本发明属于锂电池热安全领域，具体涉及一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法。
背景技术：
1、锂离子电池以其优异的能量密度和生命周期性能被广泛应用于电化学储能和电动力电池领域。然而，热失控是阻碍锂电池进一步应用的关键问题。锂电池安全阀开启是热失控的重要预警信号，伴随着反应气体、固体颗粒和电解液的释放，除了电池内部的化学反应，外部的预紧力也会影响电池安全阀的开启，进而影响热失控进程。目前大多数锂电池的热失控预测模型主要关注热的部分，对安全阀开启这个过程往往仅从温度或是压力来判断，且没有考虑电池在成组时外部施加的预紧力，并不能保证其预测的准确性，从而影响热失控整个过程预测的准确性。
2、针对上述问题，公开号为cn115544839a的专利文献公开了锂电池电化学-热-力-短路-热失控耦合模型构建方法，包括：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。但是该发明构建的各个子模型耦合之前并未通过模型检验及校正，因此最终的耦合模型精度和稳定性无法保证。
3、公开号为cn117031290a的专利文献公开了基于无迹卡尔曼滤波算法的锂电池热失控预警方法及系统，包括：根据二阶等效电路模型获得对应参数；根据集总参数双态热模型获得对应参数；采集锂电池某时刻的采样数据；将采样数据代入对应参数，估算电池实时荷电状态和电池实时核心温度；建立热失控程度对照表，并将锂电池实时荷电状态估计值、实时核心温度估计值和表面温度之间的差值分别与热失控程度对照表相对比，得到电池热失控的预判结果，完成热失控预警。同样的，该发明提出的锂电池热失控预警方案主要是关注热的部分，对于导致热失控的其他因素并未考虑在内，因此热失控预警精度不佳。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，基于锂电池外部预紧力、内部气体压力和温度场对热失控的影响，建立热失控产热-产气-开阀耦合模型，模拟锂电池热失控过程中电池内部的压力、温度以及电池壳体的应力对安全阀开启的影响，从而提升锂电池热失控预测精度。
2、为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供的一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，包括以下步骤：
4、步骤1：开展锂电池热失控实验并采集实验参数，其中，采用热电偶监测电池表面温度，采用气压传感器监测锂电池的内部压力变化，通过拉伸试验测得电池壳体的力和位移曲线；
5、步骤2：基于得到的实验参数以及锂电池的热物性参数建立锂电池的热失控产热子模型、热失控产气子模型以及电池壳体有限元力学子模型，通过实验验证并进行参数校正；
6、步骤3：将参数校正后的热失控产热子模型、热失控产气子模型以及电池壳体有限元力学子模型进行耦合计算，得到锂电池热失控产热-产气-开阀耦合模型，用于实现锂电池热失控联合仿真预测。
7、本发明的技术构思为：针对现有锂电池热失控预测模型的预测精度不高，且没有考虑电池在成组时存在的预紧力的影响，本发明充分考虑了锂电池外部预紧力、内部气体压力和温度场对热失控的影响，建立了热失控产热子模型、热失控产气子模型和电池壳体有限元力学子模型。
8、进一步的，考虑到三个子模型之间的耦合关系，即热失控产热子模型中的反应进程会影响热失控产气子模型的压力变化，而压力变化作为电池壳体有限元力学子模型的输入会影响电池壳体的形变，形变产生的应力以及壳体的温度会影响安全阀的开启，安全阀开启又会对电池在整个热失控过程中的温度产生影响，因此，本发明基于上述产热-产气-开阀耦合机制建立了热失控产热-产气-开阀耦合模型，用于对锂电池安全阀开启进行预测分析，从而实现锂电池热失控联合仿真。
9、进一步的，步骤2中，所述的热失控产热子模型，建立过程为：
10、依据锂电池三维尺寸建立几何模型，划分网格并确定边界条件，所述边界条件包括电池和环境的对流换热和辐射换热以及外界的热量输入，边界条件用公式表示为：
11、qh＝ha(tw-t∞) (1)
12、
13、其中，qh为对流换热量，qr为辐射换热量，h为对流换热系数，a为热量传递方向垂直的面积，tw和t∞分别为固体壁面和流体的温度；ε为发射率，σ为斯提芬波尔赫兹常数，t1和t2分别为两个辐射表面的温度；
14、热失控产热子模型考虑两部分热源产热：电池内短路产热和热失控放热反应产热，电池内短路产热根据锂电池的soc来计算，热失控放热反应产热根据不同的氧化还原反应的反应速率来计算产热量，反应速率由阿伦尼乌斯公式计算得到，用公式表示为：
15、
16、
17、
18、其中，qtr为氧化还原反应产热热量，mi为反应物的质量，i表示第i种反应物，hi为反应的比焓，为反应速率；ai为第i种反应物的热量传递方向垂直的面积，ci为反应物的无量纲浓度，eai为反应的活化能，r为气体常数，t为反应温度；ρ为电池的密度，cp为电池的比热容，k为电池的导热系数。
19、进一步的，步骤2中，所述的热失控产气子模型，建立过程为：
20、热失控产气子模型考虑两部分产气：电解液蒸发产气和化学反应产气，两部分产气分压用公式表示为：
21、
22、pgvvoidspace＝ngrt (7)
23、其中，pele为电解液蒸发产气分压，pg为化学反应产气分压，a，b，c分别为物质相关的特征常数，t(k)为温度；vvoidspace为电池内部的空隙空间，ng为化学反应产气的摩尔数；
24、对电解液蒸发产气分压和化学反应产气分压求和，得到热失控产气子模型的锂电池总压，用公式表示为：
25、ptot＝pg+pele (8)
26、其中，ptot为锂电池总压。
27、进一步的，步骤2中，所述的电池壳体有限元力学子模型，建立过程为：
28、根据电池壳体三维尺寸建立三维有限元模型，通过实验确定壳体材料本构，并确定安全阀位置的材料破坏准则；
29、电池壳体两侧采用弹簧和夹板的形式对电池进行预紧，通过改变弹簧的伸缩长度调节外部预紧力的大小，得到包含壳体材料本构、外部预紧力的电池壳体有限元力学子模型。
30、进一步的，步骤2中，所述的通过实验验证并进行参数校正，包括电池热失控实验、电池壳体力学特性实验以及参数校正。
31、进一步的，步骤2中，所述的电池热失控实验，具体为：
32、在锂电池各表面布置热电偶，在锂电池内部置入气压传感器；
33、使用夹具对锂电池进行预紧，对锂电池进行加热使其发生热失控；
34、采用热电偶监测电池表面温度，并求各表面温度的平均值，采用气压传感器监测锂电池的内部压力变化；
35、记录热失控过程中的温升变化和内部压力的变化，以及安全阀开启时刻的温度和压力。
36、进一步的，步骤2中，所述的电池壳体力学特性实验，具体为：
37、将锂电池进行拆解，得到电池壳体并裁剪，得到用于开展拉伸实验的拉伸试样；
38、开展拉伸试验，利用拉伸试验平台测试拉伸试样的力学特性，得到应力应变曲线，并对拉伸试样的材料密度进行测试。
39、进一步的，步骤2中，所述的参数校正，具体为：
40、通过热失控产热子模型得到锂电池各表面温度的平均值，与电池热失控实验测得的各表面温度的平均值进行对比，并对热失控产热子模型进行参数校正；
41、通过热失控产气子模型计算得到压力曲线，与电池热失控实验测得的内部压力变化进行对比，并对热失控产气子模型进行参数校正；
42、对拉伸试样建立有限元模型，并通过仿真软件模拟拉伸过程，得到仿真应力应变曲线，与电池壳体力学特性实验得到的应力应变曲线进行比对，得到电池壳体的力学本构，并对电池壳体有限元力学子模型进行参数校正。
43、进一步的，所述的耦合计算，具体为：
44、热失控产热子模型中的电池内短路和热失控放热反应导致电池温升，依据电池温升对热失控产气子模型中的电解液蒸发产气和化学反应产气压力变化的影响，得到电池温升下热失控产气子模型中的锂电池内部压力变化；
45、根据电池温升建立电池壳体温度场，作为电池壳体有限元力学子模型的温度边界条件；
46、将电池温升下热失控产气子模型中的锂电池内部压力变化作为电池壳体有限元力学子模型中壳体内壁的压力载荷边界条件；
47、通过对参数校正后的热失控产热子模型、热失控产气子模型以及电池壳体有限元力学子模型进行实时耦合，得到锂电池热失控产热-产气-开阀耦合模型，用于计算排气前电池壳体的应力状态和安全阀开启压力。
48、第二方面，为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于当执行所述计算机程序时，实现第一方面本发明实施例提供的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法。
49、本发明的有益效果如下：
50、(1)本发明充分考虑了锂电池外部预紧力、内部气体压力和温度场对热失控的影响，建立了锂电池热失控产热-产气-开阀耦合模型，较为精确地复现了锂离子电池在热失控过程中的开阀行为，通过对锂电池安全阀开启进行预测分析，从而实现锂电池热失控预测；
51、(2)本发明提出的三个子模型在耦合之前，均通过实验校验并进行参数校正，充分保证了锂电池热失控过程中各个子模型的正确性，同时耦合后形成的锂电池热失控产热-产气-开阀耦合模型也通过实验比对验证，保证了模型的可靠性和精确度；
52、(3)本发明提出的方法可以应用于锂电池的安全预警，通过对锂电池安全阀在热失控发生前的力学行为仿真分析，可以预测安全阀开启的时刻以及对应的电池温度和内部压力，并在安全阀开启之前采取一定的措施抑制热失控的发生；
53、(4)本发明提出的方法由于考虑了预紧力的影响，仿真模拟的安全阀开启压力更加准确，可以为安全阀的设计提供更加可靠的指导，同时也可以对电池成组时设置的预紧力大小提供指导。
1.一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的热失控产热子模型，建立过程为：
3.根据权利要求1所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的热失控产气子模型，建立过程为：
4.根据权利要求1所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的电池壳体有限元力学子模型，建立过程为：
5.根据权利要求1所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的通过实验验证并进行参数校正，包括电池热失控实验、电池壳体力学特性实验以及参数校正。
6.根据权利要求5所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的电池热失控实验，具体为：
7.根据权利要求5所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的电池壳体力学特性实验，具体为：
8.根据权利要求2或3或6或7所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤2中，所述的参数校正，具体为：
9.根据权利要求1所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法，其特征在于，步骤3中，所述的耦合计算，具体为：
10.一种考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真设备，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，其特征在于，所述处理器用于当执行所述计算机程序时，实现权利要求1-9任一项所述的考虑预紧力的锂电池安全阀开启预测仿真方法。
