本申請屬于力學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)一般指通過歷史信息和工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)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(jìn)行鋰離子電池的力學(xué)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)、可行性分析、壽命周期成本估計(jì)、維修保障計(jì)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(jì)方法主要采用保護(hù)殼設(shè)計(jì)和裸裝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法。該方法根據(jù)鋰離子電池的安裝環(huán)境設(shè)計(jì)保護(hù)殼，將鋰離子電池放入其中并固定，由保護(hù)殼承擔(dān)大部分力學(xué)載荷。同時，對裸裝鋰離子電池進(jìn)行壓力測試等力學(xué)測試，驗(yàn)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(jì)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(jìn)行定量化的力學(xué)設(shè)計(jì)。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(jì)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(jì)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(jì)提供有力的支撐。

技術(shù)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)與封裝材料參數(shù)進(jìn)行仿真，尋找封裝薄弱部位作為研究點(diǎn)并提取其封裝應(yīng)力，擬合得到所述研究點(diǎn)的封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強(qiáng)、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(qiáng)、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(diǎn)，聯(lián)立理想氣體方程與所述預(yù)測時間點(diǎn)的所述封裝增加體積與封裝內(nèi)部壓強(qiáng)關(guān)系式，獲得所述預(yù)測時間點(diǎn)的封裝內(nèi)部壓強(qiáng)，根據(jù)所述研究點(diǎn)的封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強(qiáng)關(guān)系式，獲得所述預(yù)測時間點(diǎn)的所述研究點(diǎn)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(jì)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(jìn)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?yàn)確定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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)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(xiàng)，確定約束和加載方式，進(jìn)行仿真計(jì)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(diǎn)：

①定量計(jì)算了軟包鋰離子電池封裝的受力情況，改進(jìn)了目前只有封裝安全性實(shí)驗(yàn)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(jìn)行累計(jì)，更加符合實(shí)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(jìn)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(jì)算得到的應(yīng)力時間曲線；

圖3為本發(fā)明計(jì)算得到的體積增加-時間曲線。

具體實(shí)施方式

以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的示例性實(shí)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(shí)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(jìn)一步的詳細(xì)說明，如圖1所示，其發(fā)明的具體實(shí)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(jì)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(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行累加計(jì)算，得出每日的內(nèi)部氣體量。

在本實(shí)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(qiáng)增長速率與溫度服從阿倫尼烏斯模型，即：

其中，p為壓強(qiáng)，t為時間，t為溫度，a、c為參數(shù)。

根據(jù)理想氣體方程進(jìn)行進(jìn)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(jìn)行長時間的充放電實(shí)驗(yàn)，記錄并使用線性關(guān)系擬合各溫度下壓強(qiáng)與時間的關(guān)系，進(jìn)而將結(jié)果代入式(2)，使用最小二乘法計(jì)算阿倫尼烏斯模型參數(shù)。在本實(shí)施例中，通過計(jì)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(jìn)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(shí)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(jìn)行計(jì)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(jì)算確定封裝力學(xué)性能隨時間下降的關(guān)系式。“力學(xué)性能參數(shù)”指封裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線；“計(jì)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(jìn)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(shí)施例中軟包鋰離子電池采用總厚度為153um的鋁塑膜進(jìn)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(yàn)機(jī)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(diǎn)，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(jìn)行加速退化實(shí)驗(yàn)，在十個固定時間點(diǎn)切割封裝得到標(biāo)準(zhǔn)樣條。對這些拉伸試驗(yàn)測定應(yīng)力應(yīng)變曲線。由上述實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)曲線盡可能重合。使用最小二乘法進(jìn)行計(jì)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(diǎn)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(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，解得f、g后，將f、g代入式(11)得到本實(shí)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(jìn)行加和計(jì)算，即：

m為溫度剖面狀態(tài)個數(shù)，在本實(shí)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(jì)算封裝的應(yīng)力分布，改變內(nèi)部壓強(qiáng)與封裝材料參數(shù)多次仿真，擬合得到研究點(diǎn)應(yīng)力與壓強(qiáng)、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式及封裝增加體積與壓強(qiáng)、封裝材料參數(shù)的關(guān)系式?！把芯奎c(diǎn)”是指封裝中最薄弱的部位——通常為二次測封邊中點(diǎn)在最高工作溫度下的情況。

“有限元仿真法”是指運(yùn)用仿真軟件(如ansys)對封裝進(jìn)行建模仿真，得到各壓強(qiáng)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(qiáng)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(xiàng)，確定約束和加載方式，進(jìn)行仿真計(jì)算并提取應(yīng)力及內(nèi)部體積變化。

本實(shí)施例使用二次多項(xiàng)式擬合來描述封裝體積、封裝應(yīng)力與封裝內(nèi)部壓強(qiáng)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(qiáng)，s為退化因子，v氣體體積，σ為應(yīng)力。

本實(shí)施例中對鋰離子電池封裝進(jìn)行仿真。仿真在ansys靜力學(xué)模塊中進(jìn)行，由對稱性使用封裝的一半進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)封裝的受力狀況進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)為不同值多次進(jìn)行仿真，可得到多組封裝體積及二次側(cè)封邊中點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(diǎn)ti(在本案例中為100天、200天、······、1000天)，計(jì)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)ti時刻的壓強(qiáng)p和退化因子s代入式(18)計(jì)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(diǎn)ti時刻的壓強(qiáng)p和退化因子s代入式(20)計(jì)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(shí)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(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)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(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或全部技術(shù)特征進(jìn)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(shí)施例技術(shù)方案的范圍。