一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法和系统的制作方法
【专利摘要】本申请公开了一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法和系统。该方法首先获取待检测电池的初始状态参数，进而基于电池的初始状态参数以及电池的电化学模型，计算电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻。进而，依据电池的电化学?热耦合模型，计算电池的在充放电过程中的温度，以便基于电池在充放电过程中的温度变化对锂电池的热特性进行分析。
【专利说明】
一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法和系统
技术领域
[0001] 本申请涉及电池检测领域，更具体地说，涉及一种老化的锂电池充放电状态下热 分析方法和系统。
【背景技术】
[0002] 锂电池包括可充电锂电池和不可充电锂电池。锂离子电池是一种可充电电池，它 主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返 嵌入和脱嵌。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则 相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
[0003] 当前锂离子电池的安全性备受关注，因而如何对老化的锂电池充放电状态下热分 析是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本申请提供一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法和系统，基于 锂电池在充放电过程中的温度对锂电池的热特性进行分析。
[0005] 为了实现上述目的，现提出的方案如下：
[0006] -种老化的锂电池充放电状态下热分析方法，包括：
[0007] 获取待检测电池的初始状态参数；
[0008] 基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始状态参数，计算所述待 检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻；
[0009] 根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻，基于预先建立的电池 电化学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以完成对待检测电池在 充放电状态下的热分析。
[0010] 优选的，所述待检测电池的电化学模型的建立过程包括：
[0011] 计算所述待检测电池的SEI膜阻；
[0012] 建立所述待检测电池的电池几何模型；
[0013] 基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构建所述电化学模型。
[0014]优选的，所述待检测电池的电化学_热耦合模型的建立过程包括：
[0015] 基于所述电池几何模型建立所述待检测电池的三维热模型；
[0016] 根据所述电化学模型以及所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模型。
[0017] 优选的，所述计算所述待检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电 池综合内阻，之后还包括：
[0018] 输出所述待检测电池的所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻在充 放电过程中的变化曲线。
[0019] 优选的，所述计算所述待检测电池在充放电过程中的温度之后，还包括：
[0020] 输出所述待检测电池的温度在充放电过程中的变化曲线。
[0021] -种老化的锂电池充放电状态下的热分析系统，包括:信号采集单元，
[0022] 用于获取待检测电池的初始状态参数；
[0023] 第一计算单元，用于基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始状 态参数，计算所述待检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻；
[0024] 第二计算单元，用于根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻，基 于预先建立的电池电化学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以完 成对待检测电池在充放电状态下的热分析。
[0025] 优选的，还包括:电化学模型建立单元，用于 [0026]计算所述待检测电池的SEI膜阻；
[0027]建立所述待检测电池的电池几何模型，基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构 建所述电化学模型。
[0028]优选的，还包括:电化学-热耦合模型建立单元，用于 [0029]基于所述电池几何模型建立所述待检测电池的三维热模型；
[0030] 根据所述电化学模型以及所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模型。
[0031] 优选的，还包括:第一输出单元，用于输出所述待检测电池的所述开路电压、所述 负载电压以及所述电池综合内阻在充放电过程中的变化曲线。
[0032] 优选的，还包括:第二输出单元，用于输出所述待检测电池的温度在充放电过程中 的变化曲线。
[0033] 经由上述技术方案可知，本申请公开了一种老化的锂电池充放电状态下热分析方 法和系统。该方法首先获取待检测电池的初始状态参数，进而基于电池的初始状态参数以 及电池的电化学模型，计算电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻。 进而，依据电池的电化学-热耦合模型，计算电池的在充放电过程中的温度，以便基于电池 在充放电过程中的温度变化对锂电池的热特性进行分析。
【附图说明】
[0034] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据 提供的附图获得其他的附图。
[0035] 图1示出了本发明一个实施例公开的一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法 的流程示意图；
[0036] 图2示出了本发明公开的一种待检测电池的电化学模型的构建方法的流程示意 图；
[0037] 图3示出了本发明另一个实施例公开的一种老化的锂电池充放电状态下热分析系 统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0038]以软包NCM622锂电池为例，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例 中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
[0039] 参见图1示出了本发明一个实施了公开的一种老化的锂电池充放电状态下热分析 方法的流程示意图。
[0040] 由图1可知，本发明包括：
[0041 ] S11:获取待检测电池的初始状态参数。
[0042]其中，电池的初始状态参数具体包括：热参数、初始参数、电池几何参数、以及材 料/工艺参数。
[0043]其中，如负载电流为-30A，充放电周期为400 s，则输出电流为先30A放电200 s，接着 30A充电200s的循环过程，连续循环两个周期，后电流变为0,静置400s，随空冷却。如负载电 流为+30A，负载周期为500s，则输出电流为先30A充电250s，接着30A放电250s的循环过程， 连续循环两个期，后电流变为〇，静置400s，随空冷却。
[0044]需要说明的是，在本发明中默认充放电循环两周期，静置一周期时间。当然本领域 技术人员可根据实际情况的需要调整充放电周期的循环次数以及每个周期的持续时间。 [0045] S12:基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始状态参数，计算所 述待检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻。
[0046]利用电池初始状态参数对电池的电化学模型进行配置。利用预设的充放电周期以 及负载电流对待检测电池进行充放电操作，计算电池在充放电过程中的开路电压、负载电 压以及电池综合内阻。
[0047] 如，负载电流为-30A，充放电周期为400s，则输出电流为先30A放电200s，接着30A 充电200s的循环过程，连续循环两个周期，后电流变为0,静置400s，随空冷却。如负载电流 为+30A，负载周期为500s，则输出电流为先30A充电250s，接着30A放电250s的循环过程，连 续循环两个期，后电流变为0，静置400s，随空冷却。
[0048] S13:根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻，基于预先建立的 电池电化学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以完成对待检测电 池在充放电状态下的热分析。
[0049] 电池在充放电过程中会产生热量，而热量的产生又会对电池的电化学模型造成影 响。因而，为了准确的计算出电池的温度，需要预先建立的电池的电化学-热耦合模型。
[0050] 另外，电池热源包括焦耳热、极化热和反应热。电池总热量等于电池焦耳热、极化 热以及反应热的总和。需要说明的是，本发明还加入电池散热、对流热和辐射热，利用能量 守恒的原理，对电池实时温度进行估算，并取电池表面点、极耳平均温度做出二维温度-时 间变化图。
[0051] 需要说明的是，在本实施例中电化学-热耦合模型的建立过程具体如下：第一，基 于所述电池几何模型建立所述待检测电池的三维热模型。第二，根据所述电化学模型以及 所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模型。
[0052] 可选的，在本发明公开的其他实施例中公开了一种待检测电池的电化学模型构建 方法的流程示意图。
[0053]参见图2示出了本发明公开的一种待检测电池的电化学模型的构建方法的流程示 意图。
[0054]由图2可知，该方法包括：
[0055] S21:计算所述待检测电池的SEI膜阻。
[0056] 具体过程为，获取待检测电池的状态参数、热参数、材料参数等，利用如下公式计 算待检测电池的SEI膜阻。
[0057] SEI腊阳的计筧公式为：
[0059] 其中，Rsei*SEI膜阻，单位为Q .ml;
[0060] 为初始开路电压，单位v;
[0061] Vload为初始负载电压，单位V;
[0062] Ii〇ad为负载电流，单位A;
[0063] Mneg.e为负极活性材料有效质量，单位g;
[0064] Aneg为负极活性材料比表面积，单位nf 2/kg。
[0065] Mneg.e的计算方法为：
[0067] Mneg为负极活性材料总质量，单位g ;
[0068] f为负极伺服容量过剩分数；
[0069] Qe为电池有效容量，单位Ah;
[0070] Qd为电池设计容量。
[0071 ] S22:建立所述待检测电池的电池几何模型。
[0072]基于电池的几何参数，如电池的长度、厚度等，调用预先建立的模型模板建立电池 几何模型。
[0073] S23:基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构建所述电化学模型。
[0074] 可选的，为了对电池进行热分析，在本发明中需要实时输出锂电池充放电过程中 开路电压、负载电压、电池综合内阻以及电池温度的变化曲线。
[0075] 由以上实施例可知，本申请公开了一种锂电池充放电状态下老化分析方法本申请 公开了一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法和系统。该方法首先获取待检测电池的 初始状态参数，进而基于电池的初始状态参数以及电池的电化学模型，计算电池在充放电 过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻。进而，依据电池的电化学-热耦合模型，计 算电池的在充放电过程中的温度，以便基于电池在充放电过程中的温度变化对锂电池的热 特性进行分析。
[0076] 需要说明的是，锂电子的老化不仅表现在综合内阻的变化和温度的变化上，其在 老化过程中电池的负载电压和开路电压也会产生相应的变化。
[0077] 参见图3示出了本发明另一个实施例公开的一种老化的锂电池充放电状态下热分 析系统结构示意图。
[0078] 由图3可知，该系统包括:信号采集单元1、第一计算单元2以及第二计算单元3。
[0079] 信号采集单元1，用于获取待检测电池的初始状态参数；
[0080] 第一计算单元2,用于基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始 状态参数，计算所述待检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻；
[0081] 第二计算单元3,用于根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻， 基于预先建立的电池电化学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以 完成对待检测电池在充放电状态下的热分析。
[0082] 可选，在本发明公开的其他实施例中该系统还包括电化学模型建立单元4以及电 化学-热耦合模型建立单元5。
[0083] 其中，电化学模型建立单元用于计算所述待检测电池的SEI膜阻，并建立所述待检 测电池的电池几何模型。进而，基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构建所述电化学模 型。
[0084] 电化学-热耦合模型建立单元，用于基于所述电池几何模型建立所述待检测电池 的三维热模型，继而根据所述电化学模型以及所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模 型。
[0085] 可选，该系统还包括输出单元6，该输出单元6包括第一输出单元和第二输出单元。 其中，第一输出单元用于输出所述待检测电池的所述开路电压、所述负载电压以及所述电 池综合内阻在充放电过程中的变化曲线。第二输出单元用于输出所述待检测电池的温度在 充放电过程中的变化曲线。
[0086] 需要说明的是该系统实施例与方法实施例相对应，其执行过程和执行原理相同， 在此不作赘述。
[0087]最后，还需要说明的是，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。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排 除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0088] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他 实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0089] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种老化的锂电池充放电状态下热分析方法，其特征在于，包括： 获取待检测电池的初始状态参数； 基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始状态参数，计算所述待检测 电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻； 根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻，基于预先建立的电池电化 学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以完成对待检测电池在充放 电状态下的热分析。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待检测电池的电化学模型的建立过程 包括： 计算所述待检测电池的SEI膜阻； 建立所述待检测电池的电池几何模型； 基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构建所述电化学模型。3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述待检测电池的电化学-热耦合模型的 建立过程包括： 基于所述电池几何模型建立所述待检测电池的三维热模型； 根据所述电化学模型以及所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模型。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述待检测电池在充放电过程中 的开路电压、负载电压以及电池综合内阻，之后还包括： 输出所述待检测电池的所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻在充放电 过程中的变化曲线。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述待检测电池在充放电过程中 的温度之后，还包括： 输出所述待检测电池的温度在充放电过程中的变化曲线。6. -种老化的锂电池充放电状态下的热分析系统，其特征在于，包括： 信号采集单元，用于获取待检测电池的初始状态参数； 第一计算单元，用于基于预先建立的所述待检测电池的电化学模型和所述初始状态参 数，计算所述待检测电池在充放电过程中的开路电压、负载电压以及电池综合内阻； 第二计算单元，用于根据所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻，基于预 先建立的电池电化学-热耦合模型，计算所述待检测电池在充放电过程中的温度，以完成对 待检测电池在充放电状态下的热分析。7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括:电化学模型建立单元，用于 计算所述待检测电池的SEI膜阻； 建立所述待检测电池的电池几何模型，基于所述电池几何模型和所述SEI膜阻构建所 述电化学模型。8. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：电化学-热耦合模型建立单元，用 于 基于所述电池几何模型建立所述待检测电池的三维热模型； 根据所述电化学模型以及所述三维热模型，构建所述电化学-热耦合模型。9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括:第一输出单元，用于输出所述待检 测电池的所述开路电压、所述负载电压以及所述电池综合内阻在充放电过程中的变化曲 线。10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括:第二输出单元，用于输出所述待 检测电池的温度在充放电过程中的变化曲线。
【文档编号】G01R31/36GK105911478SQ201610247795
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】梁国周, 张鸣, 张一鸣, 田爽, 刘兆平, 韩琪, 贺志龙, 蒋亚北
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所