、绘制三维热模型，添加固体和流体传热物理场；
33.步骤四、物理场耦合；
34.步骤五、计算并整理结果。
35.需要说明的是：由于当前的仿真基本均为一维电化学和三维热耦合，只能用于常规结构的仿真，兼容性较差，因此，根据电芯结构尺寸，绘制三维电化学模型，三维电化学模型参照电芯极片设计，分别将正负极活性物质的双面活性物质考虑成长膜面和短膜面，热模型考虑到真实的电芯散热和计算量，基于电芯设计将裸电芯绘制成一个整体，热模型包括电芯和周围环境，电芯包括裸电芯和极耳，周围环境即为散热材料，不同的环境温度和场景散热系数不同，影响散热，电芯温升为电芯产热和散热之差，故考虑环境影响，解决现有的模型只能用于极耳前置结构的问题，可应用于更多的电芯结构的热仿真，如极耳中置结构和多极耳结构。
36.其中，因为实际电芯为双面涂布且是卷绕式结构，故正负极活性物质都是双面，即长膜面和短膜面，根据电芯实际尺寸构建的三维电化学模型，是实际电芯极片设计图。
37.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，步骤一中，电芯结构设计参数包括涂层厚度、集流体厚度、涂布长度、极耳位置、电芯长宽厚，但本发明不以此为限，还可以是其他电芯结构设计参数。
38.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，步骤一中，电芯使用的材料体系包括正负极材料、集流体材料、极耳材料、电解液材料。
39.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，步骤三中，热模型包括电芯和周围环境。具体的，电芯包括裸电芯和正负极耳，周围环境即为散热材料，不同的环境温度和场景散热系数不同，影响散热，电芯温升为电芯产热和散热之差，故考虑环境影响，
40.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，步骤三中，采用固体和流体传热物理场，根据电芯设计情况定义散热方式。
41.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，三维化学模型沿厚度方向依次为正极集流体1、正极短膜面2、隔膜3、负极短膜面4、负极集流体5、负极长膜面6、隔膜3、正极长膜面7、正极集流体1。具体沿厚度方向设计为正极集流体1/2(正极极耳1/2)、正极短膜面、隔膜、负极短膜面、负极集流体(负极极耳)、负极长膜面、隔膜、正极长膜面、正极集流体1/2(正极极耳1/2)。
42.在根据本发明的三维电化学和三维热耦合的仿真建模方法中，三维电化学模型基于newman模型。
43.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。