CN104950261B - 电池的硬件在环仿真测试方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池的仿真技术领域，公开了一种电池的硬件在环仿真测试方法及***。本发明中，电池的硬件在环仿真测试方法包含以下步骤：建立一维电池热模型；其中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布；将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行；根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度。这样，不但可以有效地反映出电池真实的运行情况，而且，计算速度快，占用内存少，可以实时地将电池的温度变化输出给电池管理***。

Description

电池的硬件在环仿真测试方法及***

技术领域

本发明涉及电池的仿真技术领域，特别涉及一种电池的硬件在环仿真测试方法及***。

背景技术

电池在不同的温度下有不同的运行效果，过低的温度会严重影响电池的放电能力，高温虽然可以增加电化学的反应速度，改进电池的运行，但是电池的寿命会因为温度的提升会增加腐蚀，加速电池老化过程。而电池的温度变化又是由于电池的运行情况和外界环境而导致的。因此，对电池管理***来说，预测电池温度轮廓、以及预测电池的温度变化怎样影响电池的运行，对设计热管理***非常重要。

目前，可以使用有限元软件，如ANSYS或COMSOL，建立电池的3D模型，对电池电化学和热传导进行非常精确的模拟。这种模型可以反应出电池内部运行的温度场。但是，这些软件在应用中非常耗内存和时间，不可能够实时将电池的温度变化实时输出给电池管理***。比如，在对电池的温度场的三维计算中，在某一个静止时刻，计算中等网格分布需要耗时1分钟以上。

还有一种简单的电池仿真方法，假设电池的温度变化相对于控制是缓慢的，因此只是将电池的温度设置为定值。这种仿真方法在做循环测试中不能够反映出温度对电池运行的影响情况。

发明内容

本发明解决的问题在于提供一种电池的硬件在环仿真测试方法及***，不但可以有效地反映出电池真实的运行情况，而且，计算速度快，占用内存少，可以实时地将电池的温度变化输出给电池管理***。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种电池的硬件在环仿真测试方法，包含以下步骤：

建立一维电池热模型；其中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布；

将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行；

根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度。

本发明的实施方式还提供了一种电池的硬件在环仿真测试***，包含：电池等价电路模块、温度传感模块、空气流量传感模块与电池热模块；

所述电池等价电路模块与所述电池热模块耦合；所述温度传感模块、所述空气流量传感模块均与所述电池热模块相连；

所述电池等价电路模块，用于模拟电池运行、计算电池运行产生的热能，并将计算结果输出至所述电池热模块；

所述温度传感模块，用于检测电池周围的大气温度，并输出至所述电池热模块；

所述空气流量传感模块，用于检测电池周围的空气流量，并输出至所述电池热模块；

所述电池热模块，用于根据所述电池运行产生的热能、所述大气温度、所述空气流量与预先建立的一维电池热模型，计算得出电池温度，并将计算的电池温度反馈至所述电池等价电路模块；其中，在一维电池热模型中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布。

本发明实施方式相对于现有技术而言，建立的是一维电池热模型，而且，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布，也就是，只对电池的平均温度进行模拟，而不用模拟出电池内部每个区域的温度分布，这样，对电池的整个热力场进行了简化，在计算电池温度时，计算量小，计算速度快，占用内存少，可以实时地将电池的温度变化输出给电池管理***；而且，将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行，考虑了电池产生的热对电池工作的影响，从而，可以有效地反映出电池真实的运行情况。

进一步地，在所述根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度的步骤中，包含以下子步骤：采用预先建立的空气传热模型，根据上次计算的流动空气带走的热量Q_air、电池温度与电池周围空气温度的差值、大气温度与空气流量，计算当前流动空气带走的热量Q_{air_out}；采用预先建立的电池产生热和传热模型，根据所述当前流动空气带走的热量与电池运行产生的热能，计算得出电池温度。在计算电池温度时，除了考虑电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，还考虑之前计算的流动空气带走的热量以及电池温度与电池周围空气温度的差值，这样，可以使计算的电池温度更准确，更能反映真实的电池温度。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的电池的硬件在环仿真测试方法的流程示意图；

图2是根据本发明第二实施方式的电池的硬件在环仿真测试方法的流程示意图；

图3是根据本发明第三实施方式的电池的硬件在环仿真测试***的结构示意图；

图4是根据本发明第四实施方式中的空气传热子模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种电池的硬件在环仿真测试方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，建立一维电池热模型；其中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布。在本实施方式中，采用一维的模拟方法，对电池的整个热力场进行了简化，只对电池的平均温度进行模拟，而不用模拟电池内部每个区域的温度分布。

步骤102，将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行。在电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行时，电池运行产生的热能会作用于电池等效电路，这样，可以有效地反映出电池真实的运行情况，使模拟结果更准确。

步骤103，计算电池运行产生的热能，采集大气温度与空气流量。在本步骤中，通过如下公式计算电池运行产生的热能：

其中，为电池运行产生的热能，R为电池内阻，I为电池的工作电流，N为电阻电容(R-C)回路的数目，n为自然数。

步骤104，根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度。

在本步骤中，通过如下方程计算电池温度与时间的关系式：

其中，Q为电池内部剩余的热能，m_bat为电池质量，c_bat为电池的比热容，T为电池温度，t为时间；A为电池与空气的接触面积，h为热传导系数，T_amp为大气温度，d为微分符号。

在本实施方式中，计算时间在10微秒以内，即使在对包含一百多节的电池箱，对每一个电池进行温度仿真，也可以将仿真步长控制在1毫秒以内。所以，可以实时地将电池的温度变化输出给电池管理***。

与现有技术相比，建立的是一维电池热模型，而且，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布，也就是，只对电池的平均温度进行模拟，而不用模拟出电池内部每个区域的温度分布，这样，对电池的整个热力场进行了简化，在计算电池温度时，计算量小，计算速度快，占用内存少，可以实时地将电池的温度变化输出给电池管理***；而且，将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行，考虑了电池产生的热对电池工作的影响，从而，可以有效地反映出电池真实的运行情况。

本发明的第二实施方式涉及一种电池的硬件在环仿真测试方法。第二实施方式在第一实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，在计算电池温度时，不但考虑电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，还考虑电池温度与电池周围空气温度的差值，这样，可以使计算的电池温度更准确，更能反映真实的电池温度。

具体地说，在本实施方式中，电池的硬件在环仿真测试方法，具体如图2所示，包含如下步骤：

步骤201，建立一维电池热模型；其中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布。本步骤与第一实施方式中的步骤101相同，在此不再赘述。

步骤202，将电池运行产生的热能与电池等效电路模型耦合运行。本步骤与第一实施方式中的步骤102相同，在此不再赘述。

步骤203，采集大气温度与空气流量。

步骤204，根据上次计算的流动空气带走的热量、大气温度与空气流量，计算电池周围空气温度。本步骤中，通过如下方程计算电池周围空气温度：

T_{air_ave}＝T_amp-Q_air/k/c_air/2

其中，T_{air_ave}为电池周围空气温度，T_amp为大气温度，Q_air为上次计算的流动空气带走的热量，k为空气流量，c_air为空气比热容。

在电池工作之前，电池周围空气温度的初始值为大气温度，在电池工作时，电池产生热量，其中，流动空气带走的热量会影响电池周围空气温度，电池周围空气流量也会影响电池周围空气温度。比如，上次计算的流动空气带走的热量越多，电池周围空气温度会越低；电池周围空气流量越大，电池周围空气温度会降低得越多。通过上述公式，可以计算得到电池周围空气温度。

步骤205，根据电池周围空气温度与电池温度，计算电池温度与电池周围空气温度的差值(ΔT)。其中，ΔT＝T_{air_ave}-T，T为电池温度。

步骤206，根据电池温度与电池周围空气温度的差值，计算当前流动空气带走的热量(Q_{air_out})。在本实施方式中，通过如下方程计算当前流动空气带走的热量：

Q_{air_out}＝ΔT/q＝(T_{air_ave}-T)/q

其中，q为热阻。

步骤207，采用预先建立的电池产生热和传热模型，根据当前流动空气带走的热量与电池运行产生的热能，计算得出电池温度。在本步骤中，通过如下方程计算电池温度：

其中，

在本实施方式中，在计算电池温度时，不但考虑了空气的热传导能力对电池的散热作用，还考虑了电池温度与电池周围空气温度的差值对电池的冷却作用，综合考虑这两种作用一起传走的电池产生的热能，可以使计算的电池温度更准确，更能反映真实的电池温度。

需要说明的是，步骤203～207是循环计算中的一个循环，上次计算的流动空气带走的热量是前一次循环计算得出的流动空气带走的热量，当前流动空气带走的热量是本次循环计算得出的流动空气带走的热量。需要注意的是，本次循环计算得出的流动空气带走的热量不能作为本次循环计算的输入参数，只能进行保存，作为下次循环计算的输入参数。在本实施方式中，每个循环之间的步长是预先设定的固定步长。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第三实施方式涉及一种电池的硬件在环仿真测试***，如图3所示，包含：电池等价电路模块、温度传感模块、空气流量传感模块与电池热模块。

电池等价电路模块与电池热模块耦合；温度传感模块、空气流量传感模块均与电池热模块相连。

电池等价电路模块，用于模拟电池运行、计算电池运行产生的热能，并将计算结果输出至电池热模块。

温度传感模块，用于检测电池周围的大气温度，并输出至电池热模块。

空气流量传感模块，用于检测电池周围的空气流量，并输出至电池热模块。

电池热模块，用于根据电池运行产生的热能、大气温度、空气流量与预先建立的一维电池热模型，计算得出电池温度，并将计算的电池温度反馈至电池等价电路模块；其中，在一维电池热模型中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的***实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第四实施方式涉及一种电池的硬件在环仿真测试***。第四实施方式在第三实施方式的基础上作了进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，电池的硬件在环仿真测试***在计算电池温度时，不但采用电池运行产生的热能、大气温度与空气流量等参数，还采用电池温度与电池周围空气温度的差值，这样，可以使计算的电池温度更准确，更能反映真实的电池温度。

在本实施方式中，电池热模块包含空气传热子模块与计算子模块。

温度传感模块、空气流量传感模块分别与空气传热子模块相连；电池等价电路模块、空气传热子模块分别与计算子模块相连。

空气传热子模块，用于根据大气温度、空气流量、上次计算的流动空气带走的热量(Q_air)、电池温度与电池周围空气温度的差值，计算当前流动空气带走的热量(Q_{air_out})，并输出至计算子模块。

计算子模块，用于根据当前流动空气带走的热量与电池运行产生的热能，计算得出电池温度。

进一步地说，空气传热子模块包含热量传递计算单元、第一计算单元与第二计算单元，具体如图4所示。

温度传感模块、空气流量传感模块分别与热量传递计算单元相连；热量传递计算单元分别与第一计算单元、第二计算单元相连，第一计算单元与第二计算单元相连；第二计算单元与计算子模块相连。

热量传递计算单元，用于根据上次计算的流动空气带走的热量(Q_air)、大气温度与空气流量，计算电池周围空气温度，并输出至第一计算单元。

第一计算单元，用于将电池周围空气温度减去电池温度，得到电池温度与电池周围空气温度的差值，并输出至第二计算单元。

热量传递计算单元，还用于将电池产生的热能减去上次计算的流动空气带走的热量(Q_air)，得到电池内部剩余的热能，并输出至第二计算单元。

第二计算单元，用于根据接收的数据计算当前流动空气带走的热量(Q_{air_out})，并输出至计算子模块。

更进一步地，热量传递计算单元包含平均温度计算子单元与热传导能力计算子单元。

温度传感模块、空气流量传感模块分别与平均温度计算子单元相连；平均温度计算子单元与第一计算单元相连；空气流量传感模块与热传导能力计算子单元相连。

平均温度计算子单元，用于根上次计算的流动空气带走的热量(Q_air)、大气温度与空气流量，计算电池周围空气的平均温度，并输出至第一计算单元。

热传导能力计算子单元，用于根据空气流量计算热传导能力。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电池的硬件在环仿真测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

建立一维电池热模型；其中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布；

将电池运行产生的热能与电池等效电路耦合运行；

根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度；

在所述根据电池运行产生的热能、大气温度与空气流量，计算得出电池温度的步骤中，包含以下子步骤：

采用预先建立的空气传热模型，根据上次计算的流动空气带走的热量Q_air、电池温度与电池周围空气温度的差值、大气温度与空气流量，计算当前流动空气带走的热量Q_{air_out}；

采用预先建立的电池产生热和传热模型，根据当前流动空气带走的热量与电池运行产生的热能，计算得出电池温度。

2.根据权利要求1所述的电池的硬件在环仿真测试方法，其特征在于，在所述采用预先建立的空气传热模型，根据上次计算的流动空气带走的热量、电池温度与电池周围空气温度的差值、大气温度与空气流量，计算当前流动空气带走的热量的步骤中，包含以下子步骤：

根据所述上次计算的流动空气带走的热量Q_air、大气温度与空气流量，计算电池周围空气温度；

根据所述电池周围空气温度与电池温度，计算电池温度与电池周围空气温度的差值；

根据电池温度与电池周围空气温度的差值，计算所述当前流动空气带走的热量Q_{air_out}。

3.根据权利要求2所述的电池的硬件在环仿真测试方法，其特征在于，在根据所述上次计算的流动空气带走的热量Q_air、大气温度与空气流量，计算电池周围空气温度的步骤中，

通过如下方程计算电池周围空气温度：

T_{air_ave}＝T_amp-Q_air/k/c_air/2

其中，T_{air_ave}为电池周围空气温度，T_amp为大气温度，k为空气流量，c_air为空气比热容。

4.根据权利要求2所述的电池的硬件在环仿真测试方法，其特征在于，在所述根据电池温度与电池周围空气温度的差值，计算所述当前流动空气带走的热量的步骤中，

通过如下方程计算所述当前流动空气带走的热量：

Q_{air_out}＝(T_{air_ave}-T)/q

其中，T_{air_ave}为电池周围空气温度，T为电池温度，q为热阻。

5.一种电池的硬件在环仿真测试***，其特征在于，包含：电池等价电路模块、温度传感模块、空气流量传感模块与电池热模块；

所述电池等价电路模块与所述电池热模块耦合；所述温度传感模块、所述空气流量传感模块均与所述电池热模块相连；

所述电池等价电路模块，用于模拟电池运行、计算电池运行产生的热能，并将计算结果输出至所述电池热模块；

所述温度传感模块，用于检测电池周围的大气温度，并输出至所述电池热模块；

所述空气流量传感模块，用于检测电池周围的空气流量，并输出至所述电池热模块；

所述电池热模块，用于根据所述电池运行产生的热能、所述大气温度、所述空气流量与预先建立的一维电池热模型，计算得出电池温度，并将计算的电池温度反馈至所述电池等价电路模块；其中，在一维电池热模型中，电池运行产生的热能在电池本体内部均匀分布；

所述电池热模块包含空气传热子模块与计算子模块；

所述温度传感模块、所述空气流量传感模块分别与所述空气传热子模块相连；所述电池等价电路模块、所述空气传热子模块分别与所述计算子模块相连；

所述空气传热子模块，用于根据所述大气温度、所述空气流量、上次计算的流动空气带走的热量Q_air、电池温度与电池周围空气温度的差值，计算当前流动空气带走的热量Q_{air_out}，并输出至所述计算子模块；

所述计算子模块，用于根据所述当前流动空气带走的热量与所述电池运行产生的热能，计算得出电池温度。

6.根据权利要求5所述的电池的硬件在环仿真测试***，其特征在于，所述空气传热子模块包含热量传递计算单元、第一计算单元与第二计算单元；

所述温度传感模块、所述空气流量传感模块分别与所述热量传递计算单元相连；所述热量传递计算单元分别与所述第一计算单元、所述第二计算单元相连，所述第一计算单元与所述第二计算单元相连；所述第二计算单元与所述计算子模块相连；

所述热量传递计算单元，用于根据所述上次计算的流动空气带走的热量Q_air、大气温度与空气流量，计算电池周围空气温度，并输出至第一计算单元；

所述第一计算单元，用于将电池周围空气温度减去电池温度，得到电池温度与电池周围空气温度的差值，并输出至第二计算单元；

所述第二计算单元，用于根据接收的数据计算所述当前流动空气带走的热量Q_{air_out}，并输出至所述计算子模块。

7.根据权利要求6所述的电池的硬件在环仿真测试***，其特征在于，所述热量传递计算单元包含平均温度计算子单元；

所述温度传感模块、所述空气流量传感模块分别与所述平均温度计算子单元相连；所述平均温度计算子单元与所述第一计算单元相连；

所述平均温度计算子单元，用于根所述上次计算的流动空气带走的热量Q_air、大气温度与空气流量，计算电池周围空气的平均温度，并输出至第一计算单元。