一种基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法及系统
本发明涉及电池安全管理领域，具体为一种基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法及系统，尤其涉及电动汽车动力电池的内部温度估计。
背景技术：
1、电池热管理系统具有提高电池安全性、延长电池使用寿命、降低电池全生命周期使用成本等功能。电池内部最高温度是电池工作安全性、健康状态、功率状态、充/放电控制、能量分配以及电量均衡等功能实现的重要依据。由于电池内部最高温度无法通过传感器直接测量，因此，电池内部最高温度在线估计技术被认为是电池热管理系统研究与设计的核心，也是难点之一，建立精确的电池热模型是解决该难题的关键。
2、目前，常用的估计动力电池内部最高温度的解析模型只有等效电路模型和电化学模型两种。电化学模型主要用于反映电池内部的反应机理，描述与电池设计参数有关的宏观(如电压、电流、电阻等)及微观(离子浓度分布、传输等)信息，尽管刻画准确，但是巨大的复杂度和耗时等缺点，不适用于电池关系系统的实时估计。等效电路模型使用电压源、电容、电阻元件组成电路，模拟电池动态与静态特性，过程比较直观、容易处理，但是描述精度和复杂度之间存在矛盾，即低阶rc电路具有形式简单、计算量小的优点，但是对真是电池动态特性描述不够准确；高阶rc电路模型在估计电池内部最高温度的精度上有一定的提高，但是，导致模型参数太多，参数识别和计算难度都大大增加，而且当rc电路的阶数大于三阶之后，单纯通过提高rc阶数对ocv估算精度改善将变得非常有限。
3、综上所述，基于现有技术的电池内部最高温度估计方法在实际应用中并不理想，而本发明提供的基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法可以作为补充。
技术实现思路
1、本发明是将气液动力学模型与简化的电池热特性模型进行耦合，提出气液动力学热模型，再基于气液动力学热模型开发电池内部最高温度估计方法及系统。
2、本发明的技术方案是：一种基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：
3、步骤一：构建气液动力学模型与简化的电池热特性模型；
4、步骤二：将气液动力学模型与简化的电池热特性模型耦合，提出气液动力学热模型；
5、步骤三：辨识气液动力学热模型的参数；
6、步骤四：提出基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法；
7、步骤五：开发基于电池内部最高温度估计方法的系统。
8、上述方案中，所述步骤一构建气液动力学模型的状态方程为公式一至公式四：
9、
10、p2＝ul-k1i-k2i|i| (公式四)
11、式中，uoce为当前时刻电池开路电压，b、c和p2为三个中间变量，k1、k2、k3和k4为四个气液动力学模型待辨识参数，tavg为电池平均温度(开尔文温度)，uoci为前一时刻电池开路电压，ul为电池端电压，i为电池电流，且取充电电流为正数和放电电流为负数；
12、所述步骤一构建简化的电池热特性模型的状态方程为公式五至公式九：
13、qin＝|i|(uoce-ul) (公式五)
14、
15、式中，qin为电池产热速率，cin为电池内部热容，rin为电池内部热阻，tmax为电池内部最高温度，参数前面加“d”表示对参数的微分，tsurf为电池表面温度，cout为冷媒热容，tout为冷媒温度，rout为冷媒热阻，r为电池的半径，r为半径积分变量，t(r)为温度函数；
16、所述步骤二将气液动力学模型与简化的电池热特性模型耦合，提出气液动力学热模型，具体为：公式一估计的当前时刻电池开路电压uoce用于公式五估计qin，公式八估计的tavg用于下一时刻公式一估计uoce，实现气液动力学模型与简化的电池热特性模型的状态方程耦合；为了便于写成矩阵形式，公式六恒等变形为公式十，冷媒温度是可控的，公式七可简化为公式十一：
17、
18、
19、令x＝(tmax tsurf)t,y＝tsurf,u＝(qin tout)t,则：
20、
21、式中，c＝(0 1)，d＝(0 0)，()t为向量的转置，为一阶导数；
22、所述步骤三辨识气液动力学热模型的参数，其中气液动力学模型的四个待辨识参数k1、k2、k3和k4可以采用遗传算法进行离线辨识，所述离线辨识技术已有专利公开(zl201711337881.6)；在气液动力学热模型中cin、cout分别表示电池与冷媒的储热能力，由材料本身物理性质决定，故为定值；rin表示电池传热能力，由于电池是密封的，传热过程中内部结构保持不变，故也为定值；rout表示电池热量传递至冷媒的能力，与冷媒的流速有关，电池在不同工况需要不同流速的冷媒散热，因此需要在线辨识，θ＝(rout)；所述冷媒热阻rout在线辨识与电池内部最高温度tmax在线估计是同步的，故，所述在线辨识冷媒热阻rout在步骤四呈现；
23、所述步骤四提出基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，具体为：采用双扩展卡尔曼滤波算法在线同步辨识冷媒热阻rout和估计电池内部最高温度tmax；
24、①参数初始化：
25、
26、式中，参数加下标“k”表示第k时刻参数的状态，k＝0,1,2,3..，px为x的协方差矩阵，qx为估计电池内部最高温度的系统噪声方差，rx为估计电池内部最高温度的量测噪声方差，pθ为θ的协方差矩阵，qθ为在线辨识冷媒热阻的系统噪声方差，rθ为在线辨识冷媒热阻的量测噪声方差；
27、②更新参数观测器的时间值：
28、
29、式中，参数加上标“-”表示参数的先验状态，参数加上标“+”表示参数的后验状态；
30、③更新状态观测器的时间值：
31、
32、④更新状态观测器的量测值：
33、
34、式中，k x为x的卡尔曼增益，e(2)为2阶单位矩阵，括号内数字表示单位矩阵阶数；
35、⑤更新参数观测器的量测值：
36、
37、式中，kθ为θ的卡尔曼增益；
38、⑥更新uoci与k：
39、uoci,k＝uoce,k (公式二十六)
40、k＝k+1 (公式二十七)
41、如此循环②至⑥，同步实现电池内部最高温度tmax估计与冷媒热阻rout辨识；
42、所述步骤五开发基于电池内部最高温度估计方法的系统，包括数据采集模块、开路电压估计模块、最高温度估计模块、平均温度估计模块、数据存储模块和显示模块；
43、所述数据采集模块用于采集电池的端电压、表面温度和电流，数据采集模块分别与开路电压估计模块和最高温度估计模块连接，并将采集的端电压、表面温度和电流信号传送到开路电压估计模块和最高温度估计模块；所述开路电压估计模块用于估计电池的开路电压，开路电压用于估计电池的最高温度；所述最高温度估计模块根据数据采集模块采集的电池端电压、表面温度和电流，及开路电压估计模块估计的开路电压，采用步骤四“基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法”实现对电池内部最高温度估计；所述平均温度估计模块根据数据采集模块采集的电池表面温度，和最高温度估计模块估计的电池内部最高温度实现对电池内部平均温度的估计；所述电池内部平均温度用于估计电池的开路电压；所述数据存储模块和显示模块分别与数据采集模块、开路电压估计模块、最高温度估计模块、平均温度估计模块相连，用于存储并显示所有电池的采集数据和估计数据。
44、上述方案中，对所述步骤四基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，除了所述双扩展卡尔曼滤波算法之外，还包括遗传算法、粒子滤波算法、模拟退火算法、观测器、神经网络算法、其它人工智能算法、其它卡尔曼滤波算法等。
45、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
46、1.气液动力学热模型实现电池热特性与电特性的耦合，二者相辅相成，实现高精度估计电池的内部最高温度。
47、2.气液动力学热模型兼顾了结构简便性与估计精度，计算量小，估算精度高，很容易在单片机上实现。
48、3.气液动力学热模型中uoci与uoce构成开路电压递推估计公式，提升电池内部温度估计方法对初值误差的鲁棒性及收敛速度。
49、4.同步完成电池内部最高温度tmax在线估计与冷媒热阻rout在线辨识，提升了电池内部最高温度估计的动态响应特性，显著提升电池使用安全性。
技术特征：
1.一种基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤一构建气液动力学模型的状态方程为公式一至公式四：
3.根据权利要求1所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤一构建简化的电池热特性模型的状态方程为公式五至公式九：
4.根据权利要求1所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤二将气液动力学模型与简化的电池热特性模型耦合，提出气液动力学热模型，具体为：公式一估计的当前时刻电池开路电压uoce用于公式五估计qin，公式八估计的tavg用于下一时刻公式一估计uoce，实现气液动力学模型与简化的电池热特性模型的状态方程耦合；为了便于写成矩阵形式，公式六恒等变形为公式十，冷媒温度是可控的，公式七可简化为公式十一：
5.根据权利要求1所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤三辨识气液动力学热模型的参数，其中气液动力学模型的四个待辨识参数k1、k2、k3和k4可以采用遗传算法进行离线辨识，cin、cout分别表示电池与冷媒的储热能力，由材料本身物理性质决定，故为定值；rin表示电池传热能力，由于电池是密封的，传热过程中内部结构保持不变，故也为定值；rout表示电池热量传递至冷媒的能力，与冷媒的流速有关，电池在不同工况需要不同流速的冷媒散热，因此需要在线辨识，θ＝(rout)；所述冷媒热阻rout在线辨识与电池内部最高温度tmax在线估计是同步的。
6.根据权利要求1所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤四提出基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，具体为：采用双扩展卡尔曼滤波算法在线同步辨识冷媒热阻rout和估计电池内部最高温度tmax；
7.根据权利要求6所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，其特征在于，步骤四基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法，除了所述双扩展卡尔曼滤波算法之外，还包括遗传算法、粒子滤波算法、模拟退火算法、观测器、神经网络算法、人工智能算法、卡尔曼滤波算法等。
8.一种实现权利要求1-7任意一项所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法的系统，其特征在于，包括数据采集模块、开路电压估计模块、最高温度估计模块、平均温度估计模块、数据存储模块和显示模块。
9.根据权利要求8所述基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法的系统，其特征在于，数据采集模块用于采集电池的端电压、表面温度和电流，数据采集模块分别与开路电压估计模块和最高温度估计模块连接，并将采集的端电压、表面温度和电流信号传送到开路电压估计模块和最高温度估计模块；所述开路电压估计模块用于估计电池的开路电压，开路电压用于估计电池的最高温度；所述最高温度估计模块根据数据采集模块采集的电池端电压、表面温度和电流，及开路电压估计模块估计的开路电压，采用步骤四“基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法”实现对电池内部最高温度估计；所述平均温度估计模块根据数据采集模块采集的电池表面温度，和最高温度估计模块估计的电池内部最高温度实现对电池内部平均温度的估计；所述电池内部平均温度用于估计电池的开路电压；所述数据存储模块和显示模块分别与数据采集模块、开路电压估计模块、最高温度估计模块、平均温度估计模块相连，用于存储并显示所有电池的采集数据和估计数据。
技术总结
本发明提供一种基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法及系统，包括五个步骤：步骤一：构建气液动力学模型与简化的电池热特性模型；步骤二：将气液动力学模型与简化的电池热特性模型耦合，提出气液动力学热模型；步骤三：辨识气液动力学热模型的参数；步骤四：提出基于气液动力学热模型的电池内部最高温度估计方法；步骤五：开发基于电池内部最高温度估计方法的系统。本发明的气液动力学热模型兼顾了结构简便性与估计精度，计算量小，估算精度高，很容易在单片机上实现；气液动力学热模型的开路电压递推估计公式，能够提升电池内部温度估计方法对初值误差的鲁棒性及收敛速度。本发明同步完成电池内部最高温度在线估计与冷媒热阻在线辨识，提升了电池内部最高温度估计的动态响应特性，显著提升电池使用安全性。
技术研发人员：陈彪,滕佳龙,赵志国,王弋,赵艳青,赵钱,周中明,张锐
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23