CN111090955B - 一种利用3d和1d耦合标定的电池包一维热模型建模方法 - Google Patents

Abstract

一种利用3D和1D耦合标定的电池包一维热模型建模方法，所述电池包一维热模型主要由三部分构成：1.电池包部分，主要通过质量、热容、换热面积、初始温度来描述；2.热传导部分，主要通过最大换热面积、总厚度以及等效导热系数描述；3.热对流部分，主要描述信息有：质量、比热容、有效换热面积、对流换热系数。本发明在3D仿真软件中建模，根据3D电芯平均温度及冷媒出口温度，对1D模型进行参数标定。最后对比3D与1D闭环仿真结果，则建模工作结束。本建模方法的模型参数少，简单易操作；大大提高了结果的精确度；充分发挥了3D和1D软件各自的优势，两种仿真软件扬长避短，互补互利；建模及标定过程简单有效，实际运行时间短，缩短开发周期。

Description

一种利用3D和1D耦合标定的电池包一维热模型建模方法

技术领域

本发明属于汽车领域，涉及一种电池包一维热模型的建模方法。

背景技术

新能源车辆中无论是纯电动车还是插电式混合动力或者是增程式以及燃料电池车等等，都必须配有较大电量的动力电池。整车控制模式以及控制逻辑都离不开对电池性能的预判以及相应的保护，而电池性能最重要的影响因素之一即电芯温度。电池系统与外部整车交互的与温度相关的指标主要有最大温差、电芯最高温度、电芯最低温度、平均温度等。所以必须建立电池的热模型，以便能够准确的反映电池的实际状态。

当前普遍的做法是挑选最恶劣工况，将3D实际数模导入到常用的3D有限元求解器中，确定边界及各部件热物理属性及热阻等值后，进行仿真，可以得到上述所有温度指标。该方法固然精度高，结果详细，但因为3D软件本身的不足，存在如下问题：1、运行时间长，模型越详细，计算时间越长；2、只能进行开环的、固定输入边界下的计算，因此，它只能算是电池包系统级的仿真；3、后处理较费力。因此，3D的分析方法不能用来进行整车级闭环系统的实时仿真。

另外一种就是1D建模，目前的1D建模方式也比较多样，如果想获取到更多的温度信息，就需要建立较为复杂的芯体级甚至是将芯体根据流道形式或其他出发点进行分割。一般来讲，芯体的数量都是成百上千的，这种做法，增大了模型的复杂度，为建模花费的时间较长，且其中有过多的参数需要标定，费时费力。因为标定参数多，所以精度并不高，最重要的是，太耗时间。标定模型时，因为当前越来越短的开发周期限制，在设计初期不可能有对应需求的试验数据用于对标。因此，仍然只能和3D分析结果对标。这种方法工作量大，且精度难以保证。

而且不同的分析需求，其实对模型的层级要求不同。绝大多数工况或者是分析需求下并不需要时刻了解电池包内详细的温度信息，这就需要有一种简便有效快速的热模型建模方法。经检索，未发现类似专利。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池的简单有效快速的热模型建模方法。该方法所建电池热模型可用于整车级仿真匹配、能量管理、策略优化的绝大多数应用场合，并适用于包含EV、PHEV、HEV、REV以及FCEV等多种平台车型中。

本发明采用的技术方案为：

一种利用3D和1D耦合标定的电池包一维热模型建模方法，所述电池包一维热模型主要由三部分构成：（1）电池包部分，主要体现发热部件及包内的附件，它将整个电池包看作一个均质同温度的质量点，利用单质量点来描述，该质量点不与环境交互热量，仅通过热传导进行换热，即，主要通过质量、热容、换热面积、初始温度来描述；（2）热传导部分，主要体现从电芯到水冷板之间的热传导，通过最大换热面积、总厚度以及等效导热系数描述，这些参数的初始值都可以通过物理模型中的信息，通过传热学热阻公式计算得到；（3）热对流部分，此处仍利用单质量点对其建模，它通过风冷或者是水冷、油冷对流换热的形式与冷却煤质进行热交换，主要描述信息有：质量、比热容、有效换热面积、对流换热系数。

以上信息中所有参数，均可根据实际或者是设计之初的设计构想得到初始值，其中对流换热系数由3D仿真计算得到，或根据分析需要进行假设；

对所述三部分标定的内容为：

在三维有限元热分析软件中，建立整个电池包冷却子系统的有限元热模型，固定入口冷媒温度、流量、电池初始温度，并赋予必须的物性参数；根据考察工况，设置仿真的运行参数；仿真结束后，通过后处理，获得平均对流换热系数、电池平均温度、最大温差、最高温度以及冷媒出口温度等；在1D热仿真软件中建立前述电池包热模型，将冷却循环路设为开环，并将初始值设置为与3D初始值相同，其中对流换热系数，来自3D仿真结果；在1D环境下运行同样的工况，并以冷媒出口温度及电芯平均温度为标定目标值，对标定量进行标定；当标定精度达到要求后，在1D闭环系统循环下进行同样工况的仿真；在方阵结束后，得到电池包系统冷媒的进口温度时变曲线数据；将该数据反馈给3D软件，将该曲线替换掉原来的固定入口温度，再次进行仿真，并将结果与1D仿真结果进行比较；若结果满足误差要求，则过程结束，若误差较大，仍可在1D软件中针对闭环系统进行参数标定工作，此过程可以多次进行，直到满足要求。

首先根据电池包的设计意图、物理属性在3D仿真软件中建模，设置好相应的参数、工况，运行仿真，得到开环状态下，固定入口温度下的仿真结果，根据3D电芯平均温度及冷媒出口温度，对1D模型进行参数标定，并满足需要的精度；

在对1D模型进行参数标定，并满足需要的精度的基础上，建立1D闭环系统仿真模型，在同样的工况条件下，进行闭环仿真，得到电池包冷媒入口水温随时间的变化曲线。将该曲线输出给3D软件，替换原来的固定温度值，再次仿真，得到在变化冷媒入口温度条件下的3D分析结果；对比3D仿真结果与1D闭环仿真结果，若精度可接受，则该热模型建模工作结束，若精度超出要求，则可继续以新的3D输出结果为目标值，重新在闭环模型下对1D的可标定参数进行标定，直到满足要求。

本建模方法的几大优点：

1）模型参数少，简单易操作。

2）通过3D结果由开环到准闭环的过程，达到了3D仿真结果的准闭环化，大大提高了其结果的精确度。

3）充分发挥了3D和1D软件各自的优势，避开了各自的劣势，真正做到了对两种仿真软件的扬长避短，互补互利。

4）建模及标定过程简单有效，实际运行时间短，节省时间，缩短开发周期。

具体实施方式

本发明是一种利用3D和1D耦合标定的电池包一维热模型建模方法，其中的电池包一维热模型，主要由三部分构成：1. 电池包（电池芯体）部分，主要体现发热部件及包内的附件。它可以利用单质量点来描述，该质量点不与环境交互热量，仅可通过热传导进行换热，主要通过质量、热容、换热面积、初始温度来描述。即，将整个电池包看作一个均质同温度的质量点。2. 热传导部分，主要体现从电芯到水冷板之间的热传导，通过最大换热面积、总厚度以及等效导热系数描述。这些参数的初始值都可以通过物理模型中的信息，通过传热学热阻公式计算得到。3. 热对流部分，此处仍利用单质量点对其建模，它可以通过风冷或者是水冷、油冷等对流换热的形式与冷却煤质进行热交换，主要描述信息有：质量、比热容、有效换热面积、对流换热系数。

以上信息列表如下，其中所有参数，均可根据实际或者是设计之初的设计构想得到初始值，其中对流换热系数可以由3D仿真计算得到，也可根据分析需要进行假设。

表1. 电池热模型组成及对应描述参数

其中标定量，根据仿真的目的，可以计算一些等效参数，也可以采用标定的方式或缺。标定方式可以保证工程精度。

标定的内容描述如下：

在三维有限元热分析软件中，建立整个电池包冷却子系统的有限元热模型，固定入口冷媒温度、流量、电池初始温度，并赋予必须的物性参数。根据某考察工况，设置仿真的运行参数，如电池发热功率、对应的时间等。仿真结束后，可通过后处理，获得平均对流换热系数、电池平均温度、最大温差、最高温度以及冷媒出口温度等。在1D热仿真软件中建立前述电池包热模型，将冷却循环路设为开环，并将初始值设置为与3D初始值相同，其中对流换热系数，来自3D仿真结果。在1D环境下运行同样的工况，并以冷媒出口温度及电芯平均温度为标定目标值，对标定量进行标定。当标定精度达到要求后，在1D闭环系统循环下进行同样工况的仿真，某些边界设置不同于开环仿真。在方阵结束后，得到电池包系统冷媒的进口温度时变曲线数据。将该数据反馈给3D软件，将该曲线替换掉原来的固定入口温度，再次进行仿真，并将结果与1D仿真结果进行比较。若结果满足误差要求，则过程结束，若误差较大，仍可在1D软件中针对闭环系统进行参数标定工作，此过程理论上可以多次进行，直到满足要求。

具体可参照表1. 电池热模型组成及对应描述参数。

首先根据电池包的设计意图、物理属性等在3D仿真软件中建模，设置好相应的参数、工况等，运行仿真，得到开环状态下，固定入口温度下的仿真结果，根据3D电芯平均温度及冷媒出口温度，对1D模型进行参数标定，并满足需要的精度。

在此基础上，建立1D闭环系统仿真模型，在同样的工况条件下，进行闭环仿真，得到电池包冷媒入口水温随时间的变化曲线。将该曲线输出给3D软件，替换原来的固定温度值，再次仿真，得到在变化冷媒入口温度条件下的3D分析结果。虽然3D仿真仍然是开环形式，但由于使用了1D闭环模型下的边界，因此，其结果更为接近实际闭环系统下的真实结果。对比3D仿真结果与1D闭环仿真结果，若精度可接受，则该热模型建模工作结束，若精度超出要求，则可继续以新的3D输出结果为目标值，重新在闭环模型下对1D的可标定参数进行标定，直到满足要求。

举例说明如下：对于纯电水冷电池包，在3D（如StarCCM+等）模型建立之后，按如下边界及工况进行仿真：电池初始温度相同，35℃，电池包入水口温度为固定值20℃，水流量15L/min，考虑电池快充，发热量为7kw，充电时间30min。当仿真结束后，得到电池包平均温度为40℃，出口水温27℃。同时根据已有的物理数据，建立1D（如：KULI、Amesim等）开环仿真模型，其边界及工况与3D仿真相同，以电池包平均温度为40℃，出口水温27℃为目标值，对1D模型中的电池包热容及热传导部件中的等效导热系数进行标定，使得误差<5%。在此基础上，建立闭环仿真模型，仍然在上述边界下进行仿真，不同之处在于，不需要指定电池包入口水温为固定值。仿真结束后，导出1D仿真结果中，电池包入水口水温曲线，并将该曲线输出给3D模型，并代替原来的固定水温，并重新进行仿真，并将新一轮的电池包平均温度及出口水温曲线与1D仿真结果进行对比。精度满足要求，该热模型建立完毕。

该模型可用于零部件匹配、典型工况的冷却性能分析、策略优化、能量管理、高低温续航等各方面，在某特定工况需要细致研究包内情况时，可以以闭环边界重新输入给3D软件，进行较详细的分析，这样绝大部分情况，都是用的1D简化热模型进行仿真，大大缩短了开发周期。

Claims (5)

1.一种利用3D和1D耦合标定的电池包一维热模型建模方法，其特征在于，所述电池包一维热模型主要由三部分构成：（1）电池包部分，主要体现发热部件及包内的附件，它将整个电池包看作一个均质同温度的质量点，利用单质量点来描述，该质量点不与环境交互热量，仅通过热传导进行换热，即，主要通过质量、热容、换热面积、初始温度来描述；（2）热传导部分，主要体现从电芯到水冷板之间的热传导，通过最大换热面积、总厚度以及等效导热系数描述，这些参数的初始值都可以通过物理模型中的信息，通过传热学热阻公式计算得到；（3）热对流部分，此处仍利用单质量点对其建模，它通过风冷或者是水冷、油冷对流换热的形式与冷却煤质进行热交换，主要描述信息有：质量、比热容、有效换热面积、对流换热系数；

以上信息中所有参数，均可根据实际或者是设计之初的设计构想得到初始值，其中对流换热系数由3D仿真计算得到，或根据分析需要进行假设；

对所述三部分标定的内容为：

在三维有限元热分析软件中，建立整个电池包冷却子系统的有限元热模型，固定入口冷媒温度、流量、电池初始温度，并赋予必须的物性参数；根据考察工况，设置仿真的运行参数；仿真结束后，通过后处理，获得平均对流换热系数、电池平均温度、最大温差、最高温度以及冷媒出口温度等；在1D热仿真软件中建立前述电池包热模型，将冷却循环路设为开环，并将初始值设置为与3D初始值相同，其中对流换热系数，来自3D仿真结果；在1D环境下运行同样的工况，并以冷媒出口温度及电芯平均温度为标定目标值，对标定量进行标定；当标定精度达到要求后，在1D闭环系统循环下进行同样工况的仿真；在仿真结束后，得到电池包系统冷媒的进口温度时变曲线数据；将该数据反馈给3D软件，将该曲线替换掉原来的固定入口温度，再次进行仿真，并将结果与1D仿真结果进行比较；若结果满足误差要求，则过程结束，若误差较大，仍可在1D软件中针对闭环系统进行参数标定工作，此过程可以多次进行，直到满足要求。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，首先根据电池包的设计意图、物理属性在3D仿真软件中建模，设置好相应的参数、工况，运行仿真，得到开环状态下，固定入口温度下的仿真结果，根据3D电芯平均温度及冷媒出口温度，对1D模型进行参数标定，并满足需要的精度。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，在对1D模型进行参数标定，并满足需要的精度的基础上，建立1D闭环系统仿真模型，在同样的工况条件下，进行闭环仿真，得到电池包冷媒入口水温随时间的变化曲线；将该曲线输出给3D软件，替换原来的固定温度值，再次仿真，得到在变化冷媒入口温度条件下的3D分析结果；对比3D仿真结果与1D闭环仿真结果，若精度可接受，则该热模型建模工作结束，若精度超出要求，则可继续以新的3D输出结果为目标值，重新在闭环模型下对1D的可标定参数进行标定，直到满足要求。

4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，设置仿真的运行参数为：电池发热功率与时间的时变曲线。

5.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，对于纯电水冷电池包或其它冷却介质电池包，在3D模型建立之后，按考察边界及工况进行仿真：电池初始温度相同，35-40℃，电池包入水口温度为固定值10-25℃，水流量8-15L/min，也可以随时间变化；电池快充发热量0-15kw，及发热时间如0-30min，也可以是发热量随时间的变化曲线；当仿真结束后，得到电池包平均温度30-45℃，出口冷媒温度15-30℃；同时根据已有的物理数据，建立1D开环仿真模型，其边界及工况与3D仿真相同，以3D仿真得到的电池包平均温度、出口冷媒温度为目标值，对1D模型中的电池包热容及热传导部件中的等效导热系数进行标定，使得误差<5%；在此基础上，建立闭环仿真模型，仍然在上述边界下进行仿真；仿真结束后，导出1D仿真结果中电池包入口冷媒温度曲线，并将该曲线输出给3D模型，并代替原来的固定冷媒温度，并重新进行仿真，并将新一轮的电池包平均温度及出口冷媒温度曲线与1D仿真结果进行对比，该热模型建立完毕。