一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法与流程

1.本发明属于新能源汽车安全领域，尤其是涉及一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法。


背景技术：

2.锂离子电池具有高能量密度、低自放电率以及长寿命等特点，因此其作为新能源汽车的动力源而被广泛应用。锂离子电池本身具有不稳定性，因此动力电池在滥用工况下极易发生热失控状况，导致电池包引发热扩散，造成新能源车辆的起火燃烧。为了提高新能源汽车的安全性，各大研究机构针对动力电池热失控及热扩散已经进行了非常深入的研究。目前针对电池热失控尤其是热扩散的研究，大部分是以电池内短路释放的电能以及各组分材料之间发生化学反应释放的能量为对象，分析电池的产热速率，却忽略了电池发生热失控时其他电池对其放电产生的热量。因此，为了提高动力电池热扩散模型的仿真精度，对电池系统进行安全防护性能的优化，进一步提升新能源汽车的安全性，开发一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法是十分必要的。
3.为能够同时分析动力电池热失控及热扩散过程中放电现象与化学反应生热现象对热扩散的影响，实现电池热扩散过程中的电热耦合，本发明提供了一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法。本方法的特点是搭建动力电池等效电路模型和热失控模型，其中等效电路模型模拟动力电池热失控过程中的放电行为，热失控模型模拟动力电池热失控过程中化学反应的生热行为，两个模型的耦合能够同时分析电池热失控过程中放电行为与反应生热行为，大幅提高热失控及热扩散模型的仿真精度，进而对提高动力电池系统的安全性提供技术基础。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法，以解决同时分析动力电池热失控及热扩散过程中放电现象与化学反应生热现象对热扩散的影响，实现电池热扩散过程中的电热耦合的问题。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
6.一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法，包括以下步骤：
7.s1、根据电池电压模块计算公式、电池的荷电状态建立电池等效电路模型；
8.s2、根据电池传热模型公式建立动力电池传热模型，将电路模型中电池的产热量赋予传热模型，将传热模型中的电池温度赋予电路模型，等效电路模型与传热模型耦合；
9.s3、根据生热公式建立动力电池热失控模型，将热失控模型中的产热量赋予传热模型，将传热模型的电池温度赋予热失控模型，热失控模型与的传热模型耦合；
10.s4、基于s2所述的等效电路模型与传热模型的耦合以及s3所述的热失控模型与传热模型的耦合，实现动力电池热失控及热扩散的电热耦合。
11.进一步的，步骤s1中等效电路模型包括：电池电压模块，电池内阻与电池连接极片
的等效电阻模块；
12.电池电压模块的电压计算公式如下：
[0013][0014]
上式中，e
ocv
(soc,t)表示电池在不同soc和温度条件下的开路电压，e
ocv,ref
(soc)表示电池在不同soc条件下的开路电压，表示开路电压的温度导数，t表示电池温度，t
ref
表示参考温度；
[0015]
电池的荷电状态通过安时积分法算得，如下式所示：
[0016][0017]
上式中，soc表示当前电池的荷电状态，soc0表示电池的初始荷电状态，i表示电流，cn表示电池的容量；
[0018]
设电池内阻和电池连接极片的等效电阻为r，根据欧姆定律求得电流i，电流i的公式如下：i＝e
ocv
(soc,t)/r；
[0019]
将电流i代入电池的soc公式中得到当前电流工况下动力电池的soc，将动力电池的soc代入电压模块计算公式中，得到电池在当前soc和温度t情况下的开路电压e
ocv
(soc,t)，依次迭代循环，直到电池soc等于0为止。
[0020]
进一步的，步骤s2中电池传热模型公式如下：
[0021][0022]
上式中，ρ表示电池的平均密度，c
p
表示电池的平均比热容，dt/dt表示电池的温升速率，ρc
p
(dt/dt)为电池的净生热功率；q
gen
表示产热功率，q
dis
表示散热功率；λx、λy、λz分别表示电池在x、y、z方向上的导热系数；分别表示电池在x、y、z方向上的温度梯度。
[0023]
进一步的，等效电路模型与传热模型耦合过程如下：
[0024]
设电池内阻为r，则根据焦耳定律qe＝i2·
r可获得电池内阻的生热功率qe，将电池内阻生热功率qe带入电池传热模型公式中，得到电池实时温度t，将温度t带入电池电压计算公式内，得到当前温度下电池的开路电压e
ocv
(soc,t)，动力电池等效电路与传热模型耦合。
[0025]
进一步的，步骤s3中根据动力电池在热失控过程中会发生化学副反应：sei膜的分解、负极材料与电解液反应、隔膜分解、正极材料分解、电解液分解，得到生热公式：
[0026][0027]
上式中，x分别代表sei膜、负极材料、隔膜、电解液、正极材料，q
x
表示各材料的生热功率，δh
x
表示各反应的反应生成焓，m
x
表示各材料质量，r
x
表示反应速率，c
x
表示各材料
的归一化浓度，a
x
表示各材料反应的指前因子，e
x
表示各材料的活化能，n、a表示反应阶数(一般n＝1,a＝0)，t
x
表示各材料反应的实时温度，g(x)为修正系数，q
x
热失控生热功率。
[0028]
进一步的，步骤s3中热失控模型与的传热模型耦合的过程如下：
[0029]
将热失控生热功率q
x
代入电池传热模型公式中，得到动力电池在热失控过程中实时温度t，将热失控过程中实时温度t代入生热公式中，得到组分材料在当前温度下的反应速率，实现热失控模型与的传热模型耦合。
[0030]
相对于现有技术，本发明所述的一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法具有以下优势：
[0031]
(1)本发明所述的一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法，实现了热扩散模型和电路模型的耦合，能够分析动力电池在热扩散过程中的放电现象，基于此可以分析电流以及soc对电池热扩散的影响，提高热失控及热扩散模型的仿真精度。
[0032]
(2)本发明所述的一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法，可以根据数值计算结果，获得电池连接极片上的产热功率，基于连接极片达到一定温度会发生熔断的特性，选取合适材料作为连接极片，降低电池热扩散过程中的生热功率，减轻热扩散危害，提高动力电池系统的安全性。
附图说明
[0033]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0034]
图1为本发明实施例所述的一种基于电热耦合的动力电池热扩散仿真方法流程图；
[0035]
图2为本发明实施例所述的动力电池等效电路模型示意图；
[0036]
图3为本发明实施例所述的动力电池小模组模型示意图一；
[0037]
图4为本发明实施例所述的动力电池小模组模型示意图二；
[0038]
图5为本发明实施例所述的电池热失控温度变化示意图；
[0039]
图6为本发明实施例所述的电池soc变化示意图；
[0040]
图7为本发明实施例所述的电池热失控某一时刻温度分布云图。
[0041]
附图标记说明：
[0042]
1-电芯一、2-电芯二、3-电芯三、4-电芯四、5-加热片、6-第一组连接极片、7-第二组连接极片、8-第三组连接极片。
具体实施方式
[0043]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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
对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0045]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0046]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0047]
如图1所示，为模拟动力电池系统热扩散过程中放电行为的工作流程，主要包括：1)建立动力电池系统等效电路模型；2)建立动力电池系统传热模型；3)建立动力电池系统热失控扩散模型；分别将等效电路模型与热失控扩散模型和生热模型耦合。
[0048]
1)根据电池系统建立动力电池等效电路模型，等效电路模型包含电池电压模块、电池内阻模块以及电池连接极片的等效电阻模块。其中电池等效电路模型的电池电压计算公式如下式所示：
[0049][0050]
上式中，e
ocv
(soc,t)表示电池在不同soc和温度条件下的开路电压，e
ocv,ref
(soc)表示电池在不同soc条件下的开路电压，表示开路电压的温度导数，t表示电池温度，t
ref
表示参考温度。
[0051]
其中电池的soc通过安时积分法算得，如下式所示：
[0052][0053]
上式中，soc表示当前电池的荷电状态，soc0表示电池的初始荷电状态，i表示电流，cn表示电池的容量。
[0054]
具体地，设电池中的等效电阻为r，则由欧姆定律i＝e
ocv
(soc,t)/r可计算出等效电路模型中的电流i，将电流i代入式(2)中，可计算出当前电流工况下动力电池的soc；将算得的soc代入式(1)中，则可得出电池在当前soc和温度t情况下的开路电压e
ocv
(soc,t)，基于此实现等效电路模型的循环迭代，直到电池soc等于0为止。
[0055]
2)建立动力电池传热模型，传热模型的基本方程如下式所示：
[0056][0057]
上式中，ρ表示电池的平均密度，c
p
表示电池的平均比热容，dt/dt表示电池的温升速率，ρc
p
(dt/dt)为电池的净生热功率；q
gen
表示产热功率，q
dis
表示散热功率；λx、λy、λz分别表示电池在x、y、z方向上的导热系数；分别表示电池在x、y、z方向上的温度梯度。
[0058]
具体地，设电池内阻为r，则根据焦耳定律qe＝i2·
r可获得电池内阻的生热功率。将电池内阻生热功率qe代入式(3)中，可以获取电池实时温度t，将温度t代入式(1)中，可获得当前温度下电池的开路电压e
ocv
(soc,t)。基于此，实现了动力电池等效电路模型与传热
模型的耦合。
[0059]
3)根据动力电池热失控产热机理，建立动力电池热失控产热模型。动力电池在热失控过程中会发生化学副反应：sei膜的分解、负极材料与电解液反应、隔膜分解、正极材料分解、电解液分解。其生热公式如下所示：
[0060][0061]
上式中，x分别代表sei膜、负极材料、隔膜、电解液、正极材料，q
x
表示各材料的生热功率，δh
x
表示各反应的反应生成焓，m
x
表示各材料质量，r
x
表示反应速率，c
x
表示各材料的归一化浓度，a
x
表示各材料反应的指前因子，e
x
表示各材料的活化能，n、a表示反应阶数(一般n＝1,a＝0)，t
x
表示各材料反应的实时温度，g(x)为修正系数，q
x
为热失控生热功率，将q
x
赋予动力电池即赋予生热模型，即可模拟出动力电池在热失控过程中的生热行为。
[0062]
具体地，将式(4)中计算得出的热失控生热速率q
x
代入式(3)中，可获取动力电池在热失控过程中的实时温度t，将t代入式(4)中，可获取组分材料在当前温度下的反应速率。基于此实现动力电池传热模型和热失控模型的耦合。
[0063]
根据式(1)和式(2)所示的电池等效电路模型、式(3)所示的电池传热模型和式(4)所示的电池热失控模型，实现了动力电池热失控及热扩散的电热耦合。
[0064]
具体实施例如下：
[0065]
图2为动力电池小模组的等效电路示意图，图3为动力电池小模组的示意图。图2中v1-v4表示4个直流电压源，分别代表图3中4个电芯的电压；图2中r1、r2、r3、r4表示4个电阻，分别代表图3中4个电芯的内阻；图2中电阻r5和r8表示图3中第一组连接极片的电阻；图2中电阻r6和r9表示图3中第二组连接极片的电阻；图2中电阻r7和r10表示图3中第三组连接极片的电阻。
[0066]
当4个电芯并联时，各处电位相等，模组中不会发生放电现象。当图3中的加热片开始对电芯加热时，电芯一的温度升高，当电芯一的温度超过其安全边界时，电芯一发生热失控，此时电芯一的内阻升高，电压骤降，并产生大量热量，温度进一步升高。
[0067]
当电芯一发生热失控时，图2所示的等效电路模型会相应发生变化，电压源v1变为0，电芯一的内阻r1增大。由于电压源v1所在支路不在有电压，因此电压源v2、v3和v4均向电压源v1放电，即图3中的电芯二、电芯三、电芯四均向电芯一放电，此时电芯一、电芯二、电芯三、电芯四的温度均升高，且电芯一的热量分为两部分，一部分为电芯热失控本身产生的热量，一部分为电流流过产生的热量。
[0068]
其中电芯一热失控产生的热量如下式所示，
[0069][0070]
上式中，x分别代表sei膜、负极材料、隔膜、电解液、正极材料，q
x
表示各材料的生热功率，δh
x
表示各反应的反应生成焓，m
x
表示各材料质量，r
x
表示反应速率，c
x
表示各材料的归一化浓度，a
x
表示各材料反应的指前因子，e
x
表示各材料的活化能，t
x
表示各材料反应的实时温度，g(x)为修正系数，x表示sei、负极、隔膜、正极、电解液。将q
x
赋予电芯一，即可获得电芯一热失控过程中的生热量。
[0071]
电芯一由于电流流过产生的热量根据焦耳定律q＝i2·
r可算得，其中i为流过电芯一内阻r1的电流，r为电芯一发生内短路后的电阻，其阻值要比电池内阻r1大。将q赋予电芯一，即可获得电芯一由于电流流过产生的热量。
[0072]
当电芯二、电芯三、电芯四向电芯一放电时，其开路电压会随soc的降低而降低。其soc的变化依靠安时积分法算得，如下式所示，
[0073][0074]
上式中，soc
x
表示电芯二、电芯三、电芯四的soc，soc
x,0
表示电芯二、电芯三、电芯四的初始soc，i
x
表示流过电芯二、电芯三、电芯四的电流，cn表示电芯的容量。通过此公式可计算出电芯二、电芯三、电芯四的实时soc。
[0075]
算得各电芯的soc后，根据开路电压与soc的对应关系，获得各电芯的开路电压，如下式所示，
[0076][0077]
上式中，e
ocv，x
(soc
x
,t
x
)表示电芯二、电芯三、电芯四在不同soc和温度条件下的开路电压，e
ocv,ref,x
(soc
x
)表示电芯二、电芯三、电芯四在不同soc条件下的开路电压，表示电芯二、电芯三、电芯四的开路电压温度导数，t
x
表示电芯二、电芯三、电芯四的温度，t
ref，x
表示电芯参考温度。通过此公式可算得电芯二、电芯三、电芯四的开路电压。
[0078]
当电芯一热失控结束后，图2所示等效电路模型中的电源1支路则为断路，此时其内阻值为无穷大。当电芯二的温度达到热失控触发温度后，电芯三和电芯四向电芯二放电，整个仿真重复上述计算过程。图5为4个电芯的温度变化，图6为电芯二、电芯三、电芯四的soc变化，图7为电池模组某一时刻的温度分布云图。
[0079]
此外，本发明除了可以研究动力电池热失控过程中的放电行为，还可以研究电池模组连接极片熔断特性对热失控扩散的影响。
[0080]
具体地，假设模组连接极片的熔断温度为200℃，则当图3和图4所示的电池传热模型中第一组连接极片的温度超过200℃时，将图2中电阻r5和r8的阻值变为无穷大，则实现了连接极片熔断的模拟。根据此种工况的仿真结果，可分析连接极片熔断特性对动力电池
热扩散的影响。
[0081]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。