一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法与流程

1.本发明涉及锂电池制备技术领域，尤其涉及一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法。


背景技术：

2.随着新能源产业的快速发展，锂离子电池的生产规模和需求量日益增加，锂离子电池由于具有较高的能量密度、较长的性能寿命、较低的自放电率以及绿色环保等优点，成功带动新能源汽车行业和数码消费电子行业的蓬勃发展。正常情况下，锂离子电池充电过程中支持充电倍率受电池荷电状态、温度、极化等影响，正常恒流-恒压充电速度较慢，一般从空电状态充至满电状态需要较长的时间，这在一定程度上给新能源汽车的普及和使用来不便。而较快的充电速度会破坏电池的内部结构，产生一系列副反应，进而缩短电池的使用寿命。


技术实现要素：

3.基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法，具有较高的准确性和高效性，提高了电池的使用寿命。
4.本发明提出的一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法，包括如下步骤：
5.将电芯参数输入到已训练好的一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型，以输出充电电流对电芯进行充电，该一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型中设定有边界析锂条件及电芯温度临界条件；
6.当负极界面处固液相电位等于边界析锂条件时，输出电芯的充电电流；
7.当电芯温升小于等于电芯温度临界条件时，输出电芯的充电电流。
8.进一步地，所述一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型是基于菲克第二定律、butler-volmer方程、nernst—planck质量平衡方程和欧姆定律构建的。
9.进一步地，对已构建好的一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型进行训练，训练过程如下：
10.预设边界析锂条件和电芯温度临界条件；
11.基于较小电流对电芯进行放电容量标定，根据标定后的放电容量划分电芯的快充soc区间；
12.将快充soc区间划分为多个间隔soc区间，分别获取快充过程中的负极界面处固液相电位和电芯温升；
13.对所述间隔soc区间进行快充支持倍率标定，基于负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或者电芯温升小于等于电芯温度临界条件，得到间隔soc区间的充电倍率；
14.将所述间隔soc区间的充电倍率转化成充电电流以对电芯进行充电。
15.进一步地，在对所述间隔soc区间进行快充支持倍率标定，基于负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或者电芯温升小于等于电芯温度临界条件，得到间隔soc区间的充
电倍率中，包括：
16.根据电芯标定的容量将电芯放电调至对应的soc；
17.以不同的倍率恒流充至对应的间隔soc区间；
18.基于负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或者电芯温升小于等于电芯温度临界条件，计算出每个间隔soc区间支持的充电倍率。
19.进一步地，在对所述间隔soc区间进行快充支持倍率标定，基于负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或者电芯温升小于等于电芯温度临界条件，得到间隔soc区间的充电倍率中，对间隔soc区间的充电倍率进行验证，验证过程如下：
20.选取快充soc区间中任意连续的间隔soc区间；
21.采用之前得到的对应间隔soc区间的充电倍率对电芯进行充电；
22.若出现负极界面处固液相电位不等于边界析锂条件或电芯温升大于电芯温度临界条件，则调低该间隔soc区间的充电倍率，直至负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或电芯温升小于等于电芯温度临界条件，输出更新后的该间隔soc区间的充电倍率，并更新原该间隔soc区间的充电倍率。
23.进一步地，所述负极界面处固液相电位是指负极与隔膜接触界面处的固液相电位差，所述电芯温升是指电芯的平均温升。
24.一种计算机可读储存介质，所述计算机可读储存介质上存储有若干分类程序，所述若干分类程序用于被处理器调用并执行如上所述的仿真优化方法。
25.本发明提供的一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法的优点在于：本发明结构中提供的一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法，通过输出的充电电流对电芯进行快速充电，具有较高的准确性和高效性，提高了电池的使用寿命，负极界面处固液相电位等于边界析锂条件时输出的充电电流，可以使电芯在不析锂的条件下保持较快的充电速度，电芯温升小于等于电芯温度临界条件时输出的充电电流，保证电芯在合适的温度范围内进行充电，减小电芯因快充过程中温度过高而导致容量不可逆衰减。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为室温25℃下九段快充方案充电电流-电压曲线；
28.图3为室温25℃下九段快充负极界面处固液相电位曲线；
29.图4为室温25℃下九段电芯温升曲线；
具体实施方式
30.下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
31.如图1所示，本发明提出的一种锂离子电池快充性能的仿真优化方法，包括如下步骤s1至s3：
32.s1：将电芯参数输入到已训练好的一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型，以输出
充电电流对电芯进行充电，该一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型中设定有边界析锂条件及电芯温度临界条件；
33.一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型是基于baker-verbrugge方程和菲克定律建立的；电芯参数包括正负极材料的物性参数、正负极片的物性参数、电化学动力学参数。
34.一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型的具体构建如下：
35.j＝-ds*dc/dl
[0036][0037]
φ＝-d1*dc-p1*de
[0038][0039]
其中，j为离子通量，ds为扩散系数，j为电极电流密度，as为电荷传递系数，i0为交换电流密度，f为法拉第常数，r为气体常数，t为电池充电时的温度，固相电势，为液相电势，u
equ
为平衡电势，φ表示离子流大小，d1和p1表示与浓度大小相关的常量，σ*为电导率，l为电极厚度，c为锂离子浓度，e为电场强度。
[0040]
s2：当负极界面处固液相电位等于边界析锂条件时，输出电芯的充电电流；
[0041]
负极界面处固液相电位是指负极与隔膜接触界面处的固液相电位差，例如可以设置边界析锂条件的析锂电位为0v，当负极界面处固液相电位等于0v时，输出电芯的充电电流。
[0042]
s3：当电芯温升小于等于电芯温度临界条件时，输出电芯的充电电流。
[0043]
电芯温升是指电芯的平均温升，例如对于传统电芯，电芯正常工作的最大温升临界值δt＝10
±
2℃，以环境温度25℃为例，电芯正常工作的最高温度为35℃，此时可以设置电芯温度临界条件为35℃，即输出电芯的充电电流对应的电芯温升不能超过35℃。
[0044]
将电芯参数通过一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型处理后，输出对应该电芯的快速充电电流，具有较高的准确性和高效性，负极界面处固液相电位等于边界析锂条件时输出的充电电流，可以使电芯在不析锂的条件下保持较快的充电速度，电芯温升小于等于电芯温度临界条件时输出的充电电流，保证电芯在合适的温度范围内进行充电，减小电芯因快充过程中温度过高而导致容量不可逆衰减。
[0045]
因而该优化方法不仅为实验节约大量时间成本，减少实验拆解观察导致的误差风险，同时也保证电芯在快充过程中避免析锂副反应或者温度过高而造成容量的不可逆损失，对于实际快充策略的制定具有良好的指导作用。该优化方法可用于三元、铁锂等电池，可以快速获得电池在不同条件下(温度及soc区间)的支持充电倍率及快充方案。
[0046]
在本实施例中，一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型在构建完成后需要对模型进行训练，训练过程如下s11至s15：
[0047]
s11：预设边界析锂条件和电芯温度临界条件；
[0048]
不同规格电芯在快充过程中的析锂条件和电芯温度临界条件存在差异，因而该模型可以针对不同规格电芯进行充电条件调整，以适应不同规格电芯的快速充电。
[0049]
s12：基于较小电流对电芯进行放电容量标定，根据标定后的放电容量划分电芯的快充soc区间；
[0050]
采用较小电流(例如1c以内)对电芯进行放电，可以消除电芯极化的影响，使电芯
的容量能充分发挥，使得对soc标定更准确，便于后续基于容量所计算出电流的准确性。
[0051]
soc定义为电芯的荷电状态，即电芯还剩下多少电量，它等于(电芯的总容量-已放出的容量)/电芯的总容量；其中对于快充soc区间的划分可以随意划分，也可以可根据目标要求、搭载电芯车辆类型以及电芯的使用环境工况等条件进行划分；
[0052]
s13：将快充soc区间划分为多个间隔soc区间，分别获取快充过程中的负极界面处固液相电位和电芯温升；
[0053]
间隔soc区间的划分可以按照习惯进行划分，在此不做限定。
[0054]
s14：对所述间隔soc区间进行快充支持倍率标定，基于负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或者电芯温升小于等于电芯温度临界条件，得到间隔soc区间的充电倍率；
[0055]
在对间隔soc区间进行快充时，空电态下以不同的倍率恒流充至对应的间隔soc空间，并以边界析锂条件或电芯温度临界条件(例如根据负极界面处固液相电位在0v及0v以上(边界析锂条件的析锂电位)或者电芯正常工作的电芯温升(δt＝10
±
2℃，以环境温度25℃为例，电芯正常工作的最高温度为35℃(电芯温度临界条件))来确定)进行对应限制，输出对应间隔soc区间对应的电流，并标记对应的支持倍率，通过不同支持倍率重复以上充电过程，得到不同的支持倍率，对不同的支持倍率进行筛选，得到较佳充电电流对应的支持倍率，将该支持倍率作为间隔soc区间的充电倍率。
[0056]
s15：将所述间隔soc区间的充电倍率转化成充电电流以对电芯进行充电。
[0057]
充电电流等于标定容量下1c倍率放电的电流
×
充电倍率；标定容量下1c倍率放电的电流(a)＝标定的容量(ah)/1(h)。
[0058]
通过步骤s11至s15对构建完成的一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型进行训练，使得该模型可以快速获得电池在不同条件下(温度及soc区间)的支持充电倍率及快充方案，直接对设定好条件的电芯进行快速充电。
[0059]
通过负极界面处的固液相电位差等于0v(边界析锂条件)或者电芯温升δt小于等于10
±
2℃(电芯温度临界条件)，来判定电芯在间隔soc区间可支持的最大充电倍率，进而快速制定电芯快充方案。本方案不仅能节约人力、物力，同时可提供多段快充方案供客户选择使用，大大提升及发挥了电芯的性能。
[0060]
为了确定已训练好的一维锂离子电化学—热耦合瞬态模型的输出准确性，对间隔soc区间的充电倍率进行验证，验证过程如下s01至s03：
[0061]
s01：选取快充soc区间中任意连续的间隔soc区间；
[0062]
s02：采用之前得到的对应间隔soc区间的充电倍率对电芯进行充电；
[0063]
s03：若出现负极界面处固液相电位不等于边界析锂条件或电芯温升大于电芯温度临界条件，则调低该间隔soc区间的充电倍率，直至负极界面处固液相电位等于边界析锂条件或电芯温升小于等于电芯温度临界条件，输出更新后的该间隔soc区间的充电倍率，并更新原该间隔soc区间的充电倍率。
[0064]
通过以上验证过程对模型进行验证，提高了该模型的输出准确性，进而提高了电池快充的稳定性和高效性。
[0065]
作为一实施例：
[0066]
以三元电芯为例，在不同温度下分阶段快充支持倍率的标定以及连续快充方案的验证(25℃，间隔8％soc)；
[0067]
(1)分阶段快充支持倍率的标定
[0068]
①
在25℃下将满电态电芯以小倍率电流恒流放电至截止电压标定电芯容量，如图2所示；将电芯的快充soc区间设定为8％～80％，以8％为一个间隔分割成9个区间，分别在空电态下以不同的倍率恒流充至16％、24％、32％、40％、48％、56％、64％、72％、80％soc，探索出8％～16％soc、16％～24％soc、24％～32％soc、32％～40％soc、40％～48％soc、48％～56％soc、56％～64％soc、64％～72％soc、72％～80％soc支持的充电倍率，以上区间在充电过程中的充电电流-电压、负极界面处固液相电位、电芯温升曲线对应图2、图3、图4；
[0069]
(2)连续快充方案验证
[0070]
根据以上探索的结果，选取8％～80％soc区间以8％为一个间隔的支持充电倍率来进行分阶段连续快充验证，若负极界面处固液相电位均在0v(边界析锂条件)及以上或者电芯温升小于等于10
±
2℃(电芯温度临界条件)以上则选取以上分阶段的支持倍率来定快充策略，若负极界面处固液相电位在某个soc区间出现0v以下或者电芯最大温升高于10
±
2℃，则调低该段soc区间充电倍率进行连续快充验证直至负极界面处固液相电位均在0v及以上或者电芯最大温升小于等于10
±
2℃，最后选取该方案为快充策略。
[0071]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。