CN110823410B - 一种确定电池核心温度的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种确定电池核心温度的方法和系统，构建电池核心温度估计模型；通过实验获取在不同环境温度和放电C率条件下的实验电池的核心温度和表面温度；将实验时的环境温度、实验电池的核心温度和表面温度均输入电池核心温度估计模型，获取实验电池的内外热阻比，并结合环境温度和实验电池放电C率，构建C率‑Tamb‑
Figure DDA0002283354800000011
参数曲面模型；将待测电池的放电C率和环境温度，输入C率‑Tamb‑
Figure DDA0002283354800000012
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比，进而在电池核心温度估计模型的基础上，结合环境温度和待测电池就可以确定待测电池的核心温度，以在精确得到待测电池的核心温度的同时，提高检测效率。

Description

一种确定电池核心温度的方法和系统
技术领域
本发明涉及电池温度检测技术领域，特别是涉及一种确定电池核心温度的方法和系统。
背景技术
环境温度及电池本体温度对锂离子电池的使用性能和寿命有重大的影响，相关研究显示在高温下锂离子动力电池容量快速衰减，在低温下锂离子电池会出现无法放电和放电容量下降的问题，因而对于锂离子动力电池温度的监控和热管理是延长锂离子电池使用寿命和优化电池性能的重要方式。
大量对于锂离子动力电池温度的监控是基于对电池表面温度的监控，由于锂离子电池各向导热率较低的原因，相同时刻下电池表面温度远低于电池核心温度，这使得当传感器检测到电池表面温度超过限值时电池核心温度早已超过热失控临界温度，电池将进入不可逆转的热失控过程，这使得利用电池温度对电池安全的预警会存在严重的滞后性和不准确性。
当前有部分研究是基于嵌入式传感器监测电池核心温度，这种方式是将温度传感器植入电池内部直接测量电池核心温度，但是其缺点在于受限于电池的体积和厚度，并不能准确对电池的温度进行精确测量。并且，温度传感器易对电池的外形和结构造成影响，不利于现实使用，同时电池内部具有腐蚀性的电解液易腐蚀传感器，严重影响温度传感器的使用寿命。
针对上述问题，部分研究者利用统计模型和相关数据驱动的模型如卡尔曼滤波、大数据模型等通过电池表面温度对电池核心温度进行估测，这些方法虽然能够利用电池表面温度预测电池核心温度，但是模型较为复杂，具有高度三维非线性，并且对计算要求高，往往需要大量数据进行统计计算才能较为准确的获取得到电池的核心温度数据，计算效率较为低下。并且，常用的车载电脑很难采用这种方法，来对相关的电池数据进行计算处理，因而适用性不强。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定电池核心温度的方法和系统，能够在精确得到待测电池的核心温度的同时，提高检测效率，且具有较高适用性，便于车载电脑使用和计算。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种确定电池核心温度的方法，包括
构建电池核心温度估计模型；所述电池核心温度估计模型为：
Figure BDA0002283354780000021
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure BDA0002283354780000022
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度；
通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度；
将实验时的环境温度、该环境温度所对应的实验电池的核心温度和该环境温度所对应的实验电池的表面温度均输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比；
根据环境温度、实验电池放电C率和实验电池的内外热阻比，构建
Figure BDA0002283354780000023
Figure BDA0002283354780000024
参数曲面模型；
获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度；
将所述待测电池的放电C率和所述待测电池所处环境的温度，输入所述
Figure BDA0002283354780000025
Figure BDA0002283354780000026
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比；
将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
可选的，所述将实验时环境温度及其所对应的电池的核心温度和电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，获取所述电池的内外热阻比，包括：
将实验时环境温度及其所对应的电池的核心温度和电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，采用最小二乘法获取所述电池的内外热阻比。
可选的，所述电池为锂离子动力电池。
一种确定电池核心温度的系统，包括：
核心温度估计模型构建模块，用于构建电池核心温度估计模型；所述电池核心温度估计模型为：
Figure BDA0002283354780000031
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure BDA0002283354780000032
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度；
温度获取模块，用于通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度；
第一内外热阻比获取模块，用于将实验时环境温度及其所对应的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比；
参数曲面模型获取模块，用于根据环境温度、实验电池放电C率和所述实验电池的内外热阻比，构建
Figure BDA0002283354780000033
参数曲面模型；
获取模块，用于获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度；
第二内外热阻比获取模块，用于将所述待测电池的放电C率和待测电池所处环境的温度，输入所述
Figure BDA0002283354780000041
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比；
核心温度确定模块，用于将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
可选的，所述第一内外热阻比获取模块包括：
最小二乘计算单元，用于采用最小二乘法获取所述电池的内外热阻比。
可选的，所述温度获取模块为光纤光栅。
可选的，所述光纤光栅通过公式
Figure BDA0002283354780000042
对待测电池的表面温度和环境的温度进行测量；
其中，T为温度，
Figure BDA0002283354780000045
为热光系数，α为热胀系数，ΔλB为波长改变量，λB为入射光波长。
可选的，所述电池为锂离子动力电池。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的确定电池核心温度的方法和系统，通过构建电池核心温度估计模型和
Figure BDA0002283354780000043
Figure BDA0002283354780000044
参数曲面模型的手段，来降低计算开销，并且，只需要在所构建模型的基础上，采集待测电池当前所述环境温度、电池外表面温度就可以及党店待测电池的放电C率，就能够在精确得到待测电池的核心温度的同时，提高检测效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的确定电池核心温度方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的电池电热系统的等效模型的结构示意图；
图3为本发明实施例中获取电池单体表面温度结构的示意图；
图4为本发明实施例获取电池系统各温度结构的示意图；
图5为本发明实施例实验过程中获取电池单体核心温度结构的示意图；
图6为本发明实施例所提供的确定电池核心温度系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供一种确定电池核心温度的方法和系统，能够在提高测量精确度的同时，提高电池核心温度的确定效率，且具有较高适用性，便于车载电脑使用和计算。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的确定电池核心温度方法的流程图，如图1所示，一种确定电池核心温度的方法，包括
S100、构建电池核心温度估计模型。所述电池核心温度估计模型为：
Figure BDA0002283354780000051
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure BDA0002283354780000052
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度。
S101、通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度。
S102、将实验时的环境温度、该环境温度所对应的实验电池的核心温度和该环境温度所对应的实验电池的表面温度均输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比。
S103、根据环境温度、实验电池放电C率和实验电池的内外热阻比，构建
Figure BDA0002283354780000061
参数曲面模型。
S104、获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度。
S105、将所述待测电池的放电C率和所述待测电池所处环境的温度，输入所述
Figure BDA0002283354780000062
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比。
S106、将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
因在电路模型中常见的元件有电流源、电压源、电阻、电容和电感等，而在传热过程中电池本身电化学热源、热容和导热率等参数在某种程度上可被相应的电路元件所等效，因此，本发明中结合电路和热路特性，将电池电化学热源等效为电流源，电化学热源会给系统提供相应的热功率以加热系统，且不会受系统外参数影响，而电流源与之具有相似的性质，其为电路提供电流并不受电路特性的影响。热系统的热容被等效为电路中的电容，考虑热容和电容的瞬态和稳态响应，热容和电容的性质相等效。电池导热系数由电阻所等效，因其二者均具有阻碍热流或电流传导的性质，进而得到如图2所示的电池电热系统等效模型的结构示意图。等效模型和电路元件间相关参数、元件对应关系如表1所示：
表1 热学参数及电学元件对应关系
热学参数 热学单位 电学单位 电学元件
产(吸)热功率P W A 电流源I
热容C<sub>p</sub> J/K F 电容C
导热率k W/(mK) Ω 电阻R
温度T K V 电压U
基于上述所等效得到的模型，在电化学反应中，电池的热功率可以表达为如式(1)所示：
Figure BDA0002283354780000071
式中，I为电流，V为电池电压，Uavg为电池平均等效电势，T为温度，
Figure BDA0002283354780000072
为第i种物质的局部摩尔焓变，ri为第i种物质的化学反应速率，
Figure BDA0002283354780000073
第j种物质的局部摩尔焓，
Figure BDA0002283354780000074
第j种物质的平均局部摩尔焓，cj为第j种物质的浓度，t为时间，v为体积。
式(1)中等式右侧第一项为热阻所耗散的热量，该项值为正。第二项为可逆焓变热，该值可正可负。第三项为电池内化学反应产热、散热，该值可正可负，通常该项可以忽略不计。第四项为电池内因浓度梯度的形成和消散所产生的混合热，该项同样可忽略不计。
由图2所示的温度估算模型可得式(2)
Figure BDA0002283354780000081
式中P1和P2分别为通过电池流向外界的热功率和流向热容的热功率(即被电池吸收的功率)。
进而推导得到式(3)
Figure BDA0002283354780000082
通过求解温度估计模型式(2)和式(3)，可得到式(4)所示的电池表面温度随时间变化的的微分方程
Figure BDA0002283354780000083
由等效热路模型可知电池的内外热阻可由式(5)和式(6)表达，
Figure BDA0002283354780000084
Figure BDA0002283354780000085
式(5)除以式(6)可得电池内外温度比，如式(7)所示，
Figure BDA0002283354780000086
进而能够进一步得到S100中的电池核心温度估计模型：
Figure BDA0002283354780000087
由式(8)可知，在获得电池内外热阻比后即可通过电池表面温度和环境温度进而估算电池核心温度。
上式中，P为电池产热或吸热功率(单位：W)，Cp为电池热容(J/K)，Tin为电池核心温度，Rin为电池内热阻，Tsurf为电池表面温度，Rout为电池外热阻，Tamb为环境温度。
锂离子动力电池在充放电过程中由于电化学反应的作用会使得电池温度上升，光纤布拉格光栅在温度场中会因热光效应和热膨胀效应使得光栅发生变化，温度效应将会作用在光纤光栅中心波长的偏移量中，使得光纤布拉格光栅的中心波长发生偏移，在忽略弹光效应和波导效应后，光纤布拉格光栅温度灵敏度表达如式(9)所示，
Figure BDA0002283354780000091
式中ΔT为温升，
Figure BDA0002283354780000092
为热光系数，α为热胀系数，ΔλB为波长改变量，λB为入射光波长。
因为光纤布拉格光栅中心波长的偏移量与温度呈线性关系，因而可以利用光纤布拉格光栅实现对温度的实时监测。在现有制造技术水平下，一根光纤上最多可刻画32处光栅，这意味着使用一根光纤布拉格光栅可同时对32节电池单体进行实时温度监控，大大减少了对温度传感器的需求并降低了电池管理系统处理的数据量。
如图3所示，测温光纤布拉格光栅通过套管紧紧贴附在动力电池外表面，使得光纤光栅在测量电池表面温度Tsurf的同时避免电池轴向应变对测量结果的影响。在电池充放电过程中，电池内部电化学反应使得电池温度升高，热光效应和热膨胀效应作用在光纤光栅上使得光纤光栅的中心波长发生位移，利用式(9)即可求得电池表面的温度。
对动力电池核心温度的估计仍需要Tamb、Rin/Rout两组参量，在模组层面，如图4所示，电池固定板将电池组成组连接，测温光纤按照图3的安装模式将各单体电池串联，光纤光栅调制解调仪输入光源从测温光纤输入端输入，从测温光纤输出端输出，当电池温度发生变化时测温光纤光栅上对应位置的布拉格光栅将会发生波长偏移，从而可以读出温度的变化，同时该方法能够对每一节电池单体进行实时监测，及时预警出现异常的电池单体。
环境温度Tamb的测量通过连接在电池固定板上的环境光纤光栅测得，环境光纤光栅通过套管与电池固定板相连，并远离电池单体，实现在不受电池系统温度干扰的情况下独立测量环境温度。
至此，仅有电池的内外热阻比Rin/Rout无法获得，为了获得Rin/Rout，在该方案使用之前需要进行前期测试。首先对实验用的锂离子动力电池的结构进行改变，具体措施是在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式，在实验电池中央打通顶盖(顶盖包括顶盖1和顶盖2，此处的数字1和2意同第一和第二)、安全膜片、正极孔板，同时在电池中央打通负极，并密封各部件保证内部结构与外界的密封性，不改变电池的正负极绝缘特性，将光纤通管垂直插入电池内部贯穿顶盖、安全膜片正极孔板和电芯最后从负极孔中穿出，在正负极光纤通管端口处安装卡扣将光纤通管牢固的固定在电池内，并进行二次密封保证电池的使用性能。改造后的电池结构如图5所示，其内部结构与外部不连通，最后将光纤光栅置入光纤通管内。
在改造完电池后对实验电池进行不同倍率循环充放电实验，通过光纤通管内的光纤光栅测量实验电池在循环充放电工况下的温度变化，利用式(8)在已知Tin、Tsurf和Tamb的实验状况下，利用最小二乘原理对Rin/Rout进行参数估算，形成
Figure BDA0002283354780000101
参数曲面模型，输入电池管理系统中，通过调阅当前电池C率和环境温度，读取
Figure BDA0002283354780000102
值，利用式(8)实时估计电池核心温度。
该方案的优点是，仅需有限的电池结构改变和有限次实验，在获取
Figure BDA0002283354780000103
Figure BDA0002283354780000111
参数曲面模型的参数曲面之后，就可利用式(8)实时估计电池的核心温度进行确定，技术方案简便，测量精度高，模型简单便于电池管理系统的实时计算。
且一根光纤上最多可刻画32处光栅，使用一根光纤布拉格光栅即可同时对32节电池单体进行实时温度监控，大大减少了对温度传感器的需求并降低了电池管理系统处理的数据量。
如图6所示，本发明还公开了一种确定电池核心温度的系统。所述系统包括：核心温度估计模型构建模块1、温度获取模块2、第一内外热阻比获取模块3、参数曲面模型获取模块4、获取模块5、第二内外热阻比获取模块6和核心温度确定模块7。
其中，核心温度估计模型构建模块1构建电池核心温度估计模型。所述电池核心温度估计模型为：
Figure BDA0002283354780000112
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure BDA0002283354780000113
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度。
温度获取模块2通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度。
第一内外热阻比获取模块3将实验时环境温度及其所对应的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比。
参数曲面模型获取模块4根据环境温度、实验电池放电C率和所述实验电池的内外热阻比，构建
Figure BDA0002283354780000114
参数曲面模型。
获取模块5获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度。
第二内外热阻比获取模块6将所述待测电池的放电C率和待测电池所处环境的温度，输入所述
Figure BDA0002283354780000121
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比。
核心温度确定模块7将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
所述第一内外热阻比获取模块3包括：最小二乘计算单元。最小二乘计算单元采用最小二乘法获取所述电池的内外热阻比。
所述温度获取模块2为光纤光栅。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所提供的确定电池核心温度的方法和系统，通过构建电池核心温度估计模型和
Figure BDA0002283354780000122
Figure BDA0002283354780000123
参数曲面模型的手段，来降低计算开销，并且，只需要在所构建模型的基础上，采集待测电池当前所述环境温度、电池外表面温度就可以及党店待测电池的放电C率，就能够在精确得到待测电池的核心温度的同时，提高检测效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种确定电池核心温度的方法，其特征在于，包括
构建电池核心温度估计模型；所述电池核心温度估计模型为：
Figure FDA0002570348590000011
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure FDA0002570348590000012
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度；
通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度；
将实验时的环境温度、该环境温度所对应的实验电池的核心温度和该环境温度所对应的实验电池的表面温度均输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比；具体包括：
首先对实验用的锂离子动力电池的结构进行改变，具体措施是在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式，在实验用的锂离子动力电池中央打通顶盖、安全膜片、正极孔板，同时在实验用的锂离子动力电池中央打通负极，并密封各部件保证内部结构与外界的密封性，不改变电池的正负极绝缘特性，将光纤通管垂直插入电池内部贯穿顶盖、安全膜片正极孔板和电芯，最后从负极孔中穿出，在正负极光纤通管端口处安装卡扣将光纤通管牢固的固定在电池内，并进行二次密封保证电池的使用性能；
在改造完电池后对实验电池进行不同倍率循环充放电实验，通过光纤通管内的光纤光栅测量实验用的锂离子动力电池在循环充放电工况下的温度变化，利用公式
Figure FDA0002570348590000021
在已知Tin、Tsurf和Tamb的实验状况下，利用最小二乘原理对Rin/Rout进行参数估算；
根据环境温度、实验电池放电C率和实验电池的内外热阻比，构建C率
Figure FDA0002570348590000022
参数曲面模型；
获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度；
将所述待测电池的放电C率和所述待测电池所处环境的温度，输入所述C率
Figure FDA0002570348590000023
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比；
将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
2.根据权利要求1所述的一种确定电池核心温度的方法，其特征在于，所述将实验时环境温度及其所对应的电池的核心温度和电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，获取所述电池的内外热阻比，包括：
将实验时环境温度及其所对应的电池的核心温度和电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，采用最小二乘法获取所述电池的内外热阻比。
3.根据权利要求1所述的一种确定电池核心温度的方法，其特征在于，所述电池为锂离子动力电池。
4.一种确定电池核心温度的系统，其特征在于，包括：
核心温度估计模型构建模块，用于构建电池核心温度估计模型；所述电池核心温度估计模型为：
Figure FDA0002570348590000031
其中，Tin为电池的核心温度，
Figure FDA0002570348590000032
为电池的内外热阻比，Rin为电池的内热阻，Tsurf为电池的表面温度，Rout为电池的外热阻，Tamb为电池所处环境的温度；
温度获取模块，用于通过实验获取在不同环境温度和不同电池放电C率条件下的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度；
第一内外热阻比获取模块，用于将实验时环境温度及其所对应的实验电池的核心温度和实验电池的表面温度输入所述电池核心温度估计模型，获取所述实验电池的内外热阻比；
参数曲面模型获取模块，用于根据环境温度、实验电池放电C率和所述实验电池的内外热阻比，构建C率
Figure FDA0002570348590000033
参数曲面模型；
获取模块，用于获取待测电池的放电C率、待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度；
第二内外热阻比获取模块，用于将所述待测电池的放电C率和待测电池所处环境的温度，输入所述C率
Figure FDA0002570348590000041
参数曲面模型，获取待测电池的内外热阻比；
核心温度确定模块，用于将所述待测电池的内外热阻比、所述待测电池所处环境的温度和所述待测电池的表面温度均代入所述电池核心温度估计模型，确定所述待测电池的核心温度。
5.根据权利要求4所述的一种确定电池核心温度的系统，其特征在于，所述第一内外热阻比获取模块包括：
最小二乘计算单元，用于采用最小二乘法获取所述电池的内外热阻比。
6.根据权利要求4所述的一种确定电池核心温度的系统，其特征在于，所述温度获取模块为光纤光栅。
7.根据权利要求6所述的一种确定电池核心温度的系统，其特征在于，所述光纤光栅通过公式
Figure FDA0002570348590000042
对待测电池的表面温度和环境的温度进行测量；
其中，T为温度，
Figure FDA0002570348590000043
为热光系数，α为热胀系数，ΔλB为波长改变量，λB为入射光波长。
8.根据权利要求4所述的一种确定电池核心温度的系统，其特征在于，所述电池为锂离子动力电池。
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