(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211232201.5 (22)申请日 2022.08.05 (62)分案原申请数据 20221093870 3.3 2022.08.05 (71)申请人 天目湖先进 储能技术研究院有限公 司 地址 213300 江苏省常州市溧阳市昆仑街 道创智路2 9号228室 (72)发明人 马德正　葛志浩　龚阳　张志超　 (74)专利代理 机构 天津知川知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 12249 专利代理师 吴珊 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 17/12(2006.01)G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 锂电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模 型构建方法 (57)摘要 本发明提供一种锂离子电池电化学 ‑热‑力‑ 短路‑热失控耦合模型构建方法， 首先对样品进 行电化学测试、 热测试和力学测试， 获取相关物 化参数； 然后使用有限元软件分别建立电化学模 型、 热模型、 力学模型、 短路模型以及热 失控副反 应模型， 搭建电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模 型， 并将相关参数赋予所建模型中； 再根据锂离 子电池实际仿真需求， 设置各物理模 型的边界条 件和初始条件， 并划分网格； 最后对样品进行测 试， 基于所测数据对所述耦合模 型开展校准与精 度验证， 获得锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热 失控耦合模型。 该模型能够模拟电池外部和内部 特征在挤压工况下的动态响应， 显著提升电池状 态的预测能力。 权利要求书2页 说明书11页 附图4页 CN 115544839 A 2022.12.30 CN 115544839 A 1.一种锂离 子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 包括如下步骤： S1.对样品进行电化学测试、 热测试和力学测试， 获取相关物化参数； 包括几何参数、 电 化学相关参数、 热 学相关参数以及力学相关参数； S2.使用有限元软件分别建立电化学模型、 热模型、 力学模型、 短路模型以及热失控副 反应模型， 搭建锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型， 并将步骤S1中所得相关 参数赋予所建模型中； S3.根据锂离子电池实际仿真需求， 设置各物 理模型的边界条件和初始条件， 并划分网 格； S4.对样品进行测试以获取电池电、 热以及力等测试数据， 基于所测数据对所述耦合模 型开展校准与精度验证， 获得锂离 子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型。 2.根据权利要求1所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 步骤S1所述样品包括电池样品、 电极样品和材料样品； 所述材料样品包括正极 材料、 负极材料和隔膜材料； 其中， 所述正极材料选自镍钴锰三元材料、 磷酸铁锂、 钴酸锂、 镍酸锂、 锰酸锂和磷酸锰锂中的至少一种； 所述负极材料选自人造石墨、 天然石墨、 中间相 碳微球、 硅、 氧化亚硅和钛酸锂中的至少一种； 所述电极样品为采用包括正极材料/负极材 料在内的原料制备正/负极涂层、 并与正/负极集流体一起制成的正/负极电池极片， 电池样 品为采用包括隔膜材 料在内的原料制成的隔膜、 与所述电极样品一 起制成的电池。 3.根据权利要求1所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 步骤S1所述的几何参数包括电池极片的长度和宽度、 电池集流体的长度和宽 度、 电池极耳的位置参数、 电池极片的厚度、 电池极片的数量以及电池的长度、 宽度和高度 中的一种或多种； 步骤S1所述的电化学相关参数包括测试样品的固相材料电子电导率、 锂离子初始浓 度、 固相体积分数、 液相体积分数、 固相材料粒子 半径、 液相材料有效电导率、 电解液初始锂 浓度、 电化学反应速率常数、 电荷传递系数、 固相锂离子扩散系数和液相锂离子扩散系数中 的一种或多种； 步骤S1所述的热学相关参数包括测试样品的质量、 密度、 比热容、 热导率、 热分解温度 中的一种或多种； 步骤S1所述的力学相关参数包括锂离子电池内部材料的压缩模量、 泊松比中的一种或 多种。 4.根据权利要求1所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 步骤S2所述耦合模型的耦合方式如下： a)所述力学模型的输入为包含机械作用影响的初始条件和边界条件， 所述力学模型的 输出为电池内部的应力/应 变随时间和空间的变化； b)所述短路模型的输入包括所述力学模型输出的应力 /应变随时间和空间的变化以及 电化学模型所得电池电压的变化， 所述短路模型 的输出包括电池短路内阻的大小、 短路位 置和内短路产热的变化； c)所述电化学模型的输入包括所述短路模型所得电池短路内阻大小以及所述热模型 所得温度变化， 所述电化学模型 的输出包括电池电压的变化和电池电化学产热， 包括欧姆 热、 极化热和可逆熵热；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115544839 A 2d)所述热模型的输入包括所述电化学模型所得电化学产热、 所述短路模型所得内短路 产热以及所述热失控副反应模型所得副反应产热， 所述热模型的输出为电池温度随时间和 空间的变化； e)所述热失控副反应模型的输入为所述热模型所得电池温度的变化， 所述热失控副反 应模型的输出为各副反应产热。 5.根据权利要求4所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 所述力学模型输入的初始条件和边界条件包括： 压头下压速度， 将压头与电池 之间的接触界面设置为接触边界条件， 电池底面设置为固定位移边界条件； 所述短路模型输入的应力 /应变随时间和空间的变化采用线性投影或线性拉伸的方式 实现； 所述短路模型输入的电池电压的变化被施加在电池模型正极极耳处， 电池负极极耳 处使用接地 边界条件； 所述短路模型在所述电池电压边界条件下可求得相应短路模型的短路电流， 通过所述 电池电压与所述短路电流的比值即求得短路模型的短路内阻大小； 所述电化学模型输入的电池短路内阻大小采用外接短路电阻的边界条件施加， 所述电 化学模型输入的温度变化采用线性投影或线性拉伸的设置方式实现。 6.根据权利要求4所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 所述热模型输入的电化学模型各部分产热、 内短路产热以及副反应产热均采 用线性投影或线性拉伸的设置方式实现。 7.根据权利要求4所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 所述热失控副反应模型输入的温度的变化采用线性投影或线性拉伸的设置方 式实现。 8.根据权利要求4所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 所述热模型所得温度实时传递到电化学模型中通过阿伦尼乌斯关系影响电化 学模型中的部分电化学反应动力学参数。 9.根据权利要求1所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 步骤S 3所述网格划分使用三角形网格、 四边形网格、 四面体网格、 六面体网格、 金字塔型网格、 楔形网格以及由上述网格 类型构成的混合型网格中的一种或多种。 10.根据权利要求1所述的锂离子电池电化学 ‑热‑力‑短路‑热失控耦合模型构建方法， 其特征在于， 步骤S4所述对样品进行测试的测试工况包括： (1)开展多个温度条件下不同倍率的恒流和/或恒流恒压充电或放电， 其中， 所述温度 和倍率条件的选取应尽可能涵盖电池正常使用工况； (2)充/放电过程中， 采用外置或内置热电耦、 光纤传感器以及红外成像仪的方式采集 电池表面和内部温度； (3)按照相关挤压测试工况对电池开展挤压安全测试， 期间采集测试电池内部和/或外 部温度随时间的变化以及电压随时间的变化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115544839 A 3