CN111144029B - 一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法，该方法在锂离子动力电池的电模型与热模型之间建立了联系，考虑到了电池大电流放电及外部短路情况下影响温度变化的具体参数，能够较好的适用于动力电池极速自加热过程，显著提高了电池大电流放电及外部短路时电池温度预测的精确性。

Description

一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法

技术领域

本发明涉及动力电池安全技术领域，具体涉及针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模，尤其是在极速自加热过程中的热电耦合特性建模技术。

背景技术

通过动力电池外短路实现的极速自加热技术，是目前克服动力电池低温性能较差，实现全气候应用的重要解决方法。由于电动载运工具中使用的锂离子电池***包含成百上千的锂离子单体电池，单个电池发生故障会产生大量的热量，触发相邻电池热失控，从而导致整个电池组发生故障。尤其电池在发生外短路时，动力电池温度飞速上升，短时间内可能会有漏气漏液甚至燃烧等现象的发生，威胁到电动电动载运工具的安全。因此需要精确刻画动力电池外短路行为，建立精确的热点耦合模型，对发生外部短路的电池温度进行精准预测，进一步提升电池极速加热的安全性。

目前对电池温度预测的研究多集中在正常工作状态下，而对于电池外部短路研究方面存在不足。应用于电池管理***的电池热电耦合模型不仅需要有较高的精度，还需要运算方便以及参数设置尽量简单。现有的基于偏微分方程的电化学热耦合模型对电池温度预测有较高的精度，但是由于繁琐的参数设置以及较大的计算量，不容易实时计算和参数化。因此，为平衡复杂性与温度精度，基于等效电路模型的集总参数热模型被广泛应用于电池管理***中。这些模型应用于正常工作状态下温度预测，在一定的温度范围内有不错的精度，但电池发生外部短路时温度跨度较大且分布不均匀，所以并不适用。因此如何建立一个专门针对于动力电池外部短路特性的热电耦合模型，具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法，适用于动力电池极速自加热过程。该方法具体包括以下步骤：

步骤一、针对动力电池建立考虑了锂离子电池电模型与热模型双向耦合作用的动力电池模型；

步骤二、基于电模型对动力电池内阻、极化内阻和极化电容进行辨识，并将辨识结果结合热模型计算动力电池产热；

步骤三、利用得到的动力电池产热结果，分别构建具有对流边界条件的圆柱形电池的径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型；

步骤四、根据径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型，建立动力电池二维温度分布模型，从而完成热电耦合特性的建模。

进一步地，所述电模型采用一阶RC电池模型。电池中由多个发热源，活化、浓度、欧姆损耗发热。电池外部短路情况下，电池产热情况复杂，除了正常情况下电池内阻产生的焦耳热以外，还有大量的极耳产热。极耳产热是由电流通过电池极耳产生，极耳采用金属材料，存在一定的电阻。当电池发生ESC时，大电流通过极耳，会产生大量的热量。因此在该一阶RC电池模型中，也考虑极耳产热。电池的温度和SOC在发生外短路时短时间内变化较大，故可将电池内阻、极化内阻与极化电容视为关于温度和SoC函数。

进一步地，动力电池产热通过以下公式计算：

其中，Q_avg为电池平均产热速率，Q_tab为电池极耳产热速率，I为电流，R_O为电池欧姆内阻，R₁为极化内阻，C₁为极化电容,t为时间，t₀为电池开始放电的时刻，R_tab为极耳电阻，T为电池温度，SoC为电池荷电状态；f_RO、f_R1、f_C1分别表示与欧姆内阻、极化内阻、极化电容对应的函数。

当然，上述电模型以及热模型对于本领域公知的多种不同形式也同样适用。

构建具有对流边界条件的圆柱形电池的径向均匀分布、轴向线性分布的一维热模型详细描述电池外部短路时的热分布。通过对电池结构的拆解以及试验的结果，对模型进行适当的简化，合理的假设电池沿径向均匀产热，受极耳影响沿轴向线性产热。由于导热率在轴向上比在径向上高一个或两个数量级。忽略电池在轴向上的导热。

因此，进一步地，所建立的径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型，基于以下几个对电池物理属性的假设：

(1).电池内部材料各向同性物理性质均匀，密度一致；

(2).电池内部热传递主要通过热传导，忽略热辐射和热对流影响；

(3).电池比热容和导热系数为常数，不随温度和SOC变化。

进一步地，建立动力电池二维温度分布模型具体包括：

基于三维温度分布T(z,r,t)和边界条件的控制方程：

其中，z和r为电池上某点在柱面坐标系下的位置坐标，k_t为电池径向导热系数，ρ为电池密度，C_p为电池平均比热容，R为电池半径，h为表面对流换热系数，T_∞为电池周围流体温度，V_b为电池体积；

假设电池在轴向的产热，从负极到正极线性变化，电池产热速率Q(z,t)表达为：

其中Q_avg为电池内部平均产热，Q_tab为电池内部极耳部分产热；

由于均匀产热，忽略轴向热量传递，假设电池单元在任意轴向的r方向的温度分布满足于以下多项式：

其中a(t)b(t)d(t)是时变常数；

则电池中心温度Tc，表面温度Ts，体积平均温度

和温度梯度

可以表示为：

T_c＝a(t)

T_s＝a(t)+b(t)+d(t)

通过一系列计算可得到以下形式的温度分布模型：

其中，τ为时间常数，矩阵A,B,C,D定义如下：

上述本发明所提供的方法在锂离子动力电池的电模型与热模型之间建立了联系，考虑到了电池外部短路情况下影响温度变化的具体参数，能够较好的适用于动力电池极速自加热过程，显著提高了外部短路时电池温度预测的精确性。

附图说明

图1为根据本发明所提供方法建立的热电耦合模型；

图2为根据本发明所提供方法建立的模型与试验电池温升曲线的对比。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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。

本发明所提供的方法具体以下步骤：

步骤一、针对动力电池建立考虑了锂离子电池电模型与热模型双向耦合作用的动力电池模型，如图1所示；

步骤二、基于电模型对动力电池内阻、极化内阻与极化电容进行辨识，并将辨识结果结合热模型计算动力电池产热；

步骤三、利用得到的动力电池产热结果，分别构建具有对流边界条件的圆柱形电池的径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型；

步骤四、根据径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型，建立动力电池二维温度分布模型，从而完成热电耦合特性的建模。

在一实例中，针对所提出的电池外部短路热电耦合模型构建方法，在环境温度20℃时对模型进行实施应用，采用三个不同初始SOC的动力电池外部短路试验的表面与中心温度数据与对应的模型表面与中心温度数据进行对比分析。

由于动力锂电池中心受空间所限只能放置一只热电偶，因此取模型负极中心温度与试验对比。实验与模型对比结果如图2所示，通过模型得到的动力电池表面温度与实测温度基本吻合，受传热不均匀影响，试验温度曲线有一定的后置性，而正极所受影响更为明显。

由下表中温升误差可以看出，最大误差为2.315％，具有可靠的精度。因此发明建立的应用于圆柱形锂离子电池外部短路情况下的热电耦合模型较为接近动力电池在外部短路后的实际温度变化规律，验证了模型的有效性，可以用于动力电池外部短路温度预测。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法，适用于动力电池极速自加热过程，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、针对动力电池建立考虑了锂离子电池电模型与热模型双向耦合作用的动力电池模型；所述电模型采用一阶RC电池模型，并考虑极耳产热；电池内阻、极化内阻和极化电容为关于温度和SoC函数；

步骤二、基于电模型对动力电池内阻、极化内阻和极化电容进行辨识，并将辨识结果结合热模型计算动力电池产热；动力电池产热通过以下公式计算：

其中，Q_avg为电池平均产热速率，Q_tab为电池极耳产热速率，I为电流，R_O为电池欧姆内阻，R₁为极化内阻，C₁为极化电容,t为时间，t₀为电池开始放电的时刻，R_tab为极耳电阻，T为电池温度，SoC为电池荷电状态；f_RO、f_R1、f_C1分别表示与欧姆内阻、极化内阻、极化电容对应的函数；

步骤三、利用得到的动力电池产热结果，基于以下几个对电池物理属性的假设，分别构建具有对流边界条件的圆柱形电池的径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型：

(1).电池内部材料各向同性物理性质均匀，密度一致；

(2).电池内部热传递主要通过热传导，忽略热辐射和热对流影响；

(3).电池比热容和导热系数为常数，不随温度和SoC变化；

步骤四、根据径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型，建立动力电池二维温度分布模型，包括：

基于三维温度分布T(z,r,t)和边界条件的控制方程：

其中，z和r为电池上某点在柱面坐标系下的位置坐标，k_t为电池径向导热系数，ρ为电池密度，C_p为电池平均比热容，R为电池半径，h为表面对流换热系数，T_∞为电池周围流体温度，V_b为电池体积；

假设电池在轴向的产热，从负极到正极线性变化，电池产热速率Q(z,t)表达为：

其中L为电池轴向长度，Q_avg为电池平均产热速率，Q_tab为电池极耳产热速率；

由于均匀产热，忽略轴向热量传递，假设电池单元在任意轴向的r方向的温度分布满足于以下多项式：

其中a(t)b(t)d(t)是时变常数；

则电池中心温度Tc，表面温度Ts，体积平均温度

和温度梯度

可以表示为：

T_c＝a(t)

T_s＝a(t)+b(t)+d(t)

通过一系列计算可得到以下形式的温度分布模型：

其中，τ为时间常数，矩阵A,B,C,D定义如下：

从而完成热电耦合特性的建模。

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