锂离子电池性能的仿真方法、装置和存储介质与流程

本技术属于锂离子电池性能测试，具体涉及锂离子电池性能的仿真方法、装置和存储介质。

背景技术：

1、锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命以及自放电小、环境友好等特点，已经被广泛应用到生活的方方面面，小到家用电子设备，大到电动汽车以及规模化的储能设备。

2、锂离子的循环寿命以及容量发挥直接影响着锂离子电池的使用时间和用户的使用体验。影响锂离子电池的循环寿命和容量发挥的因素有很多，如：材料种类、正负极压实、n\p比、正负极的粒径分布、电解液量、涂布密度、杂质水分的残留以及电池的使用条件等。其中正负极的粒径分布对锂离子电池性能的影响至关重要，颗粒粒径越小，锂离子嵌入和脱出时所需克服的阻力越小，具有更好的充放电性能，但较小的颗粒粒径与电解液接触的比较面积越大，则成膜时会消耗更多的活性锂，膜阻抗增大、不可逆容量损失增大；颗粒粒径越大，锂离子嵌入和脱出时所需克服的阻力越大，倍率性能越差，首次充电容量较低，同时会造成循环初期的容量抬升，从而对电芯的容量标定带来误差。因此，合理的粒径分布不仅能准确的对电芯容量进行标定而且能够提升电芯的循环性能、体积能量密度，如在涂布中将较小的颗粒填充在较大的颗粒空隙中，从而提高极片的压实密度、减小迂曲度、降低扩散阻抗。

3、目前，主要采用实验手段评估正负极粒径分布对电芯性能的影响，而且现有电池性能参数的仿真方法中一般假设锂离子电池正负极颗粒均由圆形颗粒组成大小一致，无法评估真实的正负极粒径分布对电芯性能的影响。

技术实现思路

1、本技术旨在解决的技术问题是目前池性能参数的仿真方法中一般假设锂离子电池正负极颗粒均由圆形颗粒组成大小一致，无法评估真实的正负极粒径分布对电芯性能的影响。

2、为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案。

3、第一方面，本技术实施例提供了一种锂离子电池性能的仿真方法，所述锂离子电池性能的仿真方法包括：

4、获取所述电池的电化学性质参数，所述电化学性质参数包括所述电池的电极颗粒实际粒径；

5、基于预设的电化学模型，对所述电池的第一性能参数进行仿真；其中，所述电化学模型基于所述实际粒径描述锂离子的扩散过程。

6、在一些实施例中，基于所述实际粒径描述锂离子的扩散过程的表达式如下：

7、

8、其中，cs为电极颗粒中锂离子的浓度，t为扩散时间，ds为电极颗粒的扩散系数，xs为电极颗粒半径维度，xs＝0表示颗粒中心，xs＝1表示颗粒表面，rp为所述电极颗粒的实际粒径，iloc表示局部交换电流密度。

9、在一些实施例中，所述仿真方法包括：

10、通过所述局部交换电流密度和体积电流密度iv把不同粒径的颗粒维度和正负极的主维度进行耦合，所述局域交换电流密度是颗粒维度的锂离子浓度、正负极主维度的液相浓度、固相电势和液相电势的函数，表达式如下：

11、iloc＝iloc(cs，cl，φs，φl)；

12、所述局部交换电流密度iloc计算公式如下，其中体积电流密度iv为估计参数，作为主维度锂离子传递的源，eeq为正负极的平衡电位，通过实验获得；

13、

14、i0＝i0_distr*(2*(cs_max-cs_surf)/cs_max)α*(2*cs_surf/cs_max)β*(cl)α；

15、

16、ηi＝φs-φl-eeq；

17、其中cl为所述正负极主维度的液相浓度，φs为所述固相电势，φl为所述液相电势，iloc_ref_distr为颗粒维度的局部度电流密度，εs为固相活性物质体积分数，rp,max为所述电极颗粒的实际粒径的最大值，rp,min为所述电极颗粒的实际粒径的最小值，fhist(rp)为电极颗粒的粒径分布，av_distr为粒径分布中的比表面积，i0为电流密度，i0_distr为粒径分布中的参考交换电流密度，cs_max为最大锂离子浓度，cs_surf为颗粒表面的锂离子浓度，α、β为传递系数，r为理想气体常数，t为温度，η为过电势，ηi的下标i分别代表正极和负极，eeq为正负极的平衡电位。

18、在一些实施例中，所述锂离子电池性能的仿真方法还包括：

19、获取所述电池的热性质参数和力性质参数；

20、根据电池内部热量守恒方程构建固体传热模型；根据应力-应变关系构建固体力学模型；

21、基于所述电池的电化学性质参数、热性质参数和力性质参数，将所述电化学模型、所述固体传热模型和所述固体力学模型耦合，获得所述电-热-力耦合模型；

22、基于所述电-热-力耦合模型，对所述电池的所述第一性能参数和第二性能参数进行仿真。

23、在一些实施例中，基于所述电-热-力耦合模型，对所述电池的性能参数进行仿真，包括：

24、基于所述电极颗粒实际粒径，对所述电池的电极材料内部浓度分布进行仿真，获得所述电极颗粒半径维度和所述电极颗粒大小维度；

25、基于所述电极颗粒实际粒径、所述电极颗粒半径维度和所述电极颗粒大小维度进行拟合，获得电极材料内部浓度分布特性。

26、在一些实施例中，所述电池内部热量守恒方程的表达式为：

27、

28、其中，ρi为密度，cp,i为恒压热容，t为温度，t为时间，kt,i为热膨胀系数，qrea为化学反应过程中的熵变化引起的反应热，qact为粒子表面和电解质之间电化学反应产生的活性极化热，qact为欧姆电势引发的欧姆热。

29、在一些实施例中，所述固体力学模型，包括：

30、将机械应变、热应变和扩散诱导应变的和确定为电极材料内部的总应变，表达式为：

31、

32、其中，εkl为总应变，为机械应变，为热应变，为扩散诱导应变。

33、在一些实施例中，基于所述电池的电化学性质参数、热性质参数和力性质参数，将所述电化学模型、所述固体传热模型和所述固体力学模型耦合，包括：

34、将利用所述电化学模型确定的所述电芯的产热量输入到所述固体传热模型，所述产热量包括化学反应过程中的熵变化引起的反应热qrea，粒子表面和电解质之间电化学反应产生的活性极化热qact和欧姆电势引发的欧姆热qact；

35、将利用所述固体传热模型确定的温度参数传递到所述电化学模型和所述固体力学模型；

36、将利用所述电化学模型确定的电极颗粒中锂离子的浓度参数传递到所述固体传热模型和所述固体力学模型；

37、将利用所述固体力学模型确定的应力参数传递到所述电化学模型。

38、将利用所述固体传热模型确定的温度参数传递到所述电化学模型和所述固体力学模型；

39、将利用所述电化学模型确定的电极颗粒中锂离子的浓度参数传递到所述固体传热模型和所述固体力学模型；

40、将利用所述固体力学模型确定的应力参数传递到所述电化学模型。

41、第二方面，本技术实施例提供了锂离子电池性能的仿真装置，所述锂离子电池性能的仿真装置包括：

42、参数获取模块，用于获取所述电池的电化学性质参数，所述电化学性质参数包括所述电池的电极颗粒实际粒径；

43、模型构建模块，用于构建电化学模型；其中，所述电化学模型基于所述实际粒径描述锂离子的扩散过程；

44、数据仿真模块，用于基于所述电化学模型，对所述电池的第一性能参数进行仿真。

45、第三方面，本技术实施例提供了一种计算机可读介质，其特征是，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行可实现如第一方面任一可能的实施方式所提供的锂离子电池性能的仿真方法。

46、与现有技术相比，本技术实施例提供的锂离子电池性能的仿真方法，通过获取电化学性质参数，并构建电化学模型，可以更深入地理解锂离子电池的性能，包括电化学反应、电子和离子传输过程等；这有助于揭示导致电池性能损失的根本机制，为电池性能的优化提供指导；通过获取电池的实际粒径，并基于这些实际粒径构建电化学模型，可以更准确地描述锂离子的扩散过程，可以实现对电池的第一性能参数进行仿真，这有助于提高仿真结果的准确性，更接近于实际电池的行为。

47、与现有技术相比，本技术实施例提供的锂离子电池性能的仿真装置，通过参数获取模块获取电化学性质参数，并利用模型构建模块构建电化学模型，数据仿真模块基于模型构建模块构建的电化学模型，可以更深入地理解锂离子电池的性能，包括电化学反应、电子和离子传输过程等，这有助于揭示导致电池性能损失的根本机制，为电池性能的优化提供指导；通过获取电池的实际粒径，并基于这些实际粒径构建电化学模型，可以更准确地描述锂离子的扩散过程，可以实现对电池的第一性能参数进行仿真，这有助于提高仿真结果的准确性，更接近于实际电池的行为。