(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 202210672870.8 (22)申请日 2022.06.15 (71)申请人 中国科学技术大学 地址 230026 安徽省合肥市包河区金寨路 96号 (72)发明人 王青松　梅文昕　张玥　金凯强　 段强领　孙金华　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 李晓莉 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 17/15(2006.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明公开了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， 涉及锂离 子电池耦合模型开发领域， 具体步骤如下： (1)根 据电化学、 力和热模型拟解决的问题确定模型尺 度； (2)基于确定的模型尺度， 选 择合适的模型 维 度以简化模型； (3)选 取单体电芯， 获取其电化学 参数、 热物性参数及应力相关参数； (4)确定多尺 度多维度电化学 ‑力‑热模型耦 合机制， 构建多尺 度多维度电化学 ‑力‑热模型； (5)基于所建立的 电化学‑力‑热模型， 可对比锂离子电池充放电过 程中扩散应力和热应力的异同。 本发 明能够系统 性地厘清电池内部电化学过程、 应力产生和温度 变化的相互关系， 可为电池充放电过程中热设 计、 结构设计和优化 提供理论指导。 权利要求书2页 说明书11页 附图3页 CN 115238455 A 2022.10.25 CN 115238455 A 1.一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， 其特征在于， 包 含以下步骤： 步骤一， 根据电化学模型、 力模型和热模型各自拟解决的问题确定三种模型的模型尺 度； 步骤二， 基于确定的模型尺度， 确定模型维度以简化模型； 步骤三， 选取单体电芯， 获取其电化学参数、 热物性参数及应力相关参数， 构建电化学 ‑ 力‑热耦合模型； 优选地， 其中根据菲克定律、 欧姆定律和Butler ‑Volmer动力学方程建立电 化学模型， 获取锂浓度、 电势及电流变化； 优选地， 根据能量守恒方程建立电池热模 型， 获取 电池温度； 优选地， 根据应力 ‑应变关系建立电池力模型， 获取电池 扩散应力及热应力； 步骤四， 根据电化学 ‑力‑热特性之间的耦合关系， 确定多尺度多维度电化学 ‑力‑热模 型耦合机制， 实现多尺度多维度电化学 ‑力‑热模型的构建； 步骤五， 基于所建立的电化学 ‑力‑热模型， 计算扩散应力和热应力， 对比锂离子电池充 放电过程中扩散应力和热应力的异同。 2.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤一中， 电化学模型拟解决的问题为锂离子电池电极过程和/或电化 学反应机理； 力模型拟解决 的问题为扩散应力和/或热应力； 热模型拟解决 的问题为电芯产 热和/或温度； 优选地， 电化学模型的模型尺度包括颗粒尺度和/或电极尺度； 优选地， 当力模型拟解决的问题为扩散应力时， 力模型的模型尺度包括颗粒尺度和/或 电极尺度； 优选地， 当力模型拟解决的问题为热应力时， 力模型的模型尺度包括电极尺度和/或电 芯尺度； 优选地， 热模型的模型尺度包括电极尺度和/或电芯尺度。 3.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤二中， 所述模 型维度包含零维(0D)、 一维(1D)、 二维(2D)和三维(3D) 中的一种 、 两种、 三种或四种。 4.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 电化学 ‑力‑热模型为多尺度模型， 涵盖了锂离子电池颗粒尺度、 电极尺 度和电芯尺度； 其中电化学模型在电极尺度建立、 力模型中的扩散应力在颗粒尺度上计算、 热模型和力模型中的热应力在电芯尺度上计算。 5.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 电化学 ‑力‑热模型为多维度模型， 涵盖了一 维模型和三 维模型； 优选地， 其中电化学模型为一维模型、 力模型中的扩散应力为一维模型、 力模型中的热应力为三维 模型、 热模型为 三维模型。 6.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤四实现了电化学 ‑力‑热模型的耦合， 其中模 型之间的耦合是采用单 向和双向耦合相结合的方式。 7.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤四中的电化学 ‑力耦合机制在于： 在一 维电化学模型中的额外维度，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238455 A 2即活性材料颗粒的维度， 其 实时获取的锂浓度可用于计算活性颗粒因锂浓度差引起的扩散 应力， 实现扩散应力与电化学 过程的耦合， 为单向耦合。 8.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤四中的电化学 ‑热耦合机制在于： 根据电迁移、 电荷转移和锂扩散相 关原理可以计算得到电化学模型 的因变量， 即固液相电势和固液相锂浓度， 进而可以计算 出电池各部分产热量； 该产热量将通过 “平均”的方式带入到三维平均热模型中； 基于能量 守恒方程， 热量的变化可反 映为热模型中温度的变化， 而温度的变化反过来影响电化学模 型中的温度相关参数， 形成闭环反馈， 为双向耦合。 9.根据权利要求1所述的一种 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， 其特征在于， 步骤四中的热 ‑力耦合机制在于： 热模 型中获得温度， 所产生的温度梯度 进而导致力模型中热应力的产生， 从而表现为热膨胀行为。 10.根据权利要求1所述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， 其特征在于， 基于该模型可实现锂离子电池充放电过程中扩散应力与热应力的对 比； 优选地， 其中扩散应力是通过电化学模型中得到的锂浓度与力模 型中的应力 ‑应变关系 耦合计算得到； 优选地， 热应力是通过热模型中得到的温度与力模型中的应力 ‑应变关系耦 合计算得到； 优选地， 基于该模型 可用于解决充放电过程中电化学 ‑力‑热所有相关问题。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238455 A 3