(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 202210811067.8 (22)申请日 2022.07.11 (71)申请人 国网综合能源服 务集团有限公司 地址 100053 北京市西城区白广路二条1号 综合楼 申请人 西安交通大 学 (72)发明人 樊功成　王楠　周喜超　李振　 郝添翼　李雅泊　张凯　杨智鹏　 (74)专利代理 机构 北京立成智业专利代理事务 所(普通合伙) 11310 专利代理师 张厚山 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 119/04(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 三维电化学-三 维热耦合的方形电池仿真模 型构建方法 (57)摘要 本申请实施例提出了一种三维电化学 ‑三维 热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 包括： 确 定待建模的电池的电池参数； 其中电池参数包括 电池的几何参数、 电化学参数、 热学参数； 根据电 池的电池参数， 建立待建模电池的电化学模型； 其中所述电化学模型包括电荷守恒子模型、 质量 守恒子模型、 电极动力学子模型、 能量守恒子模 型； 根据电池的电池参数， 建立待建模电池的热 模型； 通过三维模型将通过电化学模 型和热模型 耦合。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 115270433 A 2022.11.01 CN 115270433 A 1.一种三维电化学 ‑三维热耦合的方 形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1、 确定待建模的 电池的电池参数； 其中电池参数包括电池的几何参数、 电化学参 数、 热学参数； 步骤2、 根据电池的电化学参数， 建立待建模电池的电化学模型； 其中所述电化学模型 包括电荷守恒子模型、 质量守恒子模型、 电极动力学子模型、 能量守恒子模型； 步骤3、 根据电池的热 学参数， 建立待建模电池的热模型； 步骤4、 通过三维模型将通过电化学模型和热模型耦合； 其中所述电化学模型输出的产 热速率被输入到所述热模型， 以模拟电化学过程会产生热量改变电池的温度； 所述热模型 输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中的物理量； 其中所述 电化学模型计算电池的产热速率， 然后将产热速率为热模型 的热源， 计算出电池内部温度 场； 电化学模型 该热模型输出的温度调整电化学参数， 以实现了电化学模型和热模型耦合。 2.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述电池为方 形电池。 3.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述电化学 过程中的物理量包括以下的至少一种： 电导 率、 扩散系数、 反应速率。 4.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述电化学模型计算电池的产热速率， 然后将产热速率为热模型的热源， 计算出电 池内部温度场， 包括： 沿电池厚度方向对电化学模型的产热速率进行积分， 并求取平均值， 得到二维的产热 速率平面； 将二维的产热速率平面输入到热模型中， 作为热模型的热源项， 这样就完成了产热速 率从电化学模型到热模型的耦合。 5.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述热模型输出的温度被输入到电化学模型以模拟温度的改变影响电化学过程中 的物理量， 包括： 沿电池厚度方向对热模型的温度进行积分， 并求取平均值， 得到二维的温度分布 平面； 将二维的温度分布平面输入到电化学模型中， 作为电化学模型的温度项， 这样就完成 了产热速率从电化学模型到热模型的耦合。 6.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述电荷守恒子模型包括： 作用于电池整体的模型： 其中i1是固相电流密度矢量； i2是液相电流 密度矢量； 为对矢量 求散度； 作用于正负极集流体、 正负极电极材料的固相模型： 其中σ1是固相电导 率， Φ1是固相电势； 作用于正负极电极材 料、 隔膜的液相模型： 其中σ2是电解液液相电导率； Φ2是液相电势； R是 通用气体常数； T是热力学温度； F是 法拉第常数； t+是电解质溶液中锂 离子迁移数； c2是电解权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115270433 A 2质溶液浓度； 作用于正负极电极材料的模型： 其中Sa是多孔电极比表面积； jn是 固液相交界面处的局部电流密度。 7.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述质量守恒子模型包括： 作用于正负极电极材料的固相模型： 其中c1是电极固相锂离子浓 度； D1是电极中的固相锂离 子扩散系数； r是球形固体颗粒中心之间的径向距离； t为时间； 作用于正负极电极材料、 隔膜的液相模型： 其中ε2是多孔电极液相 体积分数； J2是电解液 溶液中的锂离 子通量； c2是电解质溶 液浓度； 作用于正负极电极材料、 隔膜的液相模型： 其中。 D2是电解液中 的液相 锂离子扩散系数。 8.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述电极动力学子模型包括： 作用于正负极电极材 料的模型： 其中j0是平衡电位下氧化还原反应产生 的交换 电流密度； αa是阳极传递系数； αc是阴极传递系数； η是电极过电位； η＝φ1‑φ2‑U0； 其中U0是电极平衡电位差； 其中k0是反应速度常数； c1， max是电极中锂离子的 最大嵌入 浓度； c1， surf是电极固相表面锂离 子浓度。 9.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其特 征在于， 所述能量守恒子模型包括： 作用于电池整体的模型： q＝qrea+qact+qohm； 其中q是电池工作时的产热速率； qrea是电化 学反应产生的可逆反应热； qact是电化学反应产生的不可逆极化热； qohm是电流产生的欧姆 热； 作用于正负极电极材 料的模型： 作用于正负极电极材 料的模型： qact＝sajnη； 作用于电池整体的模型： 其中 是平衡电位温度 导数。 10.根据权利要求1所述的三维电化学 ‑三维热耦合的方形电池仿真模型构建方法， 其 特征在于， 所述待建模的电池的电池参数包括： 几何参数、 电化学参数、 热 学参数； 其中几何参数包括以下的至少一项： 电池宽度、 厚度、 高度， 以及基本电化学单元中各 层的宽度、 厚度、 高度、 极耳位置； 其中电化学参数包括以下的至少一项： 电池电极材料、 电解液的浓度、 体积分数、 扩散权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115270433 A 3