CN113971332A - 考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型，所述模型包括：电池单体温度场模型；表示电池老化程度的内阻矩阵；以及通过将所述电池单体温度场模型代入所述表示电池老化程度的内阻矩阵所得的改进的温度场模型。

Description

考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型和方法

技术领域

本发明涉及电动汽车的动力电池技术领域，特定而言涉及一种考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型。

背景技术

随着电动汽车的推广，对于电动汽车的动力电池的研究也越来越多。在动力电池的研究中，除了对电池状态的研究，对电池的热管理***的研究也是核心问题之一。在电池的热管理***里，如何准确获取汽车电池包的实际温度是个重要的问题。

电池包在实际的使用过程中，即使有热管理***参与，也无法保证每个电池单体的温度绝对一致，因此每个电池单体的老化程度并非相同。随着电池包循环次数的增多，电池包热力场的一致性也会越来越差。

在电池包热管理***开发及运行的过程中，需要通过仿真或实时计算得到电池包的温度场，从而对电池包的温度进行更好的估计和控制。现有热管理方法的输入基本上是温度传感器的读值，或通过温度场模型进行预测。然而这两种方法中，都没有考虑电池包老化程度不一致性对获取的温度值所带来的影响。

发明内容

本发明提出了一种考虑电芯老化状态的新型温度场模型和方法。具体而言，根据本发明的一方面，提供了一种考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型，其特征在于，所述模型包括：电池单体温度场模型；表示电池老化程度的内阻矩阵；以及通过将所述电池单体温度场模型代入所述表示电池老化程度的内阻矩阵所得的改进的温度场模型。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述电池单体温度场模型根据如下等式建立：

其中，ρ为电池平均密度；C_p为电池的质量比热容，T为温度；K_x、 K_y、K_z分别为电池内部沿x轴、y轴、z轴方向的热导率；q为单位体积热量产生速率。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述比热容根据如下等式建立：

其中，C_p为电池单体的比热容；m为电池单体的质量；m_i为电池单体每种材料的质量；C_i为电池单体每种材料的比热容。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述沿x轴、y轴、z轴方向的热导率根据如下等式建立：

其中，l、b、h为电池单体的长宽高；k_p、k_n和k_s为正极板、负极板和隔膜的平均热导率；d_xp、d_xn和d_xs分别为x轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度，d_yp、d_yn和d_ys分别为y轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度并且d_zp、d_zn和d_zs分别为z轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述热量产生速率是使用Bernardi生热速率模型根据如下等式建立：

其中，V_b是电池单体体积；I是充放电电流；R是电池单体总内阻； U是电池单体电压；U₀是电池开路电压；T是温度；

是温度系数。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵根据如下等式建立：

其中， U_ocv为开路电压，U′为充放电瞬时的电压，I为瞬时电流。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵是通过开路电压矩阵、放电后电压矩阵以及电流矩阵代入根据权利要求6所述的式中得到的。

可选地，在本发明的一些实施例中，在m串联n并联的电池包中的所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵是通过如下等式建立：

i∈(0，m)，j∈(0，n)。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述模型中的所述改进的温度场模型是通过如下等式建立：

根据本发明的另一方面，提供了一种建立考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建立电池单体温度场模型；建立表示电池老化程度的内阻矩阵；以及通过将所述电池单体温度场模型代入所述表示电池老化程度的内阻矩阵建立改进的温度场模型。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1图示了根据本发明的一个实施例的用于车辆电子控制单元的片上***。

图2图示了根据本发明的一个实施例的对车辆电子控制单元的片上***进行升级的方法。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并且不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

出于简洁和说明性目的，本文主要参考其示范实施例来描述本发明的原理。但是，本领域技术人员将容易地认识到，相同的原理可等效地应用于所有类型的电动汽车电池包温度场模型，并且可以在其中实施这些相同的原理，以及任何此类变化不背离本专利申请的真实精神和范围。

而且，在下文描述中，参考了附图，这些附图图示特定的示范实施例。在不背离本发明的精神和范围的前提下可以对这些实施例进行电、机械、逻辑和结构上的更改。此外，虽然本发明的特征是结合若干实施/实施例的仅其中之一来公开的，但是如针对任何给定或可识别的功能可能是期望和/或有利的，可以将此特征与其他实施/实施例的一个或多个其他特征进行组合。因此，下文描述不应视为在限制意义上的，并且本发明的范围由所附权利要求及其等效物来定义。

诸如“具备”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元(模块)和模块以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元 (模块)和模块的情形。

图1示出了根据本发明的实施例的电动汽车电池包。如图1中所示，在根据本发明的温度场模型中，电池包由一层电池单体串联及并联组成。由此，在根据本发明的温度场模型中可以根据每个单体电池的老化程度，对温度场进行修正，从而得到改进型的温度场模型。在温度场模型的推演过程中，做出了以下假设：

1.电池内部各向同性，物理性质均一；

2.电池单体内部物质发热均匀；

3.忽略电池内部的对流和热辐射；

4.电池比热容为常数，温度变化只与热容有关；

基于以上假设，根据本发明的温度场模型可以分成3个部分：建立传统单体温度场模型；建立老化程度矩阵；以及建立改进的温度场模型。

首先，针对建立传统单体温度场模型，可以基于以下等式(1) 得出方形电池单体在直角坐标系下的热模型：

其中：ρ为电池平均密度；C_p为电池的质量定压热容(比热容)，T为温度；K_x、K_y、K_z分别为电池内部沿x轴、y轴、z轴方向的热导率；q为单位体积热量产生速率。

为了获得单体温度场模型，需要对等式(1)求解。其中为获得求解参数的关键在于：热物理参数压热容C_p、热导率K_x、K_y、K_z的准确获取；单位体积热量产生速率q的准确表达；初始条件和边界条件的确定。

针对以上三个问题，分别使用了不同计算式来建立模型。针对热物理参数获取，由于电池单体可能由许多化学材料构成，因此本发明根据每种材料的比重，对各种材料的比热容进行加权平均，从而根据以下等式(2)估算电池比热容：

在等式(2)中，C_p为电池单体的比热容；m为电池单体的质量；m_i为电池单体每种材料的质量；C_i为电池单体每种材料的比热容。

在三维的电池模型中，假设极板垂直于x轴，热量沿x轴的传导可以视为沿串联的正负极板间传导，而沿y轴和z轴的方向可以视为沿并联的正负极板传导，因此沿x轴、y轴、z轴方向的热导率的计算等式如下：

在等式(3)、(4)、(5)中：l、b、h为电池单体的长宽高；k_p、 k_n和k_s为正极板、负极板和隔膜的平均热导率；d_xp、d_xn和d_xs分别为x轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度，类似对于d_yp、d_yn和 d_ys以及d_zp、d_zn和d_zs也是如此。

针对单位体积热量产生速率q的准确表达，在估计热量产生速率q时，目前通常使用Bernardi生热速率模型。热量产生速率q 可以用以下等式(6)估算：

在等式(6)中：V_b是电池单体体积；I是充放电电流；R是电池单体总内阻；U是电池单体电压；U₀是电池开路电压；T是温度；

是温度系数。

针对初始条件及边界条件，可以通过以下等式来确定：

初始条件由等式(7)确定：

T(x，y，z，0)＝T₀ (7)

通过牛顿冷却定律，边界条件由等式(8)、(9)、(10)确定：

通过等式(2)、(3)、(4)、(5)，可以确定热物理参数压热容 C_p和热导率K_x、K_y、K_z；通过等式(6)，可以确定单位体积热量产生速率q；并且通过等式(7)、(8)、(9)、(10)，可以确定初始条件和边界条件。通过在等式(1)中联合热物理参数压热容C_p和热导率K_x、K_y、K_z、单位体积热量产生速率q以及初始条件和边界条件，可确定电池温度场分布的数值解。

在确立电池温度场分布后，可建立老化程度矩阵，来为改进温度场模型作准备。

在电池生命周期内，老化程度随着循环次数的增多而加深。电池老化程度的外特性一般可通过内阻、容量及循环次数体现。相对于内阻的计算，容量计算比较复杂。因此，本发明通过单体内阻来衡量老化程度。

在锂离子电池电压响应中，在充放电结束瞬时，由于极化环节有电容的存在，极化部分电压不能突变，所以电压的变化是由欧姆内阻上的电压降引起的，通过这个压降得到这个电池的欧姆内阻，如以下等式(11)：

在等式(11)中，U_ocv为开路电压，U′为充放电瞬时的电压，I 为瞬时电流。

对于电池包而言，存在多个单体串并联组成。假设电池包由m 串联n并联组成。当静置时，开路电压矩阵可以表示如下：

而当放电t秒后，电压矩阵为：

放电t秒后的电压矩阵为：

由于m串的支路上，串联的每个电池单体的电流相同。所以n 个电流传感器的电流矩阵为：

因此，对于每个单体的直流内阻矩阵为：

该内阻矩阵(12)可用于衡量电池的老化程度。

图2示出了考虑

在建立传统单体温度场模型以及表示老化程度的内阻矩阵后，可以建立改进型温度场模型。具体而言，在电池单体温度场模型中，生热速率q通常与内阻有关。如上所述，目前的研究中将此内阻假定为恒定不变的，因此无法获得改进的温度场模型，如果将未改进的温度场模型应用在实际的控制中时，将无法体现老化带来的影响。因此，本发明将通过上述计算得来的内阻矩阵带入到传统的温度场模型中，以此来将老化因素体现在温度场中，从而降低温度场估算误差，提高控制精度。

在将以上建立的内阻矩阵带入到以上建立的温度场模型中时，由于内阻矩阵最小单元为一个单体，因此在xyz三个方向上对温度偏导时，需要判断此时x属于第几颗单体，从而确定在计算发热率时的内阻在内阻矩阵中的位置，即以下等式(13)中的[R_ij]：

联合以上等式(2)～(13)，可得到考虑电芯老化状态的温度场模型。

图2示出了根据本公开的实施例的建立考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型的方法。

如图2中所述，在步骤S1中，建立传统电池单体温度场模型。

在步骤S2中，建立表示电池老化程度的内阻矩阵。

在步骤S3中，通过将在步骤S2中得出的表示电池老化程度的内阻矩阵代入在步骤S1中得出的传统电池单体温度场模型，建立改进的电池单体温度场模型。

尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (10)

1.一种考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型，其特征在于，所述模型包括：

电池单体温度场模型；

表示电池老化程度的内阻矩阵；以及

通过将所述电池单体温度场模型代入所述表示电池老化程度的内阻矩阵所得的改进的温度场模型。

2.根据权利要求1所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述电池单体温度场模型根据如下等式建立：

其中，ρ为电池平均密度；C_p为电池的质量比热容，T为温度；K_x、K_y、K_z分别为电池内部沿x轴、y轴、z轴方向的热导率；q为单位体积热量产生速率。

3.根据权利要求2所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述比热容根据如下等式建立：

其中，C_p为电池单体的比热容；m为电池单体的质量；m_i为电池单体每种材料的质量；C_i为电池单体每种材料的比热容。

4.根据权利要求3所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述沿x轴、y轴、z轴方向的热导率根据如下等式建立：

其中，I、b、h为电池单体的长宽高；k_p、k_n和k_s为正极板、负极板和隔膜的平均热导率；d_xp、d_xn和d_xs分别为x轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度，d_yp、d_yn和d_ys分别为y轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度并且d_zp、d_zn和d_zs分别为z轴方向正极板、负极板和隔膜的总厚度。

5.根据权利要求4所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述电池单体温度场模型中的所述热量产生速率是使用Bernardi生热速率模型根据如下等式建立：

其中，V_b是电池单体体积；I是充放电电流；R是电池单体总内阻；U是电池单体电压；U₀是电池开路电压；T是温度；

是温度系数。

6.根据权利要求5所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵根据如下等式建立：

其中，U_ocv为开路电压，U′为充放电瞬时的电压，I为瞬时电流。

7.根据权利要求6所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵是通过开路电压矩阵、放电后电压矩阵以及电流矩阵代入根据权利要求6所述的式中得到的。

8.根据权利要求7所述的模型，其特征在于，在m串联n并联的电池包中的所述模型中的所述表示电池老化程度的所述内阻矩阵是通过如下等式建立：

9.根据权利要求8所述的模型，其特征在于，所述模型中的所述改进的温度场模型是通过如下等式建立：

10.一种建立考虑电芯老化程度的电动汽车电池包温度场模型的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

建立电池单体温度场模型；

建立表示电池老化程度的内阻矩阵；以及

通过将所述电池单体温度场模型代入所述表示电池老化程度的内阻矩阵建立改进的温度场模型。

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