一种建立动力电池的电化学模型的方法及装置

本技术涉及电池，尤其涉及一种建立动力电池的电化学模型的方法及装置。

背景技术：

1、newman以多孔电极和浓溶液理论建立了伪二维(pseudo-two-dimensional，p2d)电化学模型，该模型不仅可以仿真动力电池外特性，还可以对动力电池内部特性变化(如电极与电解液中锂离子浓度、反应过电势等难以实测的电池内部物理量的变化)进行仿真，为优化动力电池系统设计提供理论支撑。

2、电化学模型一般包括在微观尺度(多孔电极的孔隙尺度)上建立的守恒方程、为了求解守恒方程而加入的本构方程、初始条件和边界条件等。其中，本构方程能够将守恒方程中的与热力学流相关的参数(未知参数)和与热力学驱动力相关的参数联系起来，然而，由于多孔电极的复杂迂曲几何拓扑结构，使在微观尺度上求解电化学模型时的计算量较大，求解困难，将微观尺度上的电化学模型转化为宏观尺度上的电化学模型，能够在保证计算精度的同时减少计算量。但是，相关技术中，将在微观尺度上建立的守恒方程转变为宏观尺度上的守恒方程之后，由于宏观尺度上没有可以适用的本构方程，通常假定在微观尺度上有效的本构方程也适用于宏观尺度。例如，通过引入一些有效输运性质后，将微观尺度上的本构方程直接施加到宏观尺度上，然而，与热力学驱动力相关的参数和与热力学流相关的参数之间的本构规律在微观尺度和宏观尺度上并不一定等同，这样可能会导致建立的电化学模型不能准确的描述动力电池的内部特性。

技术实现思路

1、本技术提供了一种建立动力电池的电化学模型的方法及装置，该方法能够更准确的表达与热力学流对应的参数和与热力学驱动力对应的参数在宏观尺度上的函数关系，从而使电化学模型能够更准确的描述动力电池的内部特性。

2、为解决上述问题，第一方面，本技术提供了一种建立动力电池的电化学模型的方法，所述方法包括：根据体积平均法对第一守恒方程进行体积平均以确定第二守恒方程，所述第一守恒方程为在微观尺度上建立的包括动力电池的电解质相和固体相的守恒方程，所述微观尺度为所述固体相中的孔隙尺度，所述第二守恒方程为宏观尺度上的守恒方程，所述宏观尺度为所述体积平均法中体积平均单元的尺度；根据热力学第二定律确定所述宏观尺度上的m个本构方程，所述第二守恒方程中包括m个与热力学流相关的第一参数和m个与热力学驱动力相关的第二参数，所述m个本构方程与所述m个第一参数一一对应，本构方程用于表示第一参数与对应的第二参数之间的函数关系，m为大于或者等于1的整数；根据所述第二守恒方程和所述m个本构方程构建所述宏观尺度上的电化学模型，所述电化学模型用于在所述宏观尺度上描述所述动力电池内部特性的变化规律。

3、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据热力学第二定律确定所述宏观尺度上的m个本构方程，包括：根据所述热力学第二定律和所述第二守恒方程推导所述动力电池的熵增方程，所述熵增方程用于表示所述m个第一参数中的每一个第一参数和对应的第二参数的乘积与熵增之间的函数关系；根据所述熵增方程确定所述m个本构方程。

4、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述根据所述熵增方程确定所述m个本构方程，包括：通过所述熵增方程确定与所述m个第一参数中的每一个第一参数对应的第二参数；在第一参数和对应的第二参数为线性关系的情况下，通过所述熵增方程确定所述每一个第一参数和对应的第二参数之间的比例系数，以确定所述m个本构方程。

5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述熵增方程为：

6、

7、其中，等号左边第一项为所述电解质相的熵增，等号左边第二项为所述固体相的熵增，等号右边的每一项均为第一参数与对应的第二参数的乘积，εl为所述电解质相的体积分数，εs为所述固体相的体积分数，ρl为所述电解质相的质量密度，ρs为所述固体相的质量密度，λl为所述电解质相的熵产，λs为所述固体相的熵产，θ为温度，ps为所述固体相的压力，pl为所述电解质相的压力，t为时间，vl为所述电解质相质心的速度，vs为所述固体相质心的速度，为所述电解质相中的动量转移量，ql为所述电解质相的热流密度，qs为所述固体相的热流密度，为所述电解质相中单位质量的组分k携带的电荷量，为所述固体相中单位质量的组分k携带的电荷量，为组分k在所述固体相中的扩散流量，为组分k在所述电解质相中的扩散流量，es为所述固体相的电场强度，el为所述电解质相的电场强度，为组分k在所述电解质相中的化学势，为组分k在所述固体相中的化学势，为化学反应j在所述电解质相中的化学亲和力，为化学反应j在所述固体相中的化学亲和力，为从界面向所述固体相的传质速率，为从界面向所述电解质相的传质速率，ψ为组分性质，为组分k在所述电解质相中的质量分数，为组分k在所述固体相中的质量分数，为组分k从界面向所述电解质相的传质速率，为组分k从界面向所述固体相的传质速率，为所述电解质相中的总能量转移量，为所述固体相中的总能量转移量，为所述电解质相中的内能转移量，为所述固体相中的内能转移量。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述第二守恒方程包括以下守恒方程中的至少一种：所述宏观尺度上的质量守恒方程、所述宏观尺度上的电荷守恒方程、所述宏观尺度上的动量守恒方程、所述宏观尺度上的能量守恒方程以及所述宏观尺度上的熵守恒方程。

9、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，第一参数为以下参数中的任意一种：电流密度、离子流密度、热流密度、所述固体相和所述电解质相之间的压力差、所述固体相和所述电解质相之间的速度差以及化学亲和力。

10、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述动力电池为锂离子电池或者钠离子电池。

11、根据本技术提供的建立动力电池的电化学模型的方法，首先根据体积平均法对第一守恒方程(微观尺度上的守恒方程)进行体积平均确定第二守恒方程(宏观尺度上的守恒方程)，其次根据热力学第二定律确定宏观尺度上的m个本构方程，最后根据第二守恒方程和m个本构方程构建宏观尺度上的电化学模型。相比于现有技术中通过引入有效输运性质将微观尺度上有效的本构方程加入宏观守恒方程，本技术能够根据热力学第二定律推导得到在宏观尺度上有效的本构方程，即能够更准确的描述守恒方程中第一参数(与热力学流对应的参数)和对应的第二参数(与热力学驱动力对应的参数)在宏观尺度上的函数关系，从而使最终构建的电化学模型能够更准确的描述动力电池的内部特性，而且，由于通过热力学第二定律能够将动力电池内部的各种过程联系起来，使电化学模型还能够更系统和更全面的描述动力电池的内部特性。

12、第二方面，本技术还提供了一种建立动力电池的电化学模型的装置，该装置包括：确定模块，用于根据体积平均法对第一守恒方程进行体积平均以确定第二守恒方程，所述第一守恒方程为在微观尺度上建立的包括动力电池的电解质相和固体相的守恒方程，所述微观尺度为所述固体相中的孔隙尺度，所述第二守恒方程为宏观尺度上的守恒方程，所述宏观尺度为所述体积平均法中体积平均单元的尺度；所述确定模块，还用于根据热力学第二定律确定所述宏观尺度上的m个本构方程，所述第二守恒方程中包括m个与热力学流对应的第一参数和 m个与热力学驱动力对应的第二参数，所述m个本构方程与所述m个第一参数一一对应，本构方程用于表示第一参数与对应的第二参数之间的函数关系，m为大于或者等于1的整数；构建模块，用于根据所述第二守恒方程和所述m个本构方程构建所述宏观尺度上的电化学模型，所述电化学模型用于在所述宏观尺度上描述所述动力电池内部特性的变化规律。

13、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述确定模块具体用于：根据所述热力学第二定律和所述第二守恒方程推导所述动力电池的熵增方程，所述熵增方程用于表示所述 m个第一参数中的每一个第一参数和对应的第二参数的乘积与熵增之间的函数关系；根据所述熵增方程确定所述m个本构方程。

14、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述确定模块具体用于：通过所述熵增方程确定与所述m个第一参数中的每一个第一参数对应的第二参数；在第一参数和对应的第二参数为线性关系的情况下，通过所述熵增方程确定所述每一个第一参数和对应的第二参数之间的比例系数，以确定所述m个本构方程。

15、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述熵增方程为：

16、

17、其中，等号左边第一项为所述电解质相的熵增，等号左边第二项为所述固体相的熵增，等号右边的每一项均为第一参数与对应的第二参数的乘积，εl为所述电解质相的体积分数，εs为所述固体相的体积分数，ρl为所述电解质相的质量密度，ρs为所述固体相的质量密度，λl为所述电解质相的熵产，λs为所述固体相的熵产，θ为温度，ps为所述固体相的压力，pl为所述电解质相的压力，t为时间，vl为所述电解质相质心的速度，vs为所述固体相质心的速度，为所述电解质相中的动量转移量，ql为所述电解质相的热流密度，qs为所述固体相的热流密度，为所述电解质相中单位质量的组分k携带的电荷量，为所述固体相中单位质量的组分k携带的电荷量，为组分k在所述固体相中的扩散流量，为组分k在所述电解质相中的扩散流量，es为所述固体相的电场强度，el为所述电解质相的电场强度，为组分k在所述电解质相中的化学势，为组分k在所述固体相中的化学势，为化学反应j在所述电解质相中的化学亲和力，为化学反应j在所述固体相中的化学亲和力，为从界面向所述固体相的传质速率，为从界面向所述电解质相的传质速率，ψ为组分性质，为组分k在所述电解质相中的质量分数，为组分k在所述固体相中的质量分数，为组分k从界面向所述电解质相的传质速率，为组分k从界面向所述固体相的传质速率，为所述电解质相中的总能量转移量，为所述固体相中的总能量转移量，为所述电解质相中的内能转移量，为所述固体相中的内能转移量。

18、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述第二守恒方程包括以下守恒方程中的至少一种：所述宏观尺度上的质量守恒方程、所述宏观尺度上的电荷守恒方程、所述宏观尺度上的动量守恒方程、所述宏观尺度上的能量守恒方程以及所述宏观尺度上的熵守恒方程。

19、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，第一参数为以下参数中的任意一种：电流密度、离子流密度、热流密度、所述固体相和所述电解质相之间的压力差、所述固体相和所述电解质相之间的速度差以及化学亲和力。

20、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述动力电池为锂离子电池或者钠离子电池。

21、第三方面，本技术还提供了一种动力电池的仿真方法，包括：根据前述第一方面中任一种可能设计中所提供的方法得到的电化学模型确定动力电池的仿真模型；将第三参数输入所述仿真模型，根据所述仿真模型的输出结果确定所述动力电池内部特性的变化规律，所述第三参数包括所述动力电池的电解质相和固体相的分布状态。

22、第四方面，本技术还提供了一种建立动力电池的电化学模型的装置，包括至少一个处理器，所述至少一个处理器用于与存储器耦合，读取并执行所述存储器中的指令，以实现前述第一方面中任一种可能设计中所提供的方法。

23、可选地，该建模装置还包括该存储器。

24、第五方面，本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行前述第一方面中任一种可能设计中所提供的方法。

25、第六方面，本技术还提供了一种芯片系统，包括处理器，用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有所述芯片系统的设备执行前述第一方面中任一种可能设计中所提供的方法。

26、第七方面，本技术实施例还提供一种包含指令的计算机程序产品，当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得该计算机执行前述第一方面中任一种可能设计中所提供的方法。