CN106785114B - 一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统 - Google Patents

一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统，方法包括：在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；将所述动力电池包置于试验环境中，控制所述动力电池包在所述试验环境中工作，同时使用恒压源对不同预设区域的加热装置施加对应的初始恒压源电压；根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，直至所述动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求；将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。上述方案实现了快速确定电池系统加热片布置方案及加热片功率密度，解决热仿真分析时间长、分析结果偏离真实状态的问题。

Description

一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统。
背景技术
近年来，新能源汽车逐步进入公众家庭，目前受限于动力电池技术，电动汽车普遍存在冬季难以充电或充电时间特别长、单次充电行驶里程缩短的问题。为改善此问题，多数新能源汽车动力电池系统设计有加热功能，以保障电池使用性能，改善客户冬季驾驶体验。
加热设计是动力电池系统设计的一项重要内容，一般是通过在电箱或模组内设置加热片的方式来实现低温下快速提升电池温度。电动汽车动力电池在充电或行车加热过程，温度一致性是一项重要设计指标，一般要求电池包内部各部位温差不超过10℃，以保障电芯工作环境一致。电池箱体不同部位形状、空间、电芯数量差异较大，需针对性布置不同功率密度的加热片，以实现受热均匀。现有技术中一般是通过计算机虚拟仿真分析的方式进行温度场分析，即通过对电池系统进行简化，建立几何模型和网格，设定初始条件来推算系统在工作后的温度场情况。
计算机热仿真分析在电子产品开发过程已成为一种重要的热分析手段。在动力电池系统设计上也得到广泛应用。但该方法存在以下几点不足：
1)动力电池本身是一个结构复杂的电化学系统，受限于模型参数的丰富程度和建立模型及网格的复杂性，实际应用中一般需对电池系统进行大幅简化，并将成组电池单体的各种材料密度、比热、热传导系数等物性参数进行平均化处理，基于这种简化的系统模型热仿真计算结果不能很好的模拟电池系统内部热场特征。
2)热仿真分析是通过大量而复杂的计算模拟流场，需要专门的软件(如ANSYS、ADINA、ABAQUS、STAR-CCM等)和性能优异的计算机设备，同时也需要专业的仿真分析人员，资源的投入较大。
3)动力电池系统热仿真分析需花费较长的时间，增加了产品开发周期，不利于企业提升竞争力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法及系统，该方案中使动力电池包在特定工作过程及温度下，使用外部独立恒压源单独对不同区域的加热片进行供电，通过调节恒压源输出电压调节各区域加热片功率，过程中全程监控各区域温度，直到温升速率及各部位温差达到设计要求为止，此时各区域加热片电压所对应的功率密度即为最终设计，上述方案实现了快速确定电池系统加热片布置方案及加热片功率密度，解决热仿真分析时间长、分析结果偏离真实状态的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法，包括如下步骤：
在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；
将所述动力电池包置于试验环境中，控制所述动力电池包在所述试验环境中工作，同时使用恒压源对不同预设区域的加热装置施加对应的初始恒压源电压；所述试验环境的环境参数为预设环境参数；
试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，直至所述动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求；
将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
本发明的有益效果是：本发明提供的确定加热装置功率密度的模拟分析方法效率高，大大缩短了传统热仿真分析确定加热功率密度的时间；操作简单，无需专业设备及人员；结果真实可靠，能最真实的反应实际工作状态下温升及热场情况。
本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种确定加热装置功率密度的模拟分析系统，包括:
试验箱，用于为动力电池包提供试验环境，所述试验环境的环境参数为预设环境参数；其中，所述动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；
恒压源，与加热装置连接，用于所述动力电池包在所述试验环境中工作时，对所述动力电池包不同预设区域的加热装置施加对应的恒压源电压，其中所述恒压源电压包括初始恒压源电压以及根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整后的恒压源电压；
温度检测器，安装于动力电池包内部，与处理装置连接，用于在试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，并将检测数据发送给控制装置；
处理装置，用于对检测数据进行处理，并显示处理结果，还用于将动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
本发明的有益效果是：上述实施例中的确定加热装置功率密度的模拟分析系统结构简单易实现、成本低，效率高，大大缩短了传统热仿真分析确定加热功率密度的时间；分析方法操作简单，无需专业设备及人员；结果真实可靠，能最真实的反应实际工作状态下温升及热场情况。
附图说明
图1为本发明实施例提供的确定加热装置功率密度的模拟分析方法的示意性流程图；
图2为本发明实施例中动力电池包模组底部加热片布置示意图；
图3为本发明实施例中动力电池包内部温度传感器布置示意图；
图4为本发明实施例中初次加热测试结果示意图；
图5为本发明实施例中调整恒压源电压后的测试结果示意图；
图6为本发明实施例提供的确定加热装置功率密度的模拟分析系统的示意性结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
图1为本发明实施例提供的确定加热装置功率密度的模拟分析方法的示意性流程图。本发明实施例提供确定加热装置功率密度的模拟分析方法，该方法主要为确定各区域加热片的功率密度。
如图1所示，确定加热装置功率密度的模拟分析方法，包括如下步骤：
110，在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；
120，将所述动力电池包置于试验环境中，控制所述动力电池包在所述试验环境中工作，同时使用恒压源对不同预设区域的加热装置施加对应的初始恒压源电压；所述试验环境的环境参数为预设环境参数；
130，试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，直至所述动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求；
140将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
上述实施例中提供的确定加热装置功率密度的模拟分析方法，在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置，加热装置可以采用加热片。对于既定加热片，面积及电阻是恒定的，通过调节施加在各预设区域的恒压源电压U来获得想要的功率密度，最终将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。具体地功率W＝U2/R，其中，W为加热片功率；U为施加在加热片上的电压；R为加热片电阻值；功率密度P＝W/S，其中，P为加热片功率密度；S为加热片面积。根据上述公式可知，功率密度P＝U2/RS。因此可以通过调节施加在各预设区域的恒压源电压U来获得想要的功率密度。该分析方法效率高，大大缩短了传统热仿真分析确定加热功率密度的时间；该分析方法操作简单，无需专业设备及人员；该分析方法结果真实可靠，能最真实的反应实际工作状态下温升及热场情况。
需要说明的是，可根据需要划分预设区域，预设区域的大小及内部布置的加热装置的数量，以及每个加热装置的实际功率密度根据已有经验初步选定。
本发明实施例中，为了方便说明，使每个预设区域加热装置的实际功率密度相同，并将实际功率密度相同的加热装置按照预设规则连接。实际功率密度相同的加热片串联或并联。通过上述设置可以改善加热效率，提高温度一致性。
计算出各预设区域加热片所需的外部电压，即各预设区域的初始恒压源电压。具体地，各预设区域对应的初始恒压源电压根据该预设区域的加热装置的实际功率密度、加热装置的面积及加热装置的电阻值计算得到。
具体地，该实施例中，动力电池包内部温升不均匀或温差大时，需要根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，具体包括：根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域的加热装置的目标功率密度，根据所述目标功率密度重新计算各预设区域对应的恒压源电压。
具体地，该实施例中，环境参数包括环境温度，所述环境温度为预设环境温度。将所述动力电池包置于试验环境中，待所述动力电池包的内部平均温度达到所述预设环境温度时开始进行试验。
下面以具体实例详细描述本发明设计方法的技术方案。
1)根据已有经验，初步确定加热片布置方案及各区域加热片功率密度。该实施例中，加热片布置方案如图2所示，加热区域包括区域1和区域2，区域1包括加热片2#、4#、5#和6#，区域1包括加热片1#和3#各区域中加热片的功率密度确定为0.15w/cm2。
2)根据初步确定的加热片布置方案及各区域加热片功率密度制作出一套加热片原型样件；
3)将相同功率密度的加热片串联或并联(可以根据需要可以将任何区域的加热片串联或并联，根据根据该预设区域的加热装置的实际功率密度、加热装置的面积及加热装置的电阻值计算各预设区域对应的初始恒压源电压；
4)模拟电池系统在特定环境下工作(如低温下充电)，同时使用恒压源对不同区域的加热片施加对应的初始恒压源电压。通过温度检测装置全程监控并记录电池系统内部温升及温差情况。
具体地，电池系统置于-15℃环境仓，待电池包内部平均温度或所有传感器检测的温度均降低为-15℃时，以初始恒压源电压加热，加热2小时。如图3所示，该实施例中在电池包内部分布多个温度传感器，通过温度传感器获取电池包内部温升及温差情况。温度传感器包括如图3中的cellT1-1至cellT1-5、cellT2-1至cellT2-4、cellT3-1至cellT3-4、cellT4-1至cellT4-3、cellT5-1至cellT5-3、cellT6-1至cellT6-4、cellT7-1至cellT7-4、cellT8-1至cellT8-4。需要说明的是上述温度传感器布设在电池包内部，附图3为了清晰展现各温度传感器与区域1和区域2的对应关系，将温度传感器画在了电池包底部。
电池管理系统BMS监控并记录各部位温升情况。加热结束后，分析各温度点数据，发现电池包区域1温度温升较快，温差较大，平均温度比电池包区域1高10℃(见图4)，电池包加热过程中温差很大，说明初始设计的加热片布置方案或功率密度设计不合理。
5)根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，直至所述动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求。
具体地，针对上述温场情况，将电池包区域2中的加热片功率密度设置为0.116w/cm2，区域1中的加热片功率设置为0.1w/cm2，根据重新确定的所需功率密度分别计算区域1和区域2所需施加的恒压源电压分别为342、220V。使用恒压源(YH-BK3500S500T，朝阳宇航电源)分别给区域1和区域2的加热片供电。恒压源电压根据表1中数据利用公式U＝sqrt(WR),其中，sqrt代表开平方根，W代表功率，R代表电阻。区域1所需的恒压源电压U1＝sqrt((153.45+306.9+155+85)*167)＝342V；区域2所需的恒压源电压U2＝sqrt((178.002+356.004)*91)＝220V
6)分析通过调整恒压源电压值调整功率后的加热测试数据(见图5)，电池系统温升及各部位温差均满足设计要求，表1中的功率密度数据即为加热片最终设计参数。
表1
表2为本发明实施例提供的实际加热模拟方法和现有技术中计算机仿真方法的试验数据对比。
表2
从上表可以看出，本发明实施例提供的技术方案大大缩短了传统热仿真分析确定加热功率密度的时间；该分析方法操作简单，无需专业设备及人员；该分析方法结果真实可靠，能最真实的反应实际工作状态下温升及热场情况。
1)采用实际加热模拟的方法确定加热片功率，总共耗用11天(包含加热片制作)，若采用计算机仿真，耗费时间将将至少1个月。
2)若需多轮测试，每轮测试，实际加热模拟法只需2-3天，而计算机仿真每轮需约15天，实际加热模拟法效率非常高。
3)数据真实可信。计算机仿真数据准确性则受到多种因素制约，如各种材料比热、导热率等参数、数学模型、网格数量，一版情况下，仿真分析结果都需要后期实际测试的辅助验证。
上文结合图1至图5，详细描述了根据本发明实施例的冰箱的控温方法，下面结合图6，详细描述了根据本发明实施例的确定加热装置功率密度的模拟分析系统。
如图6所示，确定加热装置功率密度的模拟分析系统，包括试验箱1、恒压源4、温度检测器5及处理装置6。
试验箱1，用于为动力电池包2提供试验环境，所述试验环境的环境参数为预设环境参数；其中，所述动力电池包2各预设区域安装预设数量的加热装置3；
恒压源4，与加热装置2连接，用于所述动力电池包2在所述试验环境中工作时，对所述动力电池包2不同预设区域的加热装置施加对应的恒压源电压，其中所述恒压源电压包括初始恒压源电压以及根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整后的恒压源电压；
温度检测器5，安装于动力电池包2内部，与处理装置连接，用于在试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，并将检测数据发送给控制装置；
处理装置6，用于对检测数据进行处理，并显示处理结果，还用于将动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
上述实施例中的确定加热装置功率密度的模拟分析系统，在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置，加热装置可以采用加热片。对于既定加热片，面积及电阻是恒定的，通过调节施加在各预设区域的恒压源电压U来获得想要的功率密度，最终将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
上述实施例中的确定加热装置功率密度的模拟分析系统结构简单易实现、成本低，效率高，大大缩短了传统热仿真分析确定加热功率密度的时间；分析方法操作简单，无需专业设备及人员；结果真实可靠，能最真实的反应实际工作状态下温升及热场情况。
需要说明的是，可根据需要划分预设区域，预设区域的大小及内部布置的加热装置的数量，以及每个加热装置的实际功率密度根据已有经验初步选定。
本发明实施例中，为了方便说明，使每个预设区域加热装置的实际功率密度相同，并将实际功率密度相同的加热装置按照预设规则连接。实际功率密度相同的加热片串联或并联。通过上述设置可以改善加热效率，提高温度一致性。
具体地，该实施例中，所述加热装置的实际功率密度为已知量，各预设区域对应的初始恒压源电压根据该预设区域的加热装置的实际功率密度、加热装置的面积及加热装置的电阻值计算得到。
根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压包括：根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域的加热装置的目标功率密度，根据所述目标功率密度重新计算各预设区域对应的恒压源电压。
具体地，该实施例中，所述环境参数包括环境温度，所述环境温度为预设环境温度。将所述动力电池包置于试验环境中，待所述动力电池包的内部平均温度达到所述预设环境温度或各个温度监测点的温度均达到所述预设环境温度时开始进行试验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种确定加热装置功率密度的模拟分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
在动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；
将所述动力电池包置于试验环境中，控制所述动力电池包在所述试验环境中工作，同时使用恒压源对不同预设区域的加热装置施加对应的初始恒压源电压；所述试验环境的环境参数为预设环境参数；
试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压，直至所述动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求；
将达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
2.根据权利要求1所述的确定加热装置功率密度的模拟分析方法，其特征在于，所述加热装置的实际功率密度为已知量，各预设区域对应的初始恒压源电压根据该预设区域的加热装置的实际功率密度、加热装置的面积及加热装置的电阻值计算得到。
3.根据权利要求2所述的确定加热装置功率密度的模拟分析方法，其特征在于，根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压包括：根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域的加热装置的目标功率密度，根据所述目标功率密度重新计算各预设区域对应的恒压源电压。
4.根据权利要求1至3任一项所述的确定加热装置功率密度的模拟分析方法，其特征在于，所述环境参数包括环境温度，所述环境温度为预设环境温度。
5.根据权利要求4所述的确定加热装置功率密度的模拟分析方法，其特征在于，将所述动力电池包置于试验环境中，待所述动力电池包的内部平均温度达到所述预设环境温度或各个温度监测点的温度均达到所述预设环境温度时开始进行试验。
6.一种确定加热装置功率密度的模拟分析系统，其特征在于，包括:
试验箱，用于为动力电池包提供试验环境，所述试验环境的环境参数为预设环境参数；其中，所述动力电池包各预设区域安装预设数量的加热装置；
恒压源，与加热装置连接，用于所述动力电池包在所述试验环境中工作时，对所述动力电池包不同预设区域的加热装置施加对应的恒压源电压，其中所述恒压源电压包括初始恒压源电压以及根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整后的恒压源电压；
温度检测器，安装于动力电池包内部，与处理装置连接，用于在试验过程中全程监控并记录动力电池包内部温升及温差情况，并将检测数据发送给控制装置；
处理装置，用于对检测数据进行处理，并显示处理结果，还用于将动力电池包内部温升及温差情况达到预设要求时各预设区域施加的恒压源电压对应的功率密度确定为各预设区域的功率密度设计值。
7.根据权利要求6所述的确定加热装置功率密度的模拟分析系统，其特征在于，所述加热装置的实际功率密度为已知量，各预设区域对应的初始恒压源电压根据该预设区域的加热装置的实际功率密度、加热装置的面积及加热装置的电阻值计算得到。
8.根据权利要求7所述的确定加热装置功率密度的模拟分析系统，其特征在于，根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域施加的恒压源电压包括：根据所述动力电池包内部温升及温差情况调整各预设区域的加热装置的目标功率密度，根据所述目标功率密度重新计算各预设区域对应的恒压源电压。
9.根据权利要求6至8任一项所述的确定加热装置功率密度的模拟分析系统，其特征在于，所述环境参数包括环境温度，所述环境温度为预设环境温度。
10.根据权利要求9所述的确定加热装置功率密度的模拟分析系统，其特征在于，将所述动力电池包置于试验环境中，待所述动力电池包的内部平均温度达到所述预设环境温度或各个温度监测点的温度均达到所述预设环境温度时开始进行试验。
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