锂离子电池建模方法及装置与流程

1.本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池建模方法及装置。


背景技术：

2.随着科技的发展，锂离子电池因为其体积小、重量轻、高能量比、寿命长等优势，被广泛应用于航天器、电动车、便携电子设备等各个领域。为了提高电池性能，生产时通常会在锂离子电池制造前，进行锂离子电池建模分析，因此，提高所建立的锂离子电池模型的准确度变得越来越重要。
3.现有技术中，一般采用简化版的电化学模型，即单粒子(singel particle，sp)模型来模拟锂离子电池，单粒子模型忽略了锂离子在溶液中的扩散，关注固相扩散对锂电池性能的影响。现有的单粒子模型简单地把正负极颗粒都认为是单一的球形，这一点对于正极材料来说是比较适用的，但是由于负极材料的石墨为片层状结构，大多数负极材料颗粒都是偏离球型的，因而对于负极材料来说，将材料颗粒简化为单一的球形不适用，导致所建立的锂离子电池模型准确度不高。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是提供一种能够提高所建立的锂离子电池模型的准确度的锂离子电池建模方法。
5.为达到上述目的，本发明提供了一种锂离子电池建模方法，其包括：
6.获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；
7.根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；
8.根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；
9.根据所述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
10.通过获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。通过在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
11.本发明的另一目的是提供一种能够提高所建立的锂离子电池模型的准确度的锂离子电池建模装置。
12.为达到上述目的，本发明还提供了一种锂离子电池建模装置，其包括：
13.空间结构获取模块，用于获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间
结构；
14.颗粒分布确定模块，用于根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；
15.固相扩散确定模块，用于根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；
16.模型构建模块，用于根据锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
17.通过设置空间结构获取模块获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；设置颗粒分布确定模块，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；设置固相扩散确定模块，根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；设置模型构建模块，根据锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。实现了在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
18.本发明的再一目的是提供一种能够提高所建立的锂离子电池模型的准确度的计算机设备。
19.为达到上述目的，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述锂离子电池建模方法。
20.从上述的描述可知，本发明实施例提供的计算机设备，通过获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。通过在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
21.本发明的又一目的是提供一种能够提高所建立的锂离子电池模型的准确度的计算机可读存储介质。
22.为达到上述目的，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述锂离子电池建模方法的计算机程序。
23.本发明实施例提供的计算机可读存储介质，通过获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。通过在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
附图说明
24.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
25.图1是传统的锂离子电池单粒子模型中正负极材料颗粒的示意图；
26.图2是锂离子电池负极材料颗粒真实形貌示意图；
27.图3是本发明实施例中锂离子电池建模方法的示意图；
28.图4是本发明具体实施例中多个材料颗粒的尺寸分布确定过程示意图；
29.图5是本发明再一具体实施例中多个材料颗粒的形状分布确定过程示意图；
30.图6是本发明具体实例中负极材料颗粒的球形度直方分布示例图；
31.图7是本发明具体实例中25种不同形状不同体积的负极材料颗粒示意图；
32.图8是本发明具体实施例中步骤304的实现过程示意图；
33.图9是本发明具体实例中负极材料颗粒的体积直方分布示意图；
34.图10是本发明具体实例中仿真得到的电池电压随时间变化关系图；
35.图11是本发明实施例的锂离子电池建模装置的结构示意图；
36.图12是本发明具体实施例中颗粒分布确定模块1102的结构示意图；
37.图13是本发明实施例中一种计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
38.下面通过附图和实施例对本技术进一步详细说明。通过这些说明，本技术的特点和优点将变得更为清楚明确。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
40.此外，下面所描述的本技术不同实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
41.如图1所示为传统的单粒子模型，从左到右包括：负极集流体101、负极材料颗粒102、隔膜103、正极材料颗粒104，以及正极集流体105。可以看出，传统的单粒子模型将正负极材料颗粒当作统一的球形处理，而发明人发现正极材料颗粒近似球形，而在如图2所示的电镜照片中，负极材料颗粒是不规则形状，且与球形相差甚远，因此传统的单粒子模型对于负极材料颗粒并不适用，从而导致基于传统单粒子模型所建立的锂离子电池模型准确度不高。
42.为了提高所建立的锂离子电池模型的准确度，本发明实施例提供一种锂离子电池建模方法，如图3所示，包括：
43.步骤301：获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；
44.步骤302：根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；
45.步骤303：根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；
46.步骤304：根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
47.从上述步骤可知，通过获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。通过在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
48.首先，获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构。具体实施时，利用聚焦离子束fib(focused ion beam)三维成像技术，得到离子电池的负极极片所用材料的多个材料颗粒的三维空间结构，即使用fib技术将材料颗粒的三维结构提取出来。且由于fib具有更真实反映材料表层详细形貌的优点，使得所获取的多个材料颗粒的三维空间结构清晰度更高，能够为后续计算提供更精准的数据，从而有利于进一步提高所建立的锂离子电池模型的准确度。
49.具体地，由于对负极极片中所有的材料颗粒都进行fib三维成像，确定所有的材料颗粒的空间结构，计算量过大，计算过程繁杂，具体实施例中可以选取极片中具有代表性的至少两个以上的材料颗粒，一般确保最终建立模型的准确性的前提下，为了尽可能减少计算量，提高建模的效率，对负极极片进行取样，对取样的样本进行fib三维成像，确定样本内材料颗粒的空间结构，具体实施时，取样大小可以是100μm
×
100μm
×
100μm，也可以是50μm
×
50μm
×
50μm，具体取样大小根据实际情况确定，本技术在此不做限定。
50.获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构后，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布。具体实施时，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布，如图4所示，包括：
51.步骤401：根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定每个材料颗粒的体积；
52.步骤402：按照体积对多个材料颗粒进行统计，得到多个材料颗粒的体积分布；
53.步骤403：根据多个材料颗粒的体积分布，确定多个材料颗粒的尺寸分布。
54.具体地，为了更加直观得到多个材料颗粒的体积分布规律以及分布情况，按照体积对多个材料颗粒进行统计，得到多个材料颗粒的体积分布，包括：
55.对多个材料颗粒的体积进行统计分析，确定体积直方分布的分组组距，得到多个材料颗粒的包含多个体积分组的体积直方分布数据。
56.通过得到上述体积直方分布数据，可以直观地得到多个材料颗粒的体积分布在几组数值范围内，每组数值范围内有多少颗粒，从而确定多个材料颗粒的不同尺寸。
57.具体实施时，使用fib技术将多个负极材料颗粒的三维结构提取出来后，即可求得每个负极材料颗粒的体积，按照体积大小对全部的材料颗粒进行统计，确定直方分布的分组组数和分组组距，得到多个材料颗粒的体积直方分布，由于颗粒大小与体积成正相关的关系，体积可用于表征颗粒的尺寸大小关系，故将多个材料颗粒的体积直方分布作为多个材料颗粒的尺寸分布。
58.具体实施时，进一步减少计算量，还可以在多个材料颗粒的体积直方分布数据中，根据每一分组的体积的中位数，确定该分组的代表性材料颗粒；将所有分组的代表性材料
颗粒整合，作为多个材料颗粒的尺寸分布。即相当于将一个分组内的材料颗粒都归一为该分组的体积中位数代表的颗粒尺寸，由于一个分组内的体积数值相差不大，这种简化是合理的，并不会对最终建模结果产生很大的影响，却可以大大简化建模过程中的计算。
59.确定多个材料颗粒的尺寸分布后，即可根据多个材料颗粒的尺寸分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，并根据负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
60.另一具体实施例中，类似地，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的形状分布，包括：
61.根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定每个材料颗粒的球形度；
62.按照球形度对多个材料颗粒进行统计，得到多个材料颗粒的球形度分布；
63.根据多个材料颗粒的球形度分布，确定多个材料颗粒的形状分布。
64.材料颗粒体积形状极不规则，无法统计不同颗粒形状的分布。因此为了统计不同形状的材料颗粒分布，对不同形状的颗粒取外接球。根据球形度，可以将不同形状的材料颗粒分类，用以确定多个材料颗粒的形状分布。
65.具体实施时，按照如下公式，确定每个材料颗粒的球形度：
66.s＝va/vb67.其中，s表示一材料颗粒的球形度；va表示该材料颗粒的体积；vb表示该材料颗粒的外接球的体积。
68.使用fib技术将多个负极材料颗粒的三维结构提取出来后，不仅可以求得每个负极材料颗粒的体积，同时也能够求得每个负极材料颗粒的外接球的体积，接着利用上述公式，即可得到每个负极材料颗粒的球形度。将多个材料颗粒的球形度分布作为多个材料颗粒的形状分布。
69.确定多个材料颗粒的形状分布后，即可根据多个材料颗粒的形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，并根据负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
70.由于负极材料颗粒形状各异，即使颗粒的体积相同但颗粒形状很可能不同，具体实施例中，可以单一考虑多个材料颗粒的尺寸分布，也可以单一考虑多个材料颗粒的形状分布，但为了更加精准，最大程度提高所建模型的准确度，最优实施例中选择考虑多个材料颗粒的尺寸分布和形状分布，即在确定构建锂离子电池模型时，同时考虑材料颗粒的尺寸分布和形状分布。
71.在本发明再一具体实施例中，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和形状分布时，按照步骤401-步骤403所示的步骤确定尺寸分布后，按照图5所示的步骤确定形状分布，具体包括：
72.步骤501：根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定每一体积分组中的每个材料颗粒的球形度；
73.步骤502：按照球形度对每一体积分组中的材料颗粒进行统计，得到多个体积分组对应的球形度分布；
74.步骤503：根据上述球形度分布，确定多个材料颗粒的形状分布。
75.其中，步骤502具体实施过程，包括：
76.对每一体积分组中的材料颗粒的球形度进行统计，确定每一体积分组对应的材料颗粒的球形度直方分布的分组组距，得到每一体积分组对应的球形度直方分布数据；
77.整合每一体积分组对应的球形度直方分布数据，得到多个体积分组对应的球形度直方分布数据。
78.具体实施时，进一步减少计算量，还可以在上述球形度直方分布数据中，根据每一分组的球形度中位数，确定该球形度分组的代表性材料颗粒，整合球形度代表性颗粒，作为多个材料颗粒的尺寸分布。即相当于将一个分组内的材料颗粒都归一为该分组的球形度中位数代表的颗粒尺寸，由于一个分组内的球形度数值相差不大，这种简化是合理的，并不会对最终建模结果产生很大的影响，却可以大大简化建模过程中的计算。
79.相应地，步骤503具体实施过程，包括：
80.在每一体积分组对应的球形度直方分布数据中，根据该体积分组对应的球形度的多个分组的球形度中位数，确定该体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒；
81.将所有体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒整合，得到多个材料颗粒的形状分布。
82.具体实施时，针对多个材料颗粒的体积直方分布的多个分组，例如有体积分布分组1-5，确定每一体积分组中的每个材料颗粒的球形度后，对每一体积分组中的材料颗粒的球形度进行统计，确定每一体积分组对应的材料颗粒的球形度直方分布的分组组距，得到每一体积分组对应的球形度直方分布数据。在每一体积分组对应的球形度直方分布数据中，根据该体积分组对应的球形度的多个分组的球形度中位数，确定该体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒；将所有体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒整合，得到多个材料颗粒的形状分布。
83.举例说明，例如，确定体积分布分组1中的68个材料颗粒的球形度，按照球形度对这68个材料颗粒进行统计，确定球形度直方分布的分组组距，得到这68个材料颗粒的球形度直方分布，包含球形度分组1-4。分别取球形度分组1、球形度分组2、球形度分组3和球形度分组4的球形度中位数，作为球形度分组1-4的代表性颗粒，整合即可得到体积分布分组1对应的球形度的代表性颗粒，以此类推分别得到体积分布分组2-5对应的球形度的代表性颗粒，整理即可得到多个材料颗粒的形状分布。
84.例如图6为本发明具体实例中得到的某一体积分组对应的有不同球形度颗粒数量直方图。该图是将无法统计的不同形状的材料颗粒，利用球形度归类，得到不同球形度的颗粒材料数量(实质为不同形状的颗粒分布)。
85.确定多个材料颗粒的尺寸分布和形状分布后，根据多个材料颗粒的尺寸分布和形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程。具体地，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程为：
[0086][0087]
边界条件为：
[0088]
[0089]
其中，c
so,n
表示负极材料颗粒中锂离子浓度，mol/m3；d
so,n
表示负极固相扩散系数，m2/s；t表示放电时间，s；x表示空间坐标系xyz中x轴的坐标，m；y表示空间坐标系xyz中y轴的坐标，m；z表示空间坐标系xyz中z轴的坐标，m；n表示体积分布分组组数；m表示球形度分布分组组数；αi表示第i个体积分布分组在体积直方分布中的频率；β
i,j
表示第i个体积分布分组对应的第j个球形度分布分组在球形度直方分布的频率；c
so,n
|
(x,y,z)on surface
表示在锂电池负极表面坐标(x,y,z)处的固相浓度，mol/m3；jn表示负极离子流密度，mol
×
m-2
×
s-1
。
[0090]
其中，空间坐标系xyz是为了便于计算，在锂离子电池内部所设立的空间描述的基准，设定时没有限制，但为了能够简单快速的设立，一般选取材料颗粒的长轴方向为x轴方向，材料颗粒的短轴向为y轴方向，与这两个方向垂直的方向为z轴方向。
[0091]
如图7所示为本发明具体实例中考虑了尺寸分布和形状分布得到的25种不同形状不同体积的负极材料颗粒，i表示体积分布分组组号，j表示球形度分布分组组号，即5种尺寸大小和5种形状类型，结合后有25种情况。
[0092]
特别地，若只根据多个材料颗粒的尺寸分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，则只需将上述公式的β
i,j
的值取1即可，即默认所有材料颗粒的形状相同。若只根据多个材料颗粒的形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，则只需将上述公式的αi的值取1即可，即默认所有材料颗粒的尺寸相同。
[0093]
传统的单粒子模型是结合锂离子电池中正极锂离子固相扩散方程和负极锂离子固相扩散方程，能够得到锂离子电池中锂离子固相扩散方程。由于锂离子单粒子模型用于描述锂离子电池内的机理反应过程和物理特性，锂离子单粒子模型包括锂离子固相扩散方程、巴特勒-伏尔摩butler-volmer动力学方程和端电压表达式。而本技术实施例中，建立的是负极锂离子加权固相扩散方程，因此，结合建立的极锂离子加权固相扩散方程、上述锂离子电池中正极锂离子固相扩散方程、butler-volmer动力学方程和端电压表达式，即可建立精度更高的电池单粒子模型，作为本发明具体实施例中的锂离子电池模型。
[0094]
本发明实施例中，相应地，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程后，根据负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型，具体过程，如图8所示，包括：
[0095]
步骤801：确定锂离子电池中正极锂离子固相扩散方程；
[0096]
步骤802：建立巴特勒-伏尔摩动力学方程和端电压表达式；
[0097]
步骤803：根据巴特勒-伏尔摩动力学方程、端电压表达式、正极锂离子固相扩散方程和上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池的单粒子模型，得到锂离子电池模型。
[0098]
构建锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程后，确定锂离子电池中正极锂离子固相扩散方程，如下所示：
[0099][0100]
边界条件为：
[0101][0102]
[0103]
其中，c
so,p
表示正极材料颗粒中锂离子浓度，mol/m3；d
so,p
表示正极固相扩散系数，m2/s；t表示放电时间，s；r表示粒子中任意一点到球心的距离，m；r
so,p
表示正极固相粒子半径，m；j
p
表示正极离子流密度，mol
×
m-2
×
s-1
。
[0104]
且正负集流体边界处的反应离子流密度按照如下公式计算：
[0105][0106][0107]
其中，i表示电流，a；r
so,p
表示正极颗粒平均尺寸，m；r
so,n
表示负极颗粒平均尺寸，m；f表示法拉第常数，c/mol；vcell表示电池体积，m3；εpj表示正极极片体积分数；εp表示正极活性物质体积分数；εnj表示负极极片体积分数；εn表示负极活性物质体积分数。
[0108]
本发明具体实施例中，巴特勒-伏尔摩动力学方程用于表示反应过电势与离子流密度的关系，建立巴特勒-伏尔摩动力学方程为：
[0109][0110][0111]
其中，k
p
表示正极反应速度，m/s；c
so,p,max
表示正极固相最大锂离子浓度，mol/m3；c
so,p,surf
表示正极固相表面锂离子浓度，mol/m3；c
p
表示正极区域锂离子浓度，mol/m3；r表示理想气体常数：8.314j
×
mol-1
×
k-1
；t表示温度，k；η
p
表示正极过电势，v；kn表示负极反应速度，m/s；c
so,n,max
表示负极固相最大锂离子浓度，mol/m3；c
so,n,surf
表示负极固相表面锂离子浓度，mol/m3；cn表示负极区域锂离子浓度，mol/m3；ηn表示负极过电势，v。
[0112]
建立端电压v表达式为：
[0113]
v＝e-η
p-η
n-rsol
×i×a[0114]
其中，e表示开路电势，v；rsol表示液相电阻，ω；a表示电池极片面积，m2；i表示电流，a；η
p
表示正极过电势，v；ηn表示负极过电势，v。
[0115]
式中的开路电势e为：
[0116]
其中，e
p
表示正极材料的ocv(open circuit voltage，开路电压)～soc(state of charge，电池的荷电状态)曲线；en表示负极材料的ocv～soc曲线；c
so,p,surf
表示正极表面锂离子浓度，mol/m3；c
so,n,surf
表示负极表面锂离子浓度，mol/m3；c
so,p,max
表示正极最大锂离子浓度，mol/m3；c
so,n,max
表示负极最大锂离子浓度，mol/m3。
[0117]
负极表面锂离子浓度c
so,n,surf
按照如下公式求解：
[0118]cso,n,surf,i,j
表示第i行第j列对应的代表性材料颗粒的负极表面锂离子浓度，mol/m3。
[0119]
有上述过程可知，通过将负极材料颗粒的尺寸分布，或形状分布，或尺寸分布和形状分布考虑在负极材料颗粒的简化中，并建立相应的负极锂离子加权固相扩散方程，使得最终构建的电池单粒子模型更贴合实际的锂离子电池，从而提高所建立的锂离子电池模型
的准确性。
[0120]
在本发明具体实施例中，基于上述建立好的单粒子模型，还可应用该单粒子模型进行锂离子电池的仿真计算，从而能够预测锂离子电池的性能数据，从而用以判断该锂离子电池的性能好坏，进而应用于工业生产的指导。
[0121]
为了更好地说明本发明实施例提供的锂离子电池建模方法如何应用于实际工业生产的指导，提供如下一具体实例：
[0122]
进行锂离子电池工业生产时，正负极材料的材质影响着最后制造的电池性能，故可先利用小部分待测试的负极材料，按照极片制作工艺，将其制作出极片样本。
[0123]
利用fib技术对极片样本进行三维空间结构的提取，得到负极材料颗粒的三维空间结构，计算多个负极材料颗粒的体积。按照体积对多个负极材料颗粒进行统计，得到多个负极材料颗粒的体积直方分布图，如图9所示。
[0124]
进一步地，为了简化计算，在确定多个负极材料颗粒的形状分布时，基于图9所示的直方分布图中的数据，分别对每一体积直方分布分组内的材料颗粒，求解对应的外接球体积，从而计算对应的球形度。按照材料颗粒的球形度进行统计，得到如图6所示的图9中某一体积分组中材料颗粒对应的球形度直方分布图。
[0125]
并选取体积直方分布图中每一分组的体积中位数作为该分组的代表性颗粒的体积数值，选取球形度直方分布图中每一分组的球形度中位数作为该分组的代表性颗粒的球形度数值，组合后共有如图7所示的25种负极材料颗粒。
[0126]
基于上述25种负极材料颗粒，构建锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，结合离子电池中正极锂离子固相扩散方程、butler-volmer动力学方程和端电压表达式，建立以上述极片样本为负极的锂离子电池的单粒子模型。
[0127]
接着基于上述建立的单粒子模型，利用comsol软件可对以上述极片样本为负极的锂离子电池进行电池性能的仿真。具体地，将上述建立的单粒子模型通过comsol中pde自定义方程的形式，导入comsol软件中，并将孔隙率、扩散系数、正负极ocv曲线、反应速率常数等仿真需要用的相关参数输入comsol软件中。其中，上述相关参数可以人为设定，也可为了提高仿真精度，对以上述极片样本为负极的锂离子电池进行实际实验，测得所需的相关参数。
[0128]
在comsol软件中，经过定义求解类型—绘制—定义每个求解域的材料属性—设定载荷和边界条件—网格部分—求解模型—后处理和报告结果—修改和优化的过程，进行锂离子电池性能的仿真计算，能够预测固相颗粒中锂离子浓度分布、正负极电势曲线和如图10所示的电池充放电曲线。基于预测结果，分析得到以上述极片样本为负极的锂离子电池的性能数据，从而能够构建负极材料颗粒的微观形貌和电池性能之间的构效关系，用于人工调控，从而用于指导实际的电池制造。
[0129]
例如可以将以上述极片样本为负极的锂离子电池的性能数据跟期望达到的性能标准进行比对，如果符合期望达到的性能标准，则认为本次负极材料可以用来实际生产锂电池；如果不符合，更换新的负极材料，重新制作极片，再次建立对应的锂离子电池模型，并重新仿真。使其用于实际电池制造时的材料选取，在实际制造之前即可判断本批材料是否能够制造出预期效果的锂离子电池，不仅防止材料浪费节省了制造成本，也避免了重新制造的过程，提高工业生产效率。同时，还可根据仿真结果，决定在制造电池时是否进行电池
器件优化和调试，大大降低了锂电池研发过程中的试错成本，缩短研发周期。
[0130]
此外，还可用于寻找优质的电池制造材料，由于越均匀的材料，每个颗粒的充放电性能一致性很好，但是颗粒与颗粒之间的空隙是比较大的，比如用石块堆起来，可以往缝隙里填沙子。因此用不均一的材料可以提高锂电池容量，同时不均一的材料，每个颗粒的充放电性能又不同，一些颗粒可能会发生副反应，因此，必然存在一个折中解，利用本发明实施例提供的锂离子电池模型配合几何体堆积的物理模型，就可以来寻找这个折中解，使得电池容量尽可能大的前提下，又不发生副反应，不影响电池寿命。
[0131]
上述具体应用的实施仅为举例，其余实施方式不再一一赘述。
[0132]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种锂离子电池建模装置，由于锂离子电池建模装置所解决问题的原理与锂离子电池建模方法相似，因此锂离子电池建模装置的实施可以参见锂离子电池建模方法的实施，重复之处不再赘述，具体结构如图11所示：
[0133]
空间结构获取模块1101，用于获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；
[0134]
颗粒分布确定模块1102，用于根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；
[0135]
固相扩散确定模块1103，用于根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；
[0136]
模型构建模块1104，用于根据锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。
[0137]
通过设置空间结构获取模块1101获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；设置颗粒分布确定模块1102，根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；设置固相扩散确定模块1103，根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；设置模型构建模块1104，根据锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。实现了在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
[0138]
具体实施时，空间结构获取模块1101具体用于：
[0139]
利用聚焦离子束三维成像技术，得到离子电池的负极极片所用材料的多个材料颗粒的三维空间结构。
[0140]
具体实施例中，颗粒分布确定模块1102的结构如图12所示，具体包括：
[0141]
尺寸分布确定单元1201，用于：
[0142]
根据多个材料颗粒的三维空间结构，统计每个材料颗粒的体积；
[0143]
按照体积对多个材料颗粒进行统计，得到多个材料颗粒的体积分布；
[0144]
根据多个材料颗粒的体积分布，确定多个材料颗粒的尺寸分布。
[0145]
其中，尺寸分布确定单元1201，具体用于：对多个材料颗粒的体积进行统计分析，确定体积直方分布的分组组距，得到多个材料颗粒的包含多个体积分组的体积直方分布数据。
[0146]
形状分布确定单元1202，用于：
[0147]
根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定每一体积分组中的每个材料颗粒的球形度；
[0148]
按照球形度对每一体积分组中的材料颗粒进行统计，得到多个体积分组对应的球形度分布；
[0149]
根据上述球形度分布，确定多个材料颗粒的形状分布。
[0150]
具体地，按照如下公式，确定每个材料颗粒的球形度：
[0151]
s＝va/vb[0152]
其中，s表示一材料颗粒的球形度；va表示该材料颗粒的体积；vb表示该材料颗粒的外接球的体积。
[0153]
具体实施例中，形状分布确定单元1402具体用于：对每一体积分组中的材料颗粒的球形度进行统计，确定每一体积分组对应的材料颗粒的球形度直方分布的分组组距，得到每一体积分组对应的球形度直方分布数据；
[0154]
整合每一体积分组对应的球形度直方分布数据，得到多个体积分组对应的球形度直方分布数据。
[0155]
相应地，形状分布确定单元1402具体用于：
[0156]
在每一体积分组对应的球形度直方分布数据中，根据该体积分组对应的球形度的多个分组的球形度中位数，确定该体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒；
[0157]
将所有体积分组对应的球形度的每一分组的代表性材料颗粒整合，得到多个材料颗粒的形状分布。
[0158]
具体实施例中，固相扩散确定模块1103具体用于：
[0159]
根据多个材料颗粒的尺寸分布和形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程为：
[0160][0161]
边界条件为：
[0162][0163]
其中，c
so,n
表示负极材料颗粒中锂离子浓度，mol/m3；d
so,n
表示负极固相扩散系数，m2/s；t表示放电时间，s；x表示空间坐标系xyz中x轴的坐标，m；y表示空间坐标系xyz中y轴的坐标，m；z表示空间坐标系xyz中z轴的坐标，m；n表示体积分布分组组数；m表示球形度分布分组组数；αo表示第i个体积分布分组在体积直方分布中的频率；β
o,j
表示第i个体积分布分组对应的第j个球形度分布分组在球形度直方分布的频率；c
so,n
|
(x,y,z)on surface
表示在锂电池负极表面坐标(x,y,z)处的固相浓度，mol/m3；jn表示负极离子流密度，mol
×
m-2
×
s-1
。
[0164]
具体实施例中，模型构建模块1104具体用于：
[0165]
确定锂离子电池中正极锂离子固相扩散方程；
[0166]
建立巴特勒-伏尔摩动力学方程和端电压表达式；
[0167]
根据巴特勒-伏尔摩动力学方程、端电压表达式、正极锂离子固相扩散方程和上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池的单粒子模型，得到锂离子电池模型。
[0168]
本发明实施例还提供一种计算机设备，图13为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的锂离子电池建模方法中全部步骤，该计算机设备具体包括如下内容：
[0169]
处理器(processor)1301、存储器(memory)1302、通信接口(communications interface)1303和通信总线1304；
[0170]
其中，所述处理器1301、存储器1302、通信接口1303通过所述通信总线1304完成相互间的通信；所述通信接口1303用于实现相关设备之间的信息传输；
[0171]
所述处理器1301用于调用所述存储器1302中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的锂离子电池建模方法。
[0172]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述锂离子电池建模方法的计算机程序。
[0173]
综上所述，本发明实施例提供的锂离子电池建模方法及装置具有如下优点：
[0174]
通过获取锂离子电池的负极极片的多个材料颗粒的三维空间结构；根据多个材料颗粒的三维空间结构，确定多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布；根据多个材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布，确定锂离子电池中负极锂离子加权固相扩散方程；根据上述负极锂离子加权固相扩散方程，建立锂离子电池模型。通过在建立模型时，将锂离子电池负极材料颗粒的尺寸分布和/或形状分布考虑在内，使得模型中简化后的负极材料颗粒更贴近实际的负极材料颗粒，而非现有技术中单一的球形，从而提高建立的锂离子电池模型的准确度。
[0175]
虽然本发明提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境)。
[0176]
本领域技术人员应明白，本说明书的实施例可提供为方法、装置(系统)或计算机程序产品。因此，本说明书实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0177]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0178]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0179]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0180]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“上”、“下”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。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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。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。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
[0181]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。