本發(fā)明涉及鋰離子電池，特別涉及一種基于電化學(xué)-熱-力-老化耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池因其高能量密度、長壽命和高安全性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于新能源汽車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，鋰電池的性能和使用壽命在很大程度上受到其工作條件的影響，特別是近年來的研究表明，外部力對電池性能和壽命具有重要影響。研究發(fā)現(xiàn)，電池在長時間使用過程中，力學(xué)因素對其容量衰減有顯著作用。具體而言，過低的預(yù)緊力可能導(dǎo)致電池內(nèi)部各組件接觸不緊密，而過高的預(yù)緊力則可能降低多孔組件的孔隙率，進(jìn)而引發(fā)析鋰現(xiàn)象，從而影響電池的正常運(yùn)行和壽命。然而，在電池設(shè)計(jì)中，通過長時間的循環(huán)實(shí)驗(yàn)來確定最優(yōu)預(yù)緊力既耗時又費(fèi)財(cái)，這一問題亟待解決。

2、為了有效預(yù)測電池不同預(yù)緊力下的容量衰減，進(jìn)而指導(dǎo)電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升其全生命周期的可靠性，研究人員提出了電化學(xué)-熱-力-老化耦合模型。然而，目前現(xiàn)有的多種模型仍存在一些局限性，未能完全解決電池長循環(huán)過程中力學(xué)、熱力和老化之間的復(fù)雜相互作用。

3、目前，已有的電池性能模型主要包括電化學(xué)-熱-力耦合模型以及顆粒層級的電化學(xué)-熱-力-老化耦合模型。前者主要關(guān)注單次充放電過程中力的演化，雖然考慮了電化學(xué)、熱和力學(xué)的耦合效應(yīng)，但未能涉及電池的老化過程，也無法預(yù)測電池在長循環(huán)過程中的容量衰減及其對力學(xué)狀態(tài)的影響。后者則通過考慮微觀顆粒層級的插層應(yīng)力對sei膜生長和活性材料破碎的影響，能夠在一定程度上預(yù)測電池的容量衰減，但仍存在一些缺點(diǎn)：其計(jì)算僅限于顆粒層級，未考慮宏觀預(yù)緊力對電池長周期行為的影響，無法有效預(yù)測不同預(yù)緊力下電池容量衰減速率的差異。

4、因此，亟需一種新型的方法，能夠在傳統(tǒng)的電化學(xué)-熱-力耦合模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合力學(xué)失效機(jī)制，預(yù)測不同預(yù)緊力下電池長循環(huán)過程中的容量衰減，并確定最優(yōu)的預(yù)緊力，從而有效提高電池的壽命和性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法，包括以下步驟：

4、s1：確定多物理場耦合關(guān)系及模型尺度；所述關(guān)系包括電化學(xué)-熱、熱-力、力-老化和電化學(xué)-力之間的相互作用機(jī)制，所述模型尺度包括顆粒層級、電極層級、電芯層級和模組層級；

5、s2：根據(jù)實(shí)際仿真需求定義各子模型維度以及獲取多場耦合模型參數(shù)；所述子模型包括p2d電化學(xué)模型、集總熱模型、唯象力學(xué)模型和老化模型，所述p2d電化學(xué)模型用于模擬電池內(nèi)部的固、液相傳質(zhì)、導(dǎo)電以及電化學(xué)反應(yīng)，所述集總熱模型計(jì)算電池的溫升和熱膨脹，所述唯象力學(xué)模型中計(jì)算電池的膨脹并模擬電池在實(shí)際模組中恒間隙約束條件下膨脹力的變化，所述老化模型計(jì)算sei生長、析鋰以及力學(xué)失效三種老化機(jī)制作用下電池的容量衰減；

6、s3：構(gòu)建多場耦合模型與邊界條件，確定模型耦合機(jī)制，包括p2d電化學(xué)模型、集總熱模型、唯象力學(xué)模型以及老化模型；所述邊界條件包括電化學(xué)反應(yīng)的邊界條件、熱傳導(dǎo)的邊界條件以及力學(xué)約束條件，

7、s4：確定模型數(shù)值求解方法；所述方法基于comsol?multiphysics進(jìn)行數(shù)值仿真，通過鋰離子電池節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電化學(xué)、熱、力和老化耦合模型的計(jì)算。

8、s5：模型驗(yàn)證與最優(yōu)預(yù)緊力確定，通過仿真不同預(yù)緊力對電池膨脹力和容量衰減的影響，得出最優(yōu)預(yù)緊力值。

9、進(jìn)一步地，所述多物理場耦合關(guān)系包括：電化學(xué)-熱：電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱提高電池溫度，溫度影響電化學(xué)反應(yīng)及傳質(zhì)速率；電化學(xué)-力：活性材料嵌鋰引起插層膨脹，從而導(dǎo)致力的波動，力會影響電池的組件接觸及材料微觀結(jié)構(gòu)，影響傳質(zhì)；電化學(xué)-老化：電池的容量衰減受內(nèi)部傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)速率影響；熱-力：熱膨脹會引起力的波動；熱-老化：溫度會影響電池的容量衰減速率；力-老化：力過大會增加電池析鋰的風(fēng)險(xiǎn)，力過小會導(dǎo)致多孔組件接觸不緊密。

10、進(jìn)一步地，所述的多物理場耦合模型包含四個部分：p2d電化學(xué)模型、集總熱模型、唯象力學(xué)模型以及老化模型；所述p2d電化學(xué)模型模擬電池內(nèi)部的擴(kuò)散、電遷移傳質(zhì)及電化學(xué)行為；所述集總熱模型計(jì)算電池的溫升和熱膨脹；所述唯象力學(xué)模型計(jì)算電池的總膨脹并模擬電池在實(shí)際模組中恒間隙約束條件下膨脹力的變化；所述的老化模型包括sei生長、析鋰和力學(xué)失效三種老化機(jī)制，分別采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，控制電池容量衰減、電極失活及析鋰行為。

11、進(jìn)一步地，所述的p2d電化學(xué)模型包括以下控制方程：

12、固相電荷守恒方程：

13、

14、液相電荷守恒方程：

15、

16、液相物料守恒方程：

17、

18、固相物料守恒方程：

19、

20、電化學(xué)反應(yīng)電流：

21、

22、過電位：

23、

24、式中，表示固相有效電導(dǎo)率，φs表示固相電位，j表示反應(yīng)電流密度，表示液相有效電導(dǎo)率，φe表示液相電位，表示液相擴(kuò)散系數(shù)，ce表示液相濃度，ε表示孔隙率，表示液相有效擴(kuò)散系數(shù)，t+表示陽離子遷移率，f表示法拉第常數(shù)，cs表示固相濃度，ds表示固相擴(kuò)散系數(shù)，r表示顆粒的半徑，a表示比表面積，i0表示參考電流密度，αa表示陽極的反應(yīng)系數(shù)，αc表示陰極的反應(yīng)系數(shù)，r表示氣體常數(shù)，t表示電池溫度，η表示過電位，rfilm表示電解液與電極之間的電阻，ueq表示電化學(xué)反應(yīng)的平衡電位。

25、進(jìn)一步地，所述的集總熱模型包括以下控制方程：

26、熱源方程：

27、

28、電池的溫度變化方程：

29、

30、電化學(xué)模型參數(shù)的溫度依賴性：

31、

32、式中，表示電池的電化學(xué)反應(yīng)的熵?zé)嵯禂?shù)，表示液相有效電導(dǎo)率，φe表示液相電位，cp：比熱容，mcell：電池的質(zhì)量，電池溫度隨時間的變化率，q：熱源產(chǎn)生的熱量，a：電池散熱面積，hcell表示電池的對流熱傳導(dǎo)系數(shù)，tamb表示環(huán)境溫度，ψ表示物理量包括擴(kuò)散系數(shù)、電導(dǎo)率、電流密度的溫度依賴參數(shù)，ψref表示在參考溫度tref下的參數(shù)值，表示活化能。

33、進(jìn)一步地，所述唯象力學(xué)模型包括以下控制方程：

34、顆粒層級的徑向應(yīng)力方程：

35、

36、顆粒層級的切向應(yīng)力方程：

37、

38、顆粒層級的應(yīng)變方程：

39、

40、電池厚度變化方程：

41、δlint＝(δlp,corr+δln,corr)·np·2

42、

43、δltotal＝δlint+δlth

44、式中，σr,i(r)表示在顆粒層級的徑向應(yīng)力，ω表示顆粒的偏摩爾體積，e表示彈性模量，v表示泊松比，ri表示顆粒的半徑，cs(r)表示顆粒中某點(diǎn)的濃度分布，r表示徑向位置，σt,i(r)表示顆粒層級的切向應(yīng)力，ui(r)表示顆粒在徑向方向的應(yīng)變，表示電池的插層膨脹，np表示正極片層數(shù)，δlp,corr和ln,corr和分別代表正極和負(fù)極的插層膨脹，δlth表示電池?zé)崤蛎?，αcell表示電池的熱膨脹系數(shù)，ltotal表示電池的總厚度，t0表示環(huán)境溫度，x表示空間位置，從電池的一端到另一端的距離，δltotal表示電池的總厚度變化。

45、進(jìn)一步地，所述老化模型包括以下控制方程：

46、sei生長控制方程：

47、

48、電解液中ec的擴(kuò)散方程：

49、

50、sei濃度變化方程：

51、

52、析鋰控制方程：

53、

54、析鋰引起的卷芯膨脹方程：

55、

56、力學(xué)失效方程：

57、

58、

59、式中，jsei表示sei膜(固體電解質(zhì)界面)生長電流密度，k0,sei表示sei反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，αc,sei表示sei膜反應(yīng)的陰極電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，jtot表示總電流密度，rfilm表示膜的電阻，usei表示sei膜的平衡電位，dec表示ec的擴(kuò)散系數(shù)，表示ec在固體電解質(zhì)界面附近的濃度，表示ec在電解液中的濃度，δfilm表示sei膜的厚度，csei表示sei反應(yīng)產(chǎn)物的濃度，表示乙烯分子的濃度，jli表示析鋰電流密度，i0,li表示析鋰反應(yīng)的交換電流密度，cli表示鋰離子濃度，表示鋰離子濃度的平衡值，αa,li表示鋰析出反應(yīng)的陽極電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，表示電解液中鋰離子濃度的平衡值，αc,li表示鋰析出反應(yīng)的陰極電荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，δlli表示由于析鋰而導(dǎo)致的電池卷芯的膨脹量，ln表示負(fù)極厚度，rn表示負(fù)極顆粒的粒徑，vn(θn)表示卷芯的體積變化系數(shù)，εs,n表示卷芯材料的孔隙率。

60、進(jìn)一步地，所述模型通過數(shù)值仿真求解，包括以下子步驟：

61、選擇適當(dāng)?shù)奈锢韴瞿K，包括電化學(xué)、熱、力學(xué)和老化模塊，并定義相應(yīng)的物理屬性和材料參數(shù)；

62、創(chuàng)建電池幾何模型并設(shè)置邊界條件，包括電化學(xué)反應(yīng)、熱傳導(dǎo)和力學(xué)約束條件；

63、設(shè)置多物理場耦合關(guān)系，確保電化學(xué)、熱、力和老化過程相互影響；

64、選擇數(shù)值求解方法，包括時間步長、非線性求解器和精度設(shè)置，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；

65、劃分網(wǎng)格并進(jìn)行仿真求解，評估電池性能，包括膨脹力、溫度和容量衰減等；

66、進(jìn)行結(jié)果后處理和分析，確定最優(yōu)預(yù)緊力并驗(yàn)證模型。

67、本發(fā)明還公開了一種基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠用于實(shí)施上述的基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法，具體的，包括：

68、電化學(xué)模型模塊：用于模擬電池內(nèi)部固相與液相的傳質(zhì)、電遷移和電化學(xué)反應(yīng)過程，所述模塊包括電化學(xué)反應(yīng)方程、電荷守恒方程、物料守恒方程等；

69、熱模型模塊：用于計(jì)算電池的溫升和熱膨脹，所述模塊包括熱傳導(dǎo)方程、熱源計(jì)算以及溫度場的耦合；

70、力學(xué)模型模塊：用于計(jì)算電池的膨脹及膨脹力，模擬電池在實(shí)際模組中恒間隙約束條件下的力學(xué)行為，所述模塊包括力學(xué)方程、應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等；

71、老化模型模塊：用于描述電池的sei生長、析鋰以及力學(xué)失效等老化過程，所述模塊包括老化方程和相應(yīng)的物理機(jī)制；

72、多物理場耦合模塊：用于將電化學(xué)、熱、力學(xué)和老化模型進(jìn)行耦合，確保各物理場之間的相互影響；

73、數(shù)值求解模塊：用于通過數(shù)值仿真計(jì)算各模塊之間的相互耦合和物理過程，確保模型的求解與優(yōu)化；

74、結(jié)果分析模塊：用于分析仿真結(jié)果并確定最優(yōu)預(yù)緊力，提供電池性能的可視化和驗(yàn)證。

75、本發(fā)明還公開了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實(shí)現(xiàn)上述基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法。

76、本發(fā)明還公開了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實(shí)現(xiàn)上述基于多物理場耦合模型的鋰離子電池衰減預(yù)測方法。

77、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于

78、1.通過引入電化學(xué)-熱-力-老化耦合模型，本發(fā)明能夠全面預(yù)測電池在不同預(yù)緊力條件下的容量衰減情況，特別是考慮了sei生長、析鋰、力學(xué)失效等多個老化機(jī)制的綜合作用，解決了傳統(tǒng)方法只能預(yù)測短周期或單一老化機(jī)制影響的問題。

79、2.本發(fā)明能夠在不同預(yù)緊力條件下，模擬電池的膨脹力演化和容量衰減，確定最優(yōu)預(yù)緊力值，避免因過低或過高預(yù)緊力帶來的負(fù)面影響，從而有效提高電池的循環(huán)壽命和安全性。

80、3.本發(fā)明不僅考慮電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，還綜合了熱效應(yīng)、力學(xué)應(yīng)力和老化機(jī)制，能夠更準(zhǔn)確地模擬電池在實(shí)際工作環(huán)境中的復(fù)雜行為，克服了現(xiàn)有技術(shù)中單一物理場模型的局限性。

81、4.通過該模型可以對電池模組和電池包的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，合理調(diào)節(jié)電池預(yù)緊力，防止因力學(xué)應(yīng)力過大或過小導(dǎo)致的電池?fù)p壞，確保電池包在全生命周期內(nèi)的高可靠性。

82、5.與傳統(tǒng)的基于實(shí)驗(yàn)的電池性能優(yōu)化方法相比，本發(fā)明提供了基于數(shù)值仿真的方法，可以通過仿真模擬不同工況下的電池行為，從而減少了大量的實(shí)驗(yàn)和測試，節(jié)省了研發(fā)時間和成本。

83、6.該模型不僅適用于新能源汽車領(lǐng)域的動力電池，還可以廣泛應(yīng)用于儲能系統(tǒng)、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的通用性和適應(yīng)性。