基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法、装置及介质与流程

本技术属于锂电池，涉及一种基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法、装置及介质。

背景技术：

1、全球“碳中和”背景下，对可代替石油能源的清洁能源寻找热情持续升温。太阳能、潮汐能、风能、水能等是一种清洁的可持续利用的能源，但能源产生的介质可控性相对不是很强。锂离子电池是目前新一代二次电池，其具有较高的能量密度和循环寿命，目前广泛应用于移动通信、数码科技、电动汽车、能源存储等领域，未来对锂离子电池及其材料的需求难以估量，其配套的上下游产业链也市场巨大。对于锂电池建立物理化学模型，得到电池内部空间时间上的物理化学状态量的模拟数值，能够给更加清晰地了解监控锂电池的实时工作状态，从而更好保障锂电池的经济性、可靠性和安全性。

2、在电化学模型中，大多数物化状态量场随时间空间的变换是由时域偏微分方程进行描述的。一方面，这些偏微分方程在时间和空间上都有被描述，需要注意时空的分离；另一方面多个偏微分方程是互相强耦合的，进行数值模拟时，需要进行解耦。在电化学准二维耦合模型中，其方程描述在欧式空间上仅有一维，同时一维欧式空间处处又卷绕有该处颗粒的半径维度。在电化学准二维耦合模型的这两个空间维度上，耦合有电场、热场、应力场等多场，表征了电化学、传质、传热、动量传递等多种物理化学过程，以及包括颗粒，固，液，金属和高分子等相与亚相，十分复杂。目前国内关于电化学模型的模拟仿真多基于国外计算软件如ansys、comsol、fluent，而极少有从数值模拟原理开始搭建的电化学模型。

3、目前主流的电化学模型仿真方法使用有限差分法、有限元法、有限体积法、拟合函数法、简化物化控制条件的方法来进行电化学模型的仿真。使用像有限差分法、有限元法、有限体积法的离散迭代解法对计算端的算力要求高，且计算慢，无法进行高通量多电池的电化学计算。而使用拟合函数法、简化物化控制条件的方法的解法由于其本身只是控制方程的近似解和简化解，求出精度不高，会对实际的应用带来累计误差。

4、在此基础上，对于锂电池的路端电压，一般只能使用euler法计算路端电压，导致数值模拟精度不高。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法、装置及介质，用于解决上述现有技术中存在的问题。

2、第一方面，本技术提供一种基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法，所述方法包括：构建锂电池的电化学模型，并将锂离子电池划分为三个域，包括负极、隔膜和正极；在锂离子电池的三个域上分别利用切比雪夫谱方法数值模拟电化学模型，分别获取负极和正极的液相电势、过电位和开路电压的分布数据；基于所述液相电势、过电位和开路电压的离散数据求取负极和正极的固相电势分布数据；基于负极和正极的固相电势分布数据求取锂电池路端电压。本技术中，通过切比雪夫谱方法进行电化学模型的仿真模拟，大大提高了仿真精度，同时实现了锂电池路端电压的精确计算。

3、在第一方面的一种实现方式中，在锂离子电池的三个域上分别利用切比雪夫谱方法数值模拟电化学模型，分别获取负极和正极的液相电势、过电位和开路电压的离散数据包括：采用切比雪夫谱方法数值模拟电化学模型，分别求取负极、正极和隔膜内部的物理量在切比雪夫点处的近似值，其中负极和正极内部的物理量包括液相交换电流密度、液相锂离子浓度、过电位和开路电压，隔膜内的物理量包括液相交换电流密度和液相锂离子浓度；基于负极、正极和隔膜内部的液相交换电流密度和液相锂离子浓度，在负极、隔膜和正极三个域上依次采用切比雪夫谱方法对电化学模型中的液相电势控制方程进行求解，获取负极、隔膜和正极的液相电势在切比雪夫点处的近似值。

4、在第一方面的一种实现方式中，所述锂电池在负极、隔膜和正极三个域上上的液相电势控制方程一致，表示为：其中，φe为液相电势，ie为液相交换电流密度，ce为液相锂离子浓度，σeff为液相有效电导率，r为普适气体常数，t为参考温度，f为法拉第常数，tc为锂离子迁移数，x为计算域上的空间坐标点。

5、在第一方面的一种实现方式中，基于负极、正极和隔膜内部的液相交换电流密度和液相锂离子浓度，在负极、隔膜和正极三个域上依次采用切比雪夫谱方法对电化学模型中的液相电势控制方程进行求解，获取负极、隔膜和正极的液相电势在切比雪夫点处的近似值包括：在当前计算域上，构造切比雪夫点，将计算域上的空间坐标点转化到切比雪夫计算区间；将液相电势控制方程的求解区间转化为切比雪夫计算区间上，液相电势控制方程转化为：其中，x为切比雪夫计算区间中的坐标点，l为计算域的长度；将转化后的液相电势控制方程在每个计算单元上积分，表示为：其中，[xj+1,xj]为第j个计算单元，xj，xj+1分别为第j个计算单元对应的切比雪夫点，j＝1，2，……，n，n为切比雪夫网格数，φe(xj)、φe(xj+1)为对应切比雪夫点处的液相电势；将近似为其中，xk为第k个切比雪夫点，ie(xk)为计算域上第k个切比雪夫点对应的液相交换电流密度，σeff(xk)为计算域上第k个切比雪夫点对应的液相有效电导率，ajk为第j个计算单元的系数；获取计算域内起始位置的切比雪夫点处的液压电势，基于求解每个计算单元对应的切比雪夫点的液相电势，获取整个计算域上的切比雪夫点处的液相电势。

6、在第一方面的一种实现方式中，构造切比雪夫点，将计算域上的空间坐标点转化到切比雪夫计算区间，包括：将切比雪夫计算区间[-1,1]划分为n个网格，得到n+1个切比雪夫点，表示为：xj＝cos(jπ/n),j＝0,1…,n；采用下式将计算域上的空间坐标点转化到切比雪夫计算区间：其中，x为计算域上的空间坐标点，x为切比雪夫计算区间中的坐标点，l为计算域的长度。

7、在第一方面的一种实现方式中，各个计算单元的系数通过如下方式获得：构建方程组：求解方程组得到ajk，j＝1，2，……，n，k＝0，1，……，n，n为切比雪夫网格数。

8、在第一方面的一种实现方式中，基于所述液相电势、过电位和开路电压的离散数据求取负极和正极的固相电势分布数据，包括：对负极和正极，对于每个切比雪夫点，分别根据下式求取固相电势：φs＝η+φe+ocv，其中，φs为固相电势，φe为液相电势，η为过电位，ocv为开路电压。

9、在第一方面的一种实现方式中，基于负极和正极的固相电势分布数据求取锂电池路端电压包括：提取正极与集流体界面处的固相电势φs+以及负极与集流体界面处的固相电势φs-；计算锂电池路端电压vter，vter＝φs+-φs-。

10、第二方面，本技术提供一种基于电化学模型的锂电池路端电压计算装置，所述装置包括：存储器，被配置为存储计算机程序；以及处理器，被配置为调用所述计算机程序以执行根据本技术第一方面所述的基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法。

11、第三方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行以实现根据本技术第一方面所述的基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法。

12、如上所述，本技术所述的基于电化学模型的锂电池路端电压计算方法、装置及介质，具有以下有益效果：本技术通过切比雪夫谱方法进行电化学模型的仿真模拟，大大提高了仿真精度，同时基于正极与集流体界面处的固相电势以及负极与集流体界面处的固相电势实现了锂电池路端电压的精确计算。