CN110532600A - 一种动力电池热管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力电池热管理系统及方法，利用数字孪生技术建立基于云端控制的动力电池热管理系统，同时汇集了实际运行数据与模拟运行数据用于分析计算，进而制定合理的热管理控制策略，实现延缓电池老化并保障系统安全的作用。

Description

一种动力电池热管理系统及方法

技术领域

本发明涉及动力电池管理技术领域，尤其涉及一种动力电池热管理系统及方法。

背景技术

锂离子电池由于其高能量密度和长循环寿命等优点，在电动汽车领域获得了广泛应用，但锂离子电池的性能及寿命与环境温度密切相关。锂离子电池在过充、高温工作、低温充电等工况下时会出现加速老化，极端工况下甚至可能产生热安全问题，因此动力电池需要热管理系统对其进行温度管控，以延缓电池老化并保障系统安全。但是传统的热管理方法单纯依靠BMS(电池管理系统)，只能根据当前的温度等信息进行管理，无法预测温度未来发展趋势，导致热管理控制策略具有迟滞性。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提出一种动力电池热管理系统及方法，通过在云端建立与实体电池热管理模块相匹配的数字电池热管理模块模型，综合实体与模型的数据及信息建立数字孪生系统，在云端计算实时分析电池系统温度分布以及温度不一致性并预测其未来发展趋势，制定合理的热管理控制策略，实现延缓电池老化并保障系统安全的作用。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案包括：

一种动力电池热管理系统，其特征在于，包括：实体电池热管理模块、数字电池热管理模块、云端分析模块、终端热管理控制模块；所述实体电池热管理模块和数字电池热管理模块分别通过有线方法或无线方法与云端分析模块进行数据传输，所述云端分析模块通过有线方法或无线方法与终端热管理控制模块进行数据传输，所述终端热管理控制模块通过有线方法或无线方法与实体电池热管理模块进行数据传输；

所述实体电池热管理模块为需要进行电池热管理的物理目标实体，所述物理目标实体包括对应实体电池组的数据监控子系统、温度控制子系统、数据传输子系统；

所述数字电池热管理模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模型的模型特征与物理目标实体特征一致，所述模型特征包括几何结构、物理原理、动态响应和/或状态预测；

所述云端分析模块包括接收并耦合实体电池热管理模块与数字电池热管理模块传输的基础数据，并根据基础数据辨识系统参数、估算标定实时状态以及对系统进行性能演化，计算得到未来一定时域内的电池热管理控制策略并发送至数字电池热管理模块与终端热管理控制模块；

所述终端热管理控制模块接收来自云端分析模块的电池热管理控制策略，并根据所述控制策略对实体电池热管理模块执行热管理控制操作。

进一步地，所述实体电池热管理模块中的数据监控子系统包括电压传感器和温度传感器；所述温度控制子系统包括加热装置和散热装置。

进一步地，所述加热装置包括外部加热装置；所述散热装置包括自然散热装置、风冷散热装置、液冷散热装置和/或直冷散热装置。

进一步地，所述数字电池热管理模块中的几何结构包括实体电池热管理模块在几何空间内的构型、结构、连接方法；所述物理原理包括电池及实体电池热管理模块运行工作时所遵循的流体力学原理、传热学原理、电化学原理、电路原理和/或分子动力学原理；所述动态响应包括实体电池热管理模块的机械响应、热响应和/或电响应；所述状态预测为基于实体电池热管理模块历史数据、即时采样数据的系统状态估算与分析。

进一步地，所述电池热管理控制策略包括加热策略和/或散热策略；所述加热策略包括外部加热装置运行功率、运行时间；所述散热策略包括风冷散热装置运行功率、运行时间，液冷散热装置冷媒温度、流量、压力、运行时间，直冷散热装置运行功率、运行时间。

一种动力电池热管理方法，包括以下步骤：

A、确定需要进行热管理的物理目标实体，作为实体电池热管理模块；

B、根据物理目标实体特征建立针对该实体的虚拟仿真模型，作为数字电池热管理模块；

C、实体电池热管理模块与数字电池热管理模块工作过程中产生基础数据并将基础数据传输至云端分析模块；

D、云端分析模块接收到实体电池热管理模块与数字电池热管理模块传输的基础数据，根据基础数据分析得到未来有限时域内电池热管理控制策略，并将所述电池热管理控制策略分别发送至数字电池热管理模块和终端热管理控制模块；

E、数字电池热管理模块与终端热管理控制模块接收到电池热管理控制策略，数字电池热管理模块依照控制策略更新系统状态演化，终端热管理控制模块依照控制策略控制实体电池热管理模块执行相应热管理控制操作，完成一次优化过程；

F、重复步骤C至E，实现动力电池热管理滚动优化。

进一步地，步骤A包括确定物理目标实体特征；所述物理目标实体特征包括几何结构、物理原理、动态响应和/或状态预测。

进一步地，步骤C所述基础数据包括实体电池热管理模块运行过程中的电压、温度极值、温度不一致性、当前温度控制子系统运行状态，以及与之相对应的数字电池热管理模块产生的模拟数据。

进一步地，步骤D所述电池热管理控制策略包括加热策略和/或散热策略。

进一步地，所述基础数据与电池热管理控制策略保存于云端分析模块，并可以根据需要在任意云端分析模块所连接终端上读取使用。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述动力电池热管理系统及方法能够实现对动力电池系统的综合性、预测性热管理操作，通过在云端建立与实体电池热管理模块相匹配的数字电池热管理模块的虚拟仿真模型，并根据两种模块的数据及信息建立数字孪生系统，也就是说，通过物理实体与虚拟模型互相耦合形成数字孪生系统，同时汇集了实际运行数据与模拟运行数据用于分析计算，通过在云端计算实时分析电池系统温度分布，分析当前最高温度以及温度不一致性并预测其未来发展趋势，帮助制定合理的热管理控制策略并传输回终端热管理控制模块，以达到管理电池组温度分布的不一致性及最高最低温度及未来温度发展趋势，实现延缓电池老化并保障系统安全的作用；通过云端保存的各项热管理相关数据提高系统的适用性；将数字孪生与电池热管理控制深度融合，推动数字孪生技术和电池热管理技术的共同发展。本发明能通过形成的数字孪生系统以及云端分析模块对未来温度进行预测，从而实现热管理控制策略的合理有效；并且通过云端可以实现不同电动汽车上的热管理数据共享，从而实现算法的自动修正，在不同车上也可以具有良好的适用性。

附图说明

图1为本发明动力电池热管理系统的原理示意图。

图2为本发明动力电池热管理系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚的理解本发明的内容，将结合附图和实施例详细说明。

如图1所示为本发明动力电池热管理系统的原理示意图，包括实体电池热管理模块、数字电池热管理模块、云端分析模块、终端热管理控制模块四个部分；其中实体电池热管理模块在运行中产生的数据与数字电池热管理模块所模拟产生的数据结合形成了数字孪生关系，云端分析模块根据上述数据进行分析运算得到合适的电池热管理控制策略；终端热管理控制模块依据电池热管理策略对实体电池热管理模块进行热管理控制操作，同时数字电池热管理模块也依据电池热管理控制策略跟新模拟运行参数，使实体电池热管理模块与数字电池热管理模块保持同步更新。

所述的实体电池热管理模块为真实世界中的动力电池热管理系统，形式包括但不限于自然冷却式，风冷式，液冷式，直冷式等；所述的数字电池热管理模块为依据数学物理方法等建立的虚拟动力电池系统(为虚拟仿真模型)，为实体电池热管理模块的镜像系统，其主要特征(如温度分布，电池充放电特性等)与实体电池热管理模块完全一致；所述的云端分析模块耦合实体电池热管理模块与数字电池热管理模块的数据及信息，使两者相互补充，并实现系统参数在线辨识，实时状态估算标定，系统性能演化等，随即以此设计未来一定时域内的系统均衡控制策略。所述的实体电池热管理模块与数字电池热管理模块不存在数据的直接交互，而是通过云端分析模块对采集到的实体数据与虚拟数据进行综合分析后，得出有效信息反馈给实体电池热管理模块与数字电池热管理模块中；实体电池热管理模块依据反馈得到的信息进行电池热管理控制，数字电池热管理模块依据所得到的信息进行性能演化。所述的数据传输方式包括但不限于：无线信号传输(如5G信号灯)，有限信号传输(如光纤传输等)。

如图2所示为本发明动力电池热管理系统的结构示意图，其中实体电池热管理模块为需要进行电池热管理的物理目标实体，包括有对应实体电池组的数据监控子系统包括电压传感器和温度传感器、温度控制子系统包括加热装置(如外部加热装置)和散热装置(如自然散热装置、风冷散热装置、液冷散热装置和/或直冷散热装置)、数据传输子系统，在工作中需要实时监控电池运行中的电压和温度监控、温度管控、数据传输(包括电池组电压，温度分布，最高温度/最低温度，温度上升/下降速率等)，并将所得数据传输至云端分析模块，并根据终端热管理控制模块的控制指令对电池进行热管理操作；数字电池热管理模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型，根据实体电池热管理模块的几何结构(包括实体电池热管理模块在几何空间内的构型、结构、连接方法)、物理原理(包括电池及实体电池热管理模块运行工作时所遵循的流体力学原理、传热学原理、电化学原理、电路原理、分子动力学原理)、动态响应(包括实体电池热管理模块的机械响应、热响应、电响应)、状态预测(包括基于实体电池热管理模块历史数据、即时采样数据的系统状态估算与分析)进行模拟仿真，并将仿真数据传输至云端分析模块；数字电池热管理模块的表现与实体电池热管理模块完全一致，表现在几何结构上完全一致，同激励信号下的动态响应完全一致，遵循的物理规律完全一致，并尽可能减少因数值计算所产生的舍入误差。数字电池热管理模块建立虚拟仿真模型的过程可基于多学科原理交叉获得，如多节点的锂电池生热传热耦合模型与动态安全边界下电池全生命周期模型等；云端分析模块汇集实体电池热管理模块与数字电池热管理模块所采集的真实数据与虚拟仿真数据，使用真实数据分析电池生热云图、温度极值、温度不一致性分析等，使用虚拟数据实现温度预测，随后云端分析模块使用两类数据获取电池热管理控制策略，可表现为所使用的冷媒温度、流量、压力等；也就是说，云端分析模块依据得到的实体运行数据和仿真数据分析电池运行状态，包括电池温度极值、电池温度分布的不一致性以及对于电池运行过程中的温度预测，进一步根据电池运行状态计算得到电池热管理控制策略包括加热策略(如外部加热装置运行功率、运行时间)和/或散热策略(如风冷散热装置运行功率、运行时间，液冷散热装置冷媒温度、流量、压力、运行时间，直冷散热装置运行功率、运行时间)，并更新至终端热管理控制模块和数字电池热管理模块；终端热管理控制模块为锂电池系统内的终端结构，主要用于控制实体电池热管理模块的热管理功能，终端热管理控制模块依据得到的电池热管理控制策略对实体电池热管理模块进行热管理控制操作，操作过程中会综合考量实体电池的高温散热、低温加热、热失控安全保障、电池隔离、液体防漏、温差降低等问题；数字电池热管理模块同样依据得到的电池热管理控制策略更新仿真模拟过程，以实现与实体电池热管理模块同步的运行状态更新。

本发明还涉及一种动力电池热管理方法，该方法与上述动力电池热管理系统相对应，可以理解为上述系统的实际应用方法，通过在云端建立与实体电池热管理模块相匹配的数字电池热管理模块，并根据两者的数据及信息建立数字孪生系统，在云端计算实时分析电池系统温度分布，得到系统内当前最高温度以及温度不一致性并预测其未来发展趋势，并以此制定合理的热管理控制策略，以达到管理电池组温度分布的不一致性、控制最高最低温度及未来温度发展趋势。具体包括以下步骤：

A、确定需要进行热管理的物理目标实体，作为实体电池热管理模块，包括确定几何结构、物理原理、动态响应和/或状态预测等物理目标实体特征；

B、根据物理目标实体特征建立针对该实体的虚拟仿真模型，作为数字电池热管理模块；

C、实体电池热管理模块与数字电池热管理模块工作过程中产生基础数据(包括实体电池热管理模块运行过程中的电压、温度极值、温度不一致性、当前温度控制子系统运行状态，以及与之相对应的数字电池热管理模块产生的模拟数据)并将基础数据传输至云端分析模块；

D、云端分析模块接收到实体电池热管理模块与数字电池热管理模块传输的基础数据，根据基础数据分析得到未来有限时域内电池热管理控制策略(包括加热策略和/或散热策略)，并将所述电池热管理控制策略分别发送至数字电池热管理模块和终端热管理控制模块；

E、数字电池热管理模块与终端热管理控制模块接收到电池热管理控制策略，数字电池热管理模块依照控制策略更新系统状态演化，终端热管理控制模块依照控制策略控制实体电池热管理模块执行相应热管理控制操作，完成一次优化过程；

F、重复步骤C至E，实现动力电池热管理滚动优化。

通过上述方法产生的基础数据与电池热管理控制策略保存于云端分析模块，并可以根据需要在任意云端分析模块所连接终端上读取使用。

所述的动力电池热管理滚动优化，即实体电池热管理模块与数字电池热管理模块相互补充的过程。依赖于云端分析模块的在线计算方式实时计算电池组的电池生热云图并以此进行温度预测，分析电池组的温度不一致性及温度极值等；云端分析模块可在线计算数字电池热管理模块的电池生热云图，并根据当前生热功率计算未来控制时域内的电池组温度分布，分析电池组温度不一致性及温度极值等。云端分析模块综合实体电池热管理模块获得的当前电池组温度分布与数字电池热管理模块的未来控制时域的温度分布，进行热管理控制策略制定，并同时反馈给实体与数字两个模块中。实体电池热管理模块根据反馈得到的控制策略控制电池组温度，并将控制结果的采样值实时反馈到云端分析模块中；数字电池热管理模块根据反馈得到的控制策略实现数字模型的性能演化，用于下一时刻预测电池组温度分布用。上述过程中，云端分析模块用于分析当前时刻的电池组的温度分布与未来时域内的温度分布并制定均衡控制策略，随后将其反馈给电池热管理系统中，并依靠热管理元件等产生作用，随后根据所传输回的数据进行热管理控制策略在线优化，实现下一时刻的热管理控制策略制定，实现滚动优化过程。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换等都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种动力电池热管理系统，其特征在于，包括：实体电池热管理模块、数字电池热管理模块、云端分析模块、终端热管理控制模块；所述实体电池热管理模块和数字电池热管理模块分别通过有线方法或无线方法与云端分析模块进行数据传输，所述云端分析模块通过有线方法或无线方法与终端热管理控制模块进行数据传输，所述终端热管理控制模块通过有线方法或无线方法与实体电池热管理模块进行数据传输；

所述实体电池热管理模块为需要进行电池热管理的物理目标实体，所述物理目标实体包括对应实体电池组的数据监控子系统、温度控制子系统、数据传输子系统；

所述数字电池热管理模块为对应物理目标实体所建立的虚拟仿真模型；所述虚拟仿真模型的模型特征与物理目标实体特征一致，所述模型特征包括几何结构、物理原理、动态响应和/或状态预测；

所述云端分析模块包括接收并耦合实体电池热管理模块与数字电池热管理模块传输的基础数据，并根据基础数据辨识系统参数、估算标定实时状态以及对系统进行性能演化，计算得到未来一定时域内的电池热管理控制策略并发送至数字电池热管理模块与终端热管理控制模块；

所述终端热管理控制模块接收来自云端分析模块的电池热管理控制策略，并根据所述控制策略对实体电池热管理模块执行热管理控制操作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述实体电池热管理模块中的数据监控子系统包括电压传感器和温度传感器；所述温度控制子系统包括加热装置和散热装置。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加热装置包括外部加热装置；所述散热装置包括自然散热装置、风冷散热装置、液冷散热装置和/或直冷散热装置。

4.如权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述数字电池热管理模块中的几何结构包括实体电池热管理模块在几何空间内的构型、结构、连接方法；所述物理原理包括电池及实体电池热管理模块运行工作时所遵循的流体力学原理、传热学原理、电化学原理、电路原理和/或分子动力学原理；所述动态响应包括实体电池热管理模块的机械响应、热响应和/或电响应；所述状态预测为基于实体电池热管理模块历史数据、即时采样数据的系统状态估算与分析。

5.如权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述电池热管理控制策略包括加热策略和/或散热策略；所述加热策略包括外部加热装置运行功率、运行时间；所述散热策略包括风冷散热装置运行功率、运行时间，液冷散热装置冷媒温度、流量、压力、运行时间，直冷散热装置运行功率、运行时间。

6.一种动力电池热管理方法，包括以下步骤：

A、确定需要进行热管理的物理目标实体，作为实体电池热管理模块；

B、根据物理目标实体特征建立针对该实体的虚拟仿真模型，作为数字电池热管理模块；

C、实体电池热管理模块与数字电池热管理模块工作过程中产生基础数据并将基础数据传输至云端分析模块；

D、云端分析模块接收到实体电池热管理模块与数字电池热管理模块传输的基础数据，根据基础数据分析得到未来有限时域内电池热管理控制策略，并将所述电池热管理控制策略分别发送至数字电池热管理模块和终端热管理控制模块；

E、数字电池热管理模块与终端热管理控制模块接收到电池热管理控制策略，数字电池热管理模块依照控制策略更新系统状态演化，终端热管理控制模块依照控制策略控制实体电池热管理模块执行相应热管理控制操作，完成一次优化过程；

F、重复步骤C至E，实现动力电池热管理滚动优化。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤A包括确定物理目标实体特征；所述物理目标实体特征包括几何结构、物理原理、动态响应和/或状态预测。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤C所述基础数据包括实体电池热管理模块运行过程中的电压、温度极值、温度不一致性、当前温度控制子系统运行状态，以及与之相对应的数字电池热管理模块产生的模拟数据。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤D所述电池热管理控制策略包括加热策略和/或散热策略。

10.如权利要求6至9之一所述的方法，其特征在于，所述基础数据与电池热管理控制策略保存于云端分析模块，并可以根据需要在任意云端分析模块所连接终端上读取使用。