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CN114355201B - 一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法 - Google Patents

一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法 Download PDF

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CN114355201B CN202210274584.6A CN202210274584A CN114355201B CN 114355201 B CN114355201 B CN 114355201B CN 202210274584 A CN202210274584 A CN 202210274584A CN 114355201 B CN114355201 B CN 114355201B
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Abstract

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，本发明对电池系统热模型通过分区域，每个区域单独等效为一个热路模型，依次计算所有区域，进而获得整个电池的温度场分布，电池热模型的电池区域划分可以是一维、二维、三维，分别对应一维热路模型、二维热路模型、三维热路模型，本发明所提供的方法具有维度上的推广性，应用灵活性较高，适用于各类尺寸的电池，整体计算量相比于有限元模型大幅减少，和电池整体等效模型相比，本方法可以计算电池的温度场分布。

Description

一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计 方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法。
背景技术
电池在运行时，内部温度随时变化，但是由于电池结构密封，传感器难以进入电池内部测量温度，因此需要使用相关方法对电池内部温度进行估计。目前，用于电池内部温度估计的方法分为三类，分别是有限元模型、经验模型、等效电路模型。其中有限元模型温度估计精确，但是计算时间较长；经验模型需要对实验数据进行大量分析，对电池的尺寸大小依赖性比较强；等效电路模型计算时间短，但是大多只能估计电池中心温度，难以对电池温度场进行分析。
如图1所示，估计电池内部温度场可以通过有限元模型进行分析。有限元模型可以把连续的电池离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将一体的电池看作仅在节点处相连接的一组单元的集合，通过逐个分析每个单元的温度，进而得到电池内部的温度场分布，该类方法首先需要电池模型的精确三维模型，然后对其划分网格单元，设定该模型的边界条件，最后进行计算，得到电池的温度场，估计电池温度场的有限元模型需要电池的精确物理模型，并且需要划分单元，单元数量越多计算越精确，同时需要的计算时间也越长，不同尺寸的电池进行计算需要重新建模并划分网格。等效热路模型可以快速估计电池温度，但是等效过程经过了大量的简化，只能通过电池核心温度描述电池内部温度，不能描述电池温度场的分布。
综上所述，研发一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，仍是电池技术领域中急需解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明在于提供一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，本发明对电池系统热模型通过分区域，每个区域单独等效为一个热路模型，依次计算所有区域，进而获得整个电池的温度场分布，电池热模型的电池区域划分可以是一维、二维、三维，分别对应一维热路模型、二维热路模型、三维热路模型，本发明所提供的方法具有维度上的推广性，应用灵活性较高，适用于各类尺寸的电池，整体计算量相比于有限元模型大幅减少，和电池整体等效模型相比，本方法可以计算电池的温度场分布。
为了更好的对本发明进行说明，现对相关术语进行说明：
电池荷电状态SOC：电池剩余电量占原电量的多少，单位%。
温度场：物质系统内每个点的温度集合。
质量比热容：某种物质1千克质量每升高一摄氏度所需要的热量。
热传导系数：某种一米厚的材料在两侧温差为一摄氏度时，通过1平方米所能传递的热量。
热对流系数：当固体表面和流体温差为一摄氏度时，每平方米面积在1秒内所能传递的热量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，包括以下步骤：
（1）计算SOC：建立电池的戴维南电模型，并通过测量电池的充放电电流、电压，计算电池荷电状态SOC；
（2）计算产热：使用Bernardi产热模型计算电池内部生热；
（3）计算电池温度场点阵；
（4）区域间温度线性插值：计算节点温度后，节点间的温度通过线性或非线性插值获得；
（5）输出电池温度场：将插值得到的温度分布输出，得到电池的温度场估计云图。
本发明进一步设置为：在步骤（1）中，计算电池荷电状态SOC的公式为：
Figure 816723DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明进一步设置为：在步骤（2）中，电池内部生热的计算公式为：
Figure 568778DEST_PATH_IMAGE002
。
本发明进一步设置为：在步骤（3）中，计算电池温度场点阵，包括以下步骤：
（301）电池区域划分：对电池进行区域划分，根据划分后区域依次分析各区域的温度；
（302）区域热路等效：将电池的每个区域均等效为热路网络；
（303）区域间热阻连接：在电池的相邻两个区域间发生热量交换时，将相邻的两个热阻互相连接；
（304）建立热路网络：对每个区域都进行热路等效并互相连接之后，将整个电池等效为热路网络；
（305）分区域计算温度：将每个区域简化为一个节点，对每个节点建立传热微分方程，并依次计算。
本发明进一步设置为：当节点为电池的边缘节点时，相应的热阻替换为对流换热热阻。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
（1）本发明对电池系统划分区域并在区域内采用等效热路的方法，可以根据需要的估计精度自由划分区域，本方法的应用灵活性较高，适用于各类尺寸的电池。
（2）本发明每个区域内使用等效热路模型计算，整体计算量相比于有限元模型大幅减少，和电池整体等效模型相比，本方法可以计算电池的温度场分布。
附图说明
图1为现有有限元模型分析的模型示意图；
图2为本发明所提供方法的流程图；
图3为本发明中计算电池温度场点阵的流程图；
图4为本发明中电池二维划分区域示意图；
图5为本发明中二维区域的等效热路示意图；
图6为本发明中区域间等效热路的合并与连接的示意图；
图7为本发明中二维等效热路网络的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例：
请参照图1-7所示，本发明所提供的基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，包括以下步骤：
（1）计算SOC：建立电池的戴维南电模型，并通过测量电池的充放电电流、电压，计算电池荷电状态SOC。
进一步的，计算电池荷电状态SOC的公式为：
Figure 797766DEST_PATH_IMAGE003
（2）计算产热：使用Bernardi产热模型计算电池内部生热。
进一步的，电池内部生热的计算公式为：
Figure 330378DEST_PATH_IMAGE004
。
（3）计算电池温度场点阵。
其中，计算电池温度场点阵，如图3所示，包括以下步骤：
（301）电池区域划分：对电池进行区域划分，根据划分后区域依次分析各区域的温度，如图4所示，通过在电池的横截面方向将分成六个均等的部分，再对每个区域分别使用等效热路原理，即可分别计算每个区域的温度，图中虚线表示对外界散热。
（302）区域热路等效：将电池的每个区域均等效为热路网络，如图5所示（图中省略了生热元件），四个热阻分别代表四个方向上的传热系数，热容表示该区域的比热容。
（303）区域间热阻连接：在电池的相邻两个区域间发生热量交换时，将相邻的两个热阻互相连接，如图6所示。
（304）建立热路网络：对每个区域都进行热路等效并互相连接之后，将整个电池等效为热路网络，如图7所示。
（305）分区域计算温度：将每个区域简化为一个节点，对每个节点建立传热微分方程，并依次计算。
进一步的，当节点为电池的边缘节点时，相应的热阻替换为对流换热热阻。
作为一种实施方式，以二维温度估计为例，其传热微分方程为：
Figure 935803DEST_PATH_IMAGE005
，式中，i,j为该节点的列数与行数，Cij为该节点的热容，Rl、Rh分别为电池的长度方向热阻 和宽度方向热阻，Qij为该节点的生热量，由前述Bernardi产热模型可计算出。
（4）区域间温度线性插值：计算节点温度后，节点间的温度通过线性或非线性插值获得。
为作为一种实施方式，以双线性插值为例，其节点间的温度的计算公式为：
Figure 135840DEST_PATH_IMAGE006
。
（5）输出电池温度场：将插值得到的温度分布输出，得到电池的温度场估计云图。
需要说明的是，本发明中的方法适用的电池可以替换为相应其他各类电池，包括但不限于软包电池、方块电池、圆柱电池等；电模型可以替换为相应其他任何电池电模型，包括但不限于Rint模型，双极化模型，P2D模型，戴维南模型等；SOC估计可以替换为相应其他各类SOC估计算法，包括但不限于安时积分法，卡尔曼滤波法，神经网络法等；产热模型可以替换为相应其他任何电池产热模型，包括但不限于经验模型，伯纳第生热模型等；插值方法可以替换为相应其他各类插值方法，包括但不限于线性插值、二次样条曲线插值等。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）计算SOC：建立电池的戴维南电模型，并通过测量电池的充放电电流、电压，计算电池荷电状态SOC；
（2）计算产热：使用Bernardi产热模型计算电池内部生热；
（3）计算电池温度场点阵；
（4）区域间温度线性插值：计算节点温度后，节点间的温度通过线性或非线性插值获得；
（5）输出电池温度场：将插值得到的温度分布输出，得到电池的温度场估计云图;
在步骤（3）中，计算电池温度场点阵，包括以下步骤：
（301）电池区域划分：对电池进行区域划分，根据划分后区域依次分析各区域的温度；
（302）区域热路等效：将电池的每个区域均等效为热路网络；
（303）区域间热阻连接：在电池的相邻两个区域间发生热量交换时，将相邻的两个热阻互相连接；
（304）建立热路网络：对每个区域都进行热路等效并互相连接之后，将整个电池等效为热路网络；
（305）分区域计算温度：将每个区域简化为一个节点，对每个节点建立传热微分方程，并依次计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，其特征在于，在步骤（1）中，计算电池荷电状态SOC的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
。
3.根据权利要求1所述的一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，其特征在于，在步骤（2）中，电池内部生热的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
4.根据权利要求1所述的一种基于电热耦合模型的锂离子电池内部温度场在线估计方法，其特征在于，当节点为电池的边缘节点时，相应的热阻替换为对流换热热阻。
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