一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟及建模方法

本发明涉及锂离子电池建模，尤其是涉及一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟及建模方法。

背景技术：

1、锂离子电池凭借其高能量密度、低自放电率和长寿命成为纯电动汽车和混合动力汽车的主要动力源，对缓解能源枯竭和环境污染问题具有重大意义。

2、锂离子电池是一个复杂的多物理场系统，其内部发生多种物理化学过程。对锂离子电池进行准确建模有利于更好的进行电池设计和电池管理。对于电池设计，目前制造商常常采用试错的方法，即制造出具有不同几何结构的电池样品，通过一系列电化学测试得到结构与性能之间的映射关系，从而得到满足预期要求的最优电池结构。这种方法需要耗费大量的人力物力而且往往开发周期过长。与此相比，通过建立电池电化学模型可以基于仿真手段预测电池性能，大大节省开发成本；对于电池管理，在电池运行过程中基于电化学模型准确估计电池的荷电状态、健康状态、温度等信息有助于使电池始终工作在适宜的区间内，提高电池安全性能并延长使用寿命。

3、目前对电池电化学模型的建立主要是基于传统的p2d理论，例如公开号为cn110457742a的发明专利公开的“一种锂离子电池电化学-热-机械耦合模型及建模方法”；公开号为cn115238455a的发明专利公开的“一种锂离子电池多尺度多维度电化学-力-热耦合模型的构建方法”；公开号为cn112883610a的发明专利公开的“叠片式锂离子电池的电化学-热-结构耦合多尺度建模方法”。p2d模型把活性颗粒假设为均匀分布的球形，使用bruggeman关系式近似计算固液相的有效传输参数，忽略了电极内结构的异质性。在小倍率充放电条件下由于锂离子浓度梯度较小，所以均质化模型可以准确的表达电池的内外特性；然而在大倍率的充放电条件下，厚度方向上复杂异质性的孔隙限制了锂离子的传输，特别是对于厚电极。此时均质化模型往往低估了电池极化，导致仿真与实验结果误差大，模型不准确。尽管通过参数辨识等方式可以使p2d模型在大倍率下也能准确表达电池的端电压，然而此时该模型实际上已失真，其内部发生的物理化学过程与实际情况不符，在用于电池设计和管理时其可信度受到很大质疑。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在目前对电池电化学模型的建立主要是基于传统的p2d理论，忽略了电极内结构的异质性的缺陷而提供一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟及建模方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟方法，包括以下步骤：在锂离子电池运行过程中，基于预先构建好的锂离子电池电化学模型估计锂离子电池的荷电状态、健康状态和温度信息；

4、所述锂离子电池电化学模型由基础电化学模型经过电极三维图像修正得到；

5、所述基础电化学模型包括几何模型部分、电化学参数部分和偏微分方程组部分，用于求解电池内固/液相中的电势和li+浓度分布；

6、所述电极三维图像用于解析电极内结构的不均匀性，修正所述几何模型部分。

7、进一步地，所述基础电化学模型的几何模型部分包括电池几何参数和电极几何参数；

8、所述电池几何参数包括正负极的长度、宽度和厚度；隔膜的长度、宽度和厚度；

9、所述电极几何参数包括正负极活性材料d50直径、正负极电极孔隙率、正负极三个方向上的固相迂曲度及三个方向上的液相迂曲度；所述电极几何参数由所述电极三维图像得到。

10、进一步地，所述基础电化学模型的电化学参数部分包括活性材料参数、电解液参数及反应动力学参数；

11、所述活性材料参数包括固相扩散系数、固相初始锂离子浓度、固相最大嵌锂浓度、固相电导率、电极平衡电位和电极工作区间；

12、所述电解液参数包括液相扩散系数、液相初始锂离子浓度、液相电导率、传递数和活性相关性；

13、所述反应动力学参数包括反应速率常数。

14、进一步地，所述基础电化学模型的偏微分方程组部分包括固相传质守恒方程、固相传荷守恒方程、液相传质守恒方程、液相传荷守恒方程和butler-volmer反应动力学方程。

15、进一步地，所述电极三维图像包括正极三维真实微结构和负极三维真实微结构；所述电极三维图像由成像及处理技术得到。

16、本发明还提供一种实现如上所述的一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟方法的电池电化学建模方法，包括以下步骤：

17、s1：测量待测锂离子电池的正负电极以及隔膜的长度、宽度和厚度，得到电池几何参数；

18、s2：获取待测锂离子电池正极和负极局部的三维真实微结构，并通过图像处理方法分割出固、液两相并统计得到正极活性材料d50直径dpos和负极活性材料d50直径dneg；

19、s3：将待测锂离子电池正极的三维真实微结构沿厚度方向等分为n份，每份厚度为dpos，将待测锂离子电池负极的三维真实微结构沿厚度方向等分为m份，每份厚度为dneg，每份电极的电极几何参数均由对应的电极三维图像获得；

20、s4：根据各个等分后的电池正极的三维真实微结构，分别得到对应的正极活性材料d50直径、正极电极孔隙率、正极三个方向上的固相迂曲度和三个方向上的液相迂曲度，即正极的电极几何参数；根据各个等分后的电池负极的三维真实微结构，分别得到对应的负极活性材料d50直径、负极电极孔隙率、负极三个方向上的固相迂曲度和三个方向上的液相迂曲度，即负极的电极几何参数；

21、s5：获取待测锂离子电池中活性材料的电化学参数、电解液的电化学参数以及反应动力学参数；

22、s6：基于p2d模型理论框架，根据步骤s1获取的电池几何参数建立步骤s3中各个等分后的电池正极、电池负极以及隔膜的几何结构；将步骤s4中得到的电极几何参数赋予所述几何结构中；为相应的几何结构定义固相传质守恒方程、固相传荷守恒方程、液相传质守恒方程、液相传荷守恒方程和butler-volmer反应动力学方程，并将步骤s5得到的各类电化学参数赋予到各个方程的变量中，得到锂离子电池电化学模型；

23、s7：对所述待测锂离子电池进行放电测试，获取实验数据，基于该实验数据对所述锂离子电池电化学模型进行精度验证，若验证通过，则完成待测锂离子电池的电化学建模。

24、进一步地，步骤s2中，采用聚焦离子束-扫描电子显微镜获取待测锂离子电池正负极的二维图像测试集，然后在三维可视化软件中进行三维重构，得到正极和负极局部的三维真实微结构；

25、分割出固、液两相的所述图像处理方法为阈值分割法。

26、进一步地，步骤s3中，将正极的三维真实微结构沿厚度方向等分为n份的原则为：保证dpos不小于dpos的前提下，使n尽可能大；将负极的三维真实微结构沿厚度方向等分为m份的原则为：保证dneg不小于dneg的前提下，使m尽可能大。

27、进一步地，步骤s5中，所述活性材料的电化学参数包括固相扩散系数、固相初始锂离子浓度、固相最大嵌锂浓度、固相电导率、电极平衡电位和电极工作区间；

28、所述电解液的电化学参数包括液相扩散系数、液相初始锂离子浓度、液相电导率、传递数和活性相关性；

29、所述反应动力学参数包括反应速率常数；

30、所述固相扩散系数、电极平衡电位和反应速率常数基于扣式半电池测试获取；

31、所述电极工作区间基于扣式半电池和全电池测试获取，包括首先在0.05c倍率下对正负极扣式半电池放电，分别获得正负极材料的平衡电位曲线，然后在0.05c倍率下对全电池放电，获得全电池的平衡电位曲线，最后使用遗传算法辨识得到正负极分别的工作区间；

32、所述固相初始锂离子浓度、固相最大嵌锂浓度、固相电导率、液相扩散系数、液相初始锂离子浓度、液相电导率、传递数和活性相关性采用文献参考值。

33、进一步地，步骤s6中，所述几何结构的排列方式为：正极n、正极n-1、……、正极1、隔膜、负极1、负极2、……、负极m；所述几何结构的各个组件之间相互贴合，构成完整的几何模型。

34、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

35、(1)本发明提出一种基于电极三维图像修正的电池电化学模拟及建模方法，在传统p2d模型的理论框架下构建基础电化学模型，使用先进成像技术获得正负极三维真实微结构，并基于电极三维图像输出活性材料d50直径、电极孔隙率、固相迂曲度及液相迂曲度对基础电化学模型进行异质性分布的修正，将电极内部复杂的几何结构对有效传输参数的影响输入到基础电化学模型中，与传统p2d模型相比，获得的高保真电化学模型可以在一套电化学参数下准确表达电池在小倍率和大倍率充放电工况下的电化学行为。该模型对于指导电池设计和管理，提高电池系统综合性能具有重要意义。

36、(2)本发明解决了传统p2d模型在大倍率下仿真不准确、内部机理失真的问题，且仅采用电极三维图像进行修正，其基础模型框架仍然是p2d理论，计算成本不会明显增加。本发明提出的模型可以与热、衰减等模型进一步耦合，实现更加精准的电池数字孪生，对于电池设计和电池管理具有重要的应用价值