本申請屬于力學(xué)設(shè)計領(lǐng)域，具體地涉及一種軟包鋰離子電池封裝應(yīng)力的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池力學(xué)設(shè)計一般指通過歷史信息和工程經(jīng)驗，設(shè)計鋰離子電池的形狀、結(jié)構(gòu)及封裝材料，以滿足各種用戶需求。準(zhǔn)確的進行鋰離子電池的力學(xué)設(shè)計，在設(shè)計方案的改進、可行性分析、壽命周期成本估計、維修保障計劃安排等方面有著非常重要的作用。

傳統(tǒng)的鋰離子電池力學(xué)設(shè)計方法主要采用保護殼設(shè)計和裸裝實驗驗證的方法。該方法根據(jù)鋰離子電池的安裝環(huán)境設(shè)計保護殼，將鋰離子電池放入其中并固定，由保護殼承擔(dān)大部分力學(xué)載荷。同時，對裸裝鋰離子電池進行壓力測試等力學(xué)測試，驗證鋰離子電池在極端情況下的安全性。但是，傳統(tǒng)的力學(xué)設(shè)計方法沒有考慮到在使用過程中鋰離子電池內(nèi)部變化造成的封裝應(yīng)力增加，也沒有對封裝進行定量化的力學(xué)設(shè)計。此外，軟包鋰離子電池因包裝材質(zhì)不同導(dǎo)致的受力方式變化在傳統(tǒng)設(shè)計方法中完全沒有考慮。

基于該現(xiàn)狀，本發(fā)明將鋰離子電池電芯產(chǎn)氣模型、封裝材料退化模型引入到鋰離子電池力學(xué)設(shè)計中，同時開發(fā)了脹氣軟包鋰離子電池體積預(yù)測方法。建立了軟包鋰離子電池在全壽命周期內(nèi)封裝應(yīng)力的預(yù)測方法，考慮了在軟包鋰離子電池使用過程中內(nèi)部氣體量增加、封裝材料力學(xué)性能退化和體積變化的協(xié)同作用，能夠預(yù)測電池在使用過程中封裝應(yīng)力的變化趨勢，為軟包鋰離子電池的力學(xué)設(shè)計提供有力的支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為克服上述缺陷，本發(fā)明提供一種軟包鋰離子電池封裝應(yīng)力的預(yù)測方法，考慮了在軟包鋰離子電池使用過程中內(nèi)部氣體量增加、封裝材料力學(xué)性能退化和體積變化的協(xié)同作用，能夠預(yù)測電池在使用過程中封裝應(yīng)力的變化趨勢。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種軟包鋰離子電池封裝應(yīng)力的預(yù)測方法，其步驟如下：

步驟一、確定電池溫度剖面，根據(jù)所述電池使用環(huán)境及用戶使用歷史數(shù)據(jù)，確定所述電池在使用過程中經(jīng)歷的溫度剖面；

步驟二、確定電芯產(chǎn)氣模型，根據(jù)所述電池的電芯反應(yīng)體系，電解液成分、添加劑成分及反應(yīng)規(guī)模，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，確定所述電池內(nèi)部產(chǎn)氣速率隨溫度變化的關(guān)系式，根據(jù)所述電池溫度剖面確定封裝內(nèi)部氣體量隨時間增加的關(guān)系式；

步驟三、確定封裝力學(xué)性能退化模型，根據(jù)所述電池的封裝材料、工藝特征，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，確定所述封裝力學(xué)性能參數(shù)退化速率隨溫度變化的關(guān)系式，根據(jù)所述電池溫度剖面確定所述封裝力學(xué)性能隨時間下降的關(guān)系式；

步驟四、確定封裝應(yīng)力模型，根據(jù)獲得封裝的應(yīng)力分布，改變封裝內(nèi)部壓強與封裝材料參數(shù)進行仿真，尋找封裝薄弱部位作為研究點并提取其封裝應(yīng)力，擬合得到所述研究點的封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式，及封裝增加體積與封裝內(nèi)部壓強、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式；

步驟五、預(yù)測封裝應(yīng)力，針對每個預(yù)測時間點，聯(lián)立理想氣體方程與所述預(yù)測時間點的所述封裝增加體積與封裝內(nèi)部壓強關(guān)系式，獲得所述預(yù)測時間點的封裝內(nèi)部壓強，根據(jù)所述研究點的封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強關(guān)系式，獲得所述預(yù)測時間點的所述研究點的封裝應(yīng)力。

優(yōu)選的，步驟一中所述的確定電池在使用過程中經(jīng)歷的溫度剖面的具體步驟為：根據(jù)相似型號軟包鋰離子電池歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)或根據(jù)用戶使用頻率及產(chǎn)熱分析計算得出的每日軟包鋰離子電池在不同狀態(tài)下溫度所占時長。

優(yōu)選的，步驟二中所述的確定封裝內(nèi)部氣體量隨時間增加的關(guān)系式，具體步驟為：在所述電池工作的情況下，將不同溫度下的產(chǎn)氣速率對時間進行累加求和，得出每日的內(nèi)部氣體量，

公式中，n0為每日產(chǎn)氣量；m為溫度剖面狀態(tài)個數(shù)；ti為各狀態(tài)下的溫度，ti為各狀態(tài)下溫度的持續(xù)時間。

優(yōu)選的，步驟三中所述的確定所述封裝力學(xué)性能參數(shù)退化速率隨溫度變化的關(guān)系式，具體步驟為：

(1)確定封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線服從冪硬化關(guān)系，由文獻(xiàn)或?qū)嶒灤_定d、e的取值：

σ0＝dε^e

公式中，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變；d、e為常數(shù)；

(2)根據(jù)不同溫度，不同時間的應(yīng)力應(yīng)變實驗數(shù)據(jù)求解如下優(yōu)化問題：

公式中，l為應(yīng)力應(yīng)變曲線上數(shù)據(jù)點總個數(shù)；為應(yīng)力的觀測值；為應(yīng)變的觀測值，s為退化因子，s(t)表示退化因子隨時間的變化關(guān)系，0＜s(t)≤1；

(3)退化因子降低速率與溫度服從阿倫尼烏斯模型，使用優(yōu)化求解方法擬合計算f、g的值：

公式中，t為時間，t為溫度，s為退化因子，f、g為常數(shù)；

(4)確定所述封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線在相同的應(yīng)變下應(yīng)力隨時間下降的關(guān)系式：

σt(ε)＝s(t)σ0(ε)

公式中，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變；s為退化因子，σt(ε)是指封裝材料在t時刻的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，σ0(ε)是指封裝材料初始的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，s(t)表示退化因子隨時間的變化關(guān)系。

優(yōu)選的，步驟三中所述的根據(jù)電池溫度剖面計算確定封裝力學(xué)性能隨時間下降的關(guān)系式，具體步驟為：將不同溫度下的退化速率對時間進行累加求和，得出每日的退化因子的改變量，

公式中，m為溫度剖面狀態(tài)個數(shù)，t為時間，t為溫度，s為退化因子，ti為各狀態(tài)下的溫度，ti為各狀態(tài)下溫度的持續(xù)時間，s0為每日退化因子減小量。

優(yōu)選的，步驟四中所述的尋找封裝薄弱部位作為研究點并提取其封裝應(yīng)力，具體步驟為：提取封裝二次測封邊中點在最高工作溫度下的應(yīng)力。

優(yōu)選的，步驟四中所述的獲得封裝的應(yīng)力分布，具體步驟如下：

(1)使用三維建模軟件建立軟包封裝的幾何模型；

(2)將所述軟包封裝的幾何模型導(dǎo)入到仿真軟件中，將封裝內(nèi)部壓強與封裝力學(xué)性能參數(shù)化，建立封裝的參數(shù)模型；

(3)在仿真軟件中設(shè)置封裝參數(shù)模型的網(wǎng)格，接觸選項，確定約束和加載方式，進行仿真計算并提取應(yīng)力及封裝內(nèi)部體積變化。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

①定量計算了軟包鋰離子電池封裝的受力情況，改進了目前只有封裝安全性實驗測試方法的情況。

②考慮了軟包鋰離子電池在工作過程中的不同溫度條件，以天為單位進行累計，更加符合實際使用情況。

③考慮了隨時間變化軟包鋰離子電池產(chǎn)氣量增加、封裝材料性能退化、體積增加等現(xiàn)象，使求得的應(yīng)力值成為隨時間變化的曲線，可以對不同時刻的應(yīng)力值進行預(yù)測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為本發(fā)明計算得到的應(yīng)力時間曲線；

圖3為本發(fā)明計算得到的體積增加-時間曲線。

具體實施方式

以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的示例性實施例、特征和其他方面。附圖中相同的附圖標(biāo)記表示功能相同或相似的元件。盡管在附圖中示出了實施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

現(xiàn)結(jié)合具體的某新能源汽車用軟包鋰離子電池對本發(fā)明做進一步的詳細(xì)說明，如圖1所示，其發(fā)明的具體實施步驟如下：

步驟一：確定電池溫度剖面；

“電池溫度剖面”是指根據(jù)相似型號軟包鋰離子電池歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)或根據(jù)用戶使用頻率及產(chǎn)熱分析計算得出的每日軟包鋰離子電池在不同狀態(tài)下各溫度所占時長。

將結(jié)果記錄在每日電池溫度剖面表格中，表格包括：溫度、時長和狀態(tài)。

在本實施例中，某地區(qū)該型汽車電池的歷史溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各用戶的數(shù)據(jù)進行平均，得到每日電池各溫度所占時長，如表1所示：

步驟二：確定電芯產(chǎn)氣模型；

根據(jù)電芯反應(yīng)體系，電解液成分、添加劑成分及反應(yīng)規(guī)模，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，確定電池內(nèi)部產(chǎn)氣速率隨溫度的變化關(guān)系，根據(jù)電池溫度剖面，將不同溫度下的產(chǎn)氣速率按照溫度剖面進行累加計算，得出每日的內(nèi)部氣體量。

在本實施例中軟包鋰離子電池采用磷酸鐵鋰正極、石墨負(fù)極、六氟磷酸鋰為電解質(zhì)的反應(yīng)體系。在相同體積下同反應(yīng)體系鋰離子電池的壓強增長速率與溫度服從阿倫尼烏斯模型，即：

其中，p為壓強，t為時間，t為溫度，a、c為參數(shù)。

根據(jù)理想氣體方程進行進一步推導(dǎo)，可得鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)氣速率隨溫度的變化關(guān)系可用下式表示：

其中，n為氣體的量，t為時間，t為溫度，v為鋰離子電池內(nèi)部氣體體積，r為理想氣體常數(shù)，a、c為參數(shù)。

在不同溫度下，以鋰離子電池的正常充放電速率0.02c，在正常工作電壓范圍內(nèi)進行長時間的充放電實驗，記錄并使用線性關(guān)系擬合各溫度下壓強與時間的關(guān)系，進而將結(jié)果代入式(2)，使用最小二乘法計算阿倫尼烏斯模型參數(shù)。在本實施例中，通過計算解得a、c后，將a、c代入式(3)，得到式(4)，如下所示：

根據(jù)電池溫度剖面，對電池組使用狀況下的產(chǎn)氣量進行積分，得到每日產(chǎn)氣量，即：

其中n為氣體的量，n0為每日產(chǎn)氣量；m為每日電池溫度剖面狀態(tài)個數(shù)，在本實施例中為4；ti為各狀態(tài)下的溫度，ti為各狀態(tài)下溫度的持續(xù)時間。

帶入表1數(shù)據(jù)進行計算，解得每日產(chǎn)氣量為17.92umol。

步驟三：確定封裝力學(xué)性能退化模型；

根據(jù)封裝材料、工藝特征，結(jié)合已有的退化理論，確定封裝的力學(xué)性能參數(shù)退化速率隨溫度的關(guān)系，根據(jù)電池溫度剖面計算確定封裝力學(xué)性能隨時間下降的關(guān)系式?！傲W(xué)性能參數(shù)”指封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；“計算確定封裝力學(xué)性能隨時間下降的關(guān)系式”指將退化速率對時間進行積分，得出每日的退化因子的改變量；“退化”指封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線在相同的應(yīng)變下應(yīng)力成比例下降，表達(dá)式為

σt(ε)＝s(t)σ0(ε)(6)

其中，σ(ε)指封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，σt(ε)是指封裝材料在t時刻的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，σ0(ε)是指封裝材料初始的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變；t為時間，s為退化因子，s(t)表示退化因子隨時間的變化關(guān)系，0＜s(t)≤1；

本實施例中軟包鋰離子電池采用總厚度為153um的鋁塑膜進行封裝。認(rèn)為該材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線服從冪硬化關(guān)系，即

σ＝dε^e(7)

lnσ＝lnd+elnε(8)

其中，σ為應(yīng)力，ε為應(yīng)變，d、e為常數(shù)，0＜e＜1。

將鋁塑膜材料裁剪成標(biāo)準(zhǔn)矩形樣條，使用拉伸試驗機夾持并勻速拉伸，可以得到標(biāo)準(zhǔn)樣條的載荷-位移曲線。將載荷除以樣條截面積得到應(yīng)力，位移除以長度得到應(yīng)變，得到鋁塑膜材料拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由該曲線數(shù)據(jù)點，對式(8)使用最小二乘擬合可得參數(shù)d、e的取值，將參數(shù)代入式(7)，即得到封裝材料初始的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，即式(9)：

σ0＝2.167×10⁸ε^0.289(9)

將四十個軟包鋰離子電池放在四個不同高溫度條件下進行加速退化實驗，在十個固定時間點切割封裝得到標(biāo)準(zhǔn)樣條。對這些拉伸試驗測定應(yīng)力應(yīng)變曲線。由上述實驗結(jié)果，可得到不同溫度水平，不同退化時間的應(yīng)力應(yīng)變曲線。將每條實驗曲線與初始狀況下應(yīng)力應(yīng)變曲線對比，取退化因子s使得經(jīng)公式(6)變換的初始曲線與實驗曲線盡可能重合。使用最小二乘法進行計算，轉(zhuǎn)化為如下優(yōu)化問題：

其中，l為40條應(yīng)力應(yīng)變曲線上數(shù)據(jù)點總個數(shù)；為應(yīng)力的觀測值；為應(yīng)變的觀測值，表示將的值代入式(9)中的“ε”得到的σ0。

退化因子降低速率與溫度服從阿倫尼烏斯模型，即：

其中，t為時間，t為溫度，s為退化因子，f、g為常數(shù)。

將式(12)帶入式(10)，使用信賴域反射法進行優(yōu)化計算，解得f、g后，將f、g代入式(11)得到本實施例的退化因子減少速率的表達(dá)式為：

根據(jù)電池溫度剖面，對退化速率進行加和計算，即：

m為溫度剖面狀態(tài)個數(shù)，在本實施例中為4，t為時間，t為溫度，s為退化因子，ti為各狀態(tài)下的溫度，ti為各狀態(tài)下溫度的持續(xù)時間，s0為每日退化因子減小量；代入表1數(shù)據(jù)，解得每日退化因子減小量s0為6.986×10^-4。

步驟四：確定封裝應(yīng)力模型；

采用有限元仿真法計算封裝的應(yīng)力分布，改變內(nèi)部壓強與封裝材料參數(shù)多次仿真，擬合得到研究點應(yīng)力與壓強、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式及封裝增加體積與壓強、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式?！把芯奎c”是指封裝中最薄弱的部位——通常為二次測封邊中點在最高工作溫度下的情況。

“有限元仿真法”是指運用仿真軟件(如ansys)對封裝進行建模仿真，得到各壓強和封裝力學(xué)性能參數(shù)下的應(yīng)力值，其具體步驟如下：

(1)使用三維建模軟件(solidworks,ug等)建立軟包封裝的幾何模型；

(2)將封裝的幾何模型導(dǎo)入到仿真軟件中，將壓強與封裝力學(xué)性能參數(shù)化，建立封裝的參數(shù)模型；

(3)在仿真軟件中設(shè)置封裝參數(shù)模型的網(wǎng)格，接觸選項，確定約束和加載方式，進行仿真計算并提取應(yīng)力及內(nèi)部體積變化。

本實施例使用二次多項式擬合來描述封裝體積、封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強及退化因子的關(guān)系，其表達(dá)式如下所示：

v＝a0p²+a1ps-a2s²+a3p-a4s+a5(15)

σ＝b0p²+b1ps-b2s²+b3p-b4s+b5(16)

其中ai、bi(i＝0,1,2,3,4,5)均為擬合參數(shù)，p為壓強，s為退化因子，v氣體體積，σ為應(yīng)力。

本實施例中對鋰離子電池封裝進行仿真。仿真在ansys靜力學(xué)模塊中進行，由對稱性使用封裝的一半進行計算。根據(jù)封裝的受力狀況進行約束，限制頂面的法向位移，同時對對稱面邊界施加平面約束。在封裝的內(nèi)表面施加恒定壓強載荷。改變退化因子輸入不同的應(yīng)力應(yīng)變曲線，再設(shè)定壓強為不同值多次進行仿真，可得到多組封裝體積及二次側(cè)封邊中點的應(yīng)力值，得到如表2、表3所示的數(shù)據(jù)。

表2封裝體積仿真結(jié)果

表3封裝二次側(cè)封邊中點應(yīng)力仿真結(jié)果

將表2、表3代入式(15)、(16)，使用多元線性回歸算法計算得到參數(shù)ai、bi(i＝0,1,2,3,4,5)的值，得到如下關(guān)系式：

v＝3.72×10^-16p²+8.96×10^-11ps-5.31×10^-6s²+7.01×10^-11p-1.22×10^-5s+4.47×10^-6(17)

σ＝2.08×10^-4p²+3.11ps+7.19×10⁶s²+9.25p-8.65×10⁵s+6.23×10⁶(18)

步驟五：封裝應(yīng)力預(yù)測；

針對各研究時間點ti(在本案例中為100天、200天、······、1000天)，計算氣體的量ni＝n0ti，即電芯在各研究時間ti的總產(chǎn)氣量，以及退化因子si＝1-s0ti，其中n0為每日產(chǎn)氣量，s0為每日退化因子減小量，代入如下方程組來求解該時刻的壓強p和體積v：

pv＝nrtmax(19)

v＝3.72×10^-16p²+8.96×10^-11ps-5.31×10^-6s²+7.01×10^-11p-1.22×10^-5s+4.47×10^-6(20)

其中tmax為步驟一中電池溫度剖面的最高溫度，在本實施例中為323k。n為氣體的量，v為鋰離子電池內(nèi)部氣體體積，r為理想氣體常數(shù)。

將解得的研究時間點ti時刻的壓強p和退化因子s代入式(18)計算得到該時刻的應(yīng)力，取不同的研究時間，可得到如圖2所示的應(yīng)力-時間曲線。

同理，將解得的研究時間點ti時刻的壓強p和退化因子s代入式(20)計算得到該時刻的體積，取不同的研究時間，可得圖3所示的體積增加-時間曲線。

最后應(yīng)說明的是：以上所述的各實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。