锂电池建模与仿真

&版基于等效电路模型锂硫电池模组热仿真#彬刘宇强（上汽大众汽车有限公司，上海201805）【摘要】随着比能量要求的提升，锂硫电池作为下一代高比能量电池,受到越来越多的关注，锂硫电池以及模组的究受到更多青睐。

但由于锂硫电池界面的内阻大、工作温升高、一题也成为其应用的重因。

为了研究锂硫电池模组的热，文章基统锂离子电池的电路模型,建立了锂硫电池的数学模型，在此基础上应件对锂硫电池模组的热仿真。

热仿真试验测试的对比，可以看到热仿真分析的误差较小，说明该模型的精度较高，可以作为实际热究的参考。

在此基础上优化模组内部传热设计，了较高的温度一，为锂硫电其模组的热性究提供了比较好的基础。

【Abstract1With the improving requirement of high energy density，lithium-sulfui batteries asthe next generation of high energy density bMteoes have attracted more and more attention，and the performance research of lithium-sulfuo cell module is becoming populao. Howeveo，due te the large io-temal resistance coused by the poor interface contact of the lithium-sulfur batee，the operating tem­perature rises，ite pooe consistency and other issues become important easons for limiting its applico-tion.The equivelent circuit modd of tee traditional lithium-ion batee，eie mathematicol modd of the lithium-suian batere is established，and the theanal perfomianco of the batere moduleis simulated by tee application o f three-dimensional softeare.It con be seen teat the erroa of thermal simulation analysis is smallea，indicoting that the accuraco of ee modd is highea，and it con be usedas a referenco foe actual thermal performanco reseerch.It provides a good foundation foe the subsequent meh on the thermal performanco of lithium-sulfue btteries and their modules.【关键词】锂硫电池等效电路模型热模型doi：10.3969/j.issn.1007-4554.2021.05.010引言着对环境的注,新汽车作为一种绿色环保车型，已经成为绿色出的一个重要交通工具。

锂离子电池教程下面介绍锂离子电池二维模型。

电池的几何可以是一个实验电池的一小部分，本节只演示如何建立二维模型。

实际的二维几何结构请参见绕带式锂离子电池的边效应案例，可以在电池和燃料电池App 库中找到。

模型定义下图显示了电池的几何结构。

由于沿着电池高度方向的对称性，因此三维几何可以使用二维横截面进行建模。

图中显示了正极和负极的位置，以及在放电过程中正负极集流体接触的位置。

在放电过程中，负集流体与电池外部的面接触(红色面，中下图)，而正集流体则位于该折叠结构的内部(蓝色面，中上图)。

建模的二维横截面以绿色显正极电解质负极 横截面负集流体 （放电）正集流体（放电）示(右图)。

下图显示二维电池几何结构。

放电过程中，正极为阴极，而与之接触的金属作为负集流体。

负极为阳极，与之接触的金属则作为正集流体。

模型定义并求解了锂离子电池中的电流和物质守恒。

使用粒子半径作为第四个因变量（x 、y 和 t 是其他三个变量)求解正极和负极的颗粒中的锂嵌入。

反应动力学和嵌入耦合到颗粒表面的质量守恒和电流守恒。

模型方程可以在电池和燃料电池用户指南 中找到。

本模型最初为加州大学伯克利分校的John Newman 及其合作者建立的一维仿真。

结果与讨论二维仿真的目的是表征在电极的不同位置放电深度的分布，以及放电深度随时间的演化。

放电深度的分布与正负集流体、电极与电解质的厚度，以及电极反应和传递属性等相关。

下图显示了正集流体经过200 A/m 2放电120 s 以后，电极中的颗粒表面上的锂浓度。

正极上的高浓度与电极上这些部分的局部放电深度成正比。

相反，负极上低浓度锂与电极局部放电深度成正比。

图中还显示了在相对正集流体的电极背面区域，放电过程中利用率较少。

不过，随着放电过程的延续，这些部分也负集流体正集流体正极负极1.3 mm会参与放电。

然而，对于电池的重复循环过程(充电和放电)，如果在循环使用过程中电极仅以中等程度放电，则电极的不同部分会发生非均匀老化。

等效电路法动力锂离子电池组系统建模与仿真王新霞;王党树【摘要】以锂离子电池作为研究对象分析了多种电池等效电路模型的优缺点,最终选取二阶RC等效电路模型,搭建了仿真模型.该模型很好地表现了电池的输出特性,不仅直观地反映了开路电压(Open Circuit Voltage,OCV)-荷电状态(State of Charge,SOC)特性,更进一步反映了工作电压-荷电状态特性,对电池的SOC在线评估具有的重要作用.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】5页(P92-96)【关键词】电池模型;电池管理系统;荷电状态估计;均衡保护【作者】王新霞;王党树【作者单位】西安科技大学电气与控制工程学院,西安710054;西安科技大学理学院,西安710054【正文语种】中文【中图分类】TP274+.20 引言建立准确的电池等效模型是研究电池荷电状态估计和均衡管理一种重要方法。

目前国内外学者所建立的电池模型大致可分为电化学模型、数学分析模型或电气原理模型[1-4]。

电化学模型是从电池的电解液、电极、隔膜材料之间的反应机理出发,用数学模型反映电极化学反应过程及电解液离子的浓度变化。

建模者应具有良好的电化学知识，所以模型只能在特定环境条件下使用[2]。

数学分析是根据经验利用过数学方程来表示电池内部关系，抽象于实体电池,主要有Peukert、RVW和随机马尔科夫链模型。

但不能表征电池内部具体参数如电阻、端口电压，难以仿真[5-8]。

电气模型又称作等效电路模型，是用具体的电气方程描述电池内部特性和外特性。

主要有Thevenin模型[9-10]、PNGV(Partnership for a New Generation of Vehicles)模型[5]和通用性的非线性(General Nonlinear, GNL)模型[11-12]：Thevenin模型对电池稳态特性的描述不够完善，同时无法预测电池的工作时长；PNGV 模型对Thevenin模型做出了改善，但是它的精度是一大缺陷；GNL模型是对PNGV 模型的扩展与推广，模型适用性广，但同样模拟精度不高。

COMSOL Multiphysics对锂离子电池的热失控模拟仿真揭示了，放热条件可能导致热引燃。

在锂离子电池的开发过程中，安全设计与评估在预防热失控引起的着火等问题中发挥着重要的作用。

我们使用模拟技术，如COMSOL Multiphysics来了解各种现象对锂离子电池的影响，评估电池的安全性。

本文介绍了一种建模的方法来测试在锂电池里的化学反应放热的安全性。

―如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态。

如果释放的热量少，温度就会稳步上升并导致热失控。

‖我们的模拟着眼于使用热分析来评估热失控条件。

考虑了三种放热形式：使用加热箱和加速量热仪（ARC）的外部加热化学反应（热降解反应，燃烧等）产生的内部热量，和热（热传导、辐射）。

如果释放的热量比由内部和外部放热产生的热量大，电池将会是热稳定的状态；如果释放的热量少，温度就会稳步上升，并将导致热失控。

在加热试验的模拟中，外部热源使用加热箱供热。

图1.活性材料的热化学反应DSC测量一种反应热模型当模拟化学反应产生的内部热时，有几个物理现象必须考虑。

首先，分离膜和电解质的热降解，这将影响电导率。

其次，负极的电解质反应，涉及多种反应，不能用单一反应来描述。

本研究中，反应分两步进行：固体电解质接触面（SEI）和通过SEI的负极电解质反应。

最后，在模型中也包含了正极电解质反应。

―COMSOL Multiphysics是电池分析的理想平台。

‖表1.分析条件（18650圆柱形电池）我们进行了一系列在匀速升温的化学反应的差示扫描量热仪分析（DSC）来获得参数拟合的反应热模型。

图1显示的是一个DSC测量的例子，一个1小时温度升高的过程（5°C/分钟），其中正电极是LiCoO2，负电极是碳，电解液是一种碳酸乙烯（EC）和碳酸二乙酯（DEC）的混合物。

从图一中DSC测量的结果看出，生热率系数——单位时间单位体积产生的热量——随温度变化的曲线。

车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控引言车用锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，具有高能量密度、长寿命和环境友好等优势。

然而，在长时间使用或异常情况下，锂离子动力电池可能会出现热失控的情况，导致严重的安全问题。

不了解热失控的诱发与扩展机理，不能有效地进行建模与防控，这将对新能源汽车的发展带来重大障碍。

一、热失控的诱发机理1. 过充电与过放电过充电和过放电是引发锂离子动力电池热失控的主要原因之一。

过充电会引起电池内部发生副反应，产生大量热量，导致电池温度升高；过放电会导致锂离子析出金属锂，形成锂枝和锂塑料，造成电池内短路并升温。

2. 电池内部短路电池内部短路是热失控的另一个主要诱发因素。

当电池内部发生结构破坏、电解液泄露或隔膜被破坏时，正负极之间会发生短路，导致电池温度升高，并且可能引发火灾。

3. 外部因素的影响外部因素，如高温环境、机械撞击、震动和电池老化等，也会引发锂离子动力电池的热失控。

高温环境会增加电池内部自发热的速率，机械撞击和震动会导致电池内部物质的移位和损伤，电池老化会导致电池内部结构和材料的退化。

二、热失控的扩展机理一旦锂离子动力电池发生热失控，温度升高快速释放的大量热量将会导致热失控的扩展。

在扩展过程中，主要有以下机理：1. 热反应的链式反应锂离子动力电池的热失控是一个自加速的过程。

在高温下，电池内部发生的自燃和爆炸反应产生更多的热量，进一步加剧电池的热失控，形成链式反应。

2. 气体生成与扩散电池内部的热失控过程中，会产生大量的气体，如氢气和氧气等。

这些气体的生成和扩散会加速电池的扩展过程，导致火灾和爆炸的发生。

3. 热通道和热传导热通道和热传导是热失控扩展的重要机理之一。

电池内部结构的设计、材料的选择以及电池组的组装方式会影响热通道的形成与热传导的速率，进而影响热失控的扩展速度和范围。

三、建模与防控策略建立准确的锂离子动力电池热失控模型是进行防控的基础。

车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控一、本文概述1、车用锂离子动力电池的重要性和应用背景随着全球对环保和可持续发展的日益关注，新能源汽车，特别是电动汽车（EV）在全球范围内得到了广泛的推广和应用。

作为电动汽车的核心组件，车用锂离子动力电池的性能和安全性直接影响着整车的运行效率和乘客的安全。

因此，深入研究和理解车用锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机理、建模与防控技术，对于推动电动汽车行业的健康发展，提高电池系统的安全性和可靠性，具有重大的现实意义和理论价值。

车用锂离子动力电池以其高能量密度、长寿命、无记忆效应等优点，成为新能源汽车领域的主流选择。

然而，随着电池技术的不断进步和应用范围的扩大，电池安全问题也逐渐凸显出来。

特别是在高温、过充、短路等极端条件下，电池内部的热失控反应可能会迅速扩展，导致电池起火甚至爆炸，严重威胁到乘客的生命安全。

因此，对车用锂离子动力电池的热失控诱发与扩展机理进行深入研究，有助于我们更好地理解电池安全问题的本质，为电池设计、制造和使用提供科学的理论依据。

通过建立精确的电池热失控模型，我们可以对电池的安全性进行定量评估，为电池管理系统的设计和优化提供重要的参考。

研发有效的电池热失控防控技术，也是提高电池安全性和推动电动汽车行业可持续发展的重要途径。

车用锂离子动力电池的重要性和应用背景使得对其热失控诱发与扩展机理、建模与防控技术的研究成为了当前新能源汽车领域的热点和难点问题。

只有不断深入研究和探索，才能为电动汽车行业的健康发展提供坚实的技术支撑。

2、热失控问题的严重性和研究意义随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，新能源汽车以其环保、节能的优势，逐渐成为汽车市场的新宠。

其中，锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，其性能与安全性直接关系到车辆的运行效率和乘客的生命安全。

然而，锂离子动力电池在充放电过程中，由于内部化学反应的复杂性以及外部环境因素的影响，存在着热失控的风险。

动力锂电池pack设计中的结构仿真作者：严永利缪锋唐为洲杜国利王永明来源：《中国科技博览》2017年第06期[摘要]锂电池Pack结构设计需要保证车辆在各种工况下运行时，电池包的强度、刚度始终处在安全的范围内，从而保证整车的行驶安全和长寿命。

锂电池Pack设计中往往会借助结构仿真（FEA）来辅助工程师完成pack结构仿真设计，本文从现状出发，介绍了锂电池pack 结构仿真设计中的必备理论知识以及仿真工具，并深入研究了结构仿真的基本理论。

[关键词]锂电池pack；结构；仿真；FEA中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0106-011 仿真在电池系统中的作用与意义结构仿真即有限元分析（Finite Element Analysis，FEA），它利用数学近似的方法对系统对象进行模拟，其做法是将结构划分成有限个相互连通的子区域，即单元，用有限数量的单元去逼近真实的系统，将复杂系统简化后求出近似解，因而这种近似解能满足工程应用的需求。

电池系统Pack作为电动汽车的“心脏”，须保证其在设计寿命周期内既能提供持久稳定的动力，又不能存在安全隐患，要在低成本和短时间内确保电池系统机械结构性能满足要求，就要采用结构仿真，仿真分析大致可以归结为以下几点：第一，对结构进行拓补优化，指出哪里需要布置材料，哪里不需要布置材料，确保概念设计的初期使设计朝着正确的方向推进；第二，能及时地发现结构存在的强度和刚度问题，并给出优化的方向；第三，能够确保认证测试一次性通过，缩短开发时间和节约开发成本。

2.基础知识和常用仿真工具介绍2.1 仿真工程师必备的知识在电池系统设计中，要灵活有效地运用结构仿真技术，结构仿真人员至少应具备以下三个方面的技能和经验：1）坚实的理论基础，包括力学理论和有限元理论。

2）必要的程序使用经验，对常用的商业有限元分析程序能够熟练应用。

3）丰富的工程实践经验。