CN113190950A - 动力电池传热模型、动力电池冷却通道设计方法以及动力电池热管理系统控制方法 - Google Patents

动力电池传热模型、动力电池冷却通道设计方法以及动力电池热管理系统控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力电池传热模型，其特征在于：假设动力电池为长方体结构，以动力电池中心为原点建立三维坐标系，其在X、Y、Z三个方向上的导热系数以及表面对流换热系数均各不相同，且动力电池具有稳定均匀的内热源，将上述边界条件导入到二维稳态导热微分方程中，分别得到动力电池在XOY、YOZ、XOZ三个方向上的二维稳态传热模型。该模型考虑了动力电池的导热系数和对流换热系数的各向异性，提高了模型预测精确度。本发明还公开了一种动力电池冷却通道设计方法以及动力电池热管理系统控制方法。使得电池内部冷却通道的冷却能力与温度分布场相匹配，提高了电池热管理系统的控制精确度。

Description

动力电池传热模型、动力电池冷却通道设计方法以及动力电 池热管理系统控制方法
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体地指一种动力电池传热模型、动力电池冷却通道设计方法以及动力电池热管理系统控制方法。
背景技术
为了提高电池状态(SOC等)的预测精度，得到更加精确到BMS 控制精度，从而提高电池的使用安全性和使用寿命，传统方法一般用等效电路模型来预测输出电压等电信号情况，从而判断电池状态，未考虑电池的产热散热与电性能输出之间的闭环影响。
中国专利CN106785216A公开了一种电池温度控制系统，其中包括电池热模型的建立，电池热模型基于温度场控制方程：
Figure RE-GDA0003118256250000011
式中Cp和ρ分别为平均热容和平均密度，K为电池材料热传递参数，Q为体积产热速率，
Figure RE-GDA0003118256250000012
为温度T与时间t的求导，
Figure RE-GDA0003118256250000013
为矢量微分算符。以及电池单体在x方向上的热量经输入，结合公式(4)(5)(3)得到
Figure RE-GDA0003118256250000014
根据傅里叶热传导定律，在x方向上与在在y和z方向上同理，将三个方向上的传导速率方程进行代入，基于边界条件，初始条件T(x,y,z,0)＝T0，可进一步可以得到温度场模型。再根据产热速率公式(1)，在初始条件T(x,y,z,0) ＝T0下，式中x、y，z为电池热模型的坐标系，t为时间，初始状态下，t＝0，T0为初始温度，环境温度T∞恒定为20℃，基于有限元分析法计算电池温度场随时间的变化数据，标记为电池预测温度。该预测方法未考虑传热系数和对流换热系数各向异性的实际情况，也没有考虑逆向分析的过程，难以预测真实的电池内部温度场部情况和产热情况。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术存在的不足，提供一种动力电池传热模型、动力电池冷却通道设计方法以及动力电池热管理系统控制方法，该模型考虑了电池内部导热系数各向异性的因素，提高了电池内部温度场的预测精度。
为实现上述目的，本发明提供一种动力电池传热模型，假设动力电池为长方体结构，以动力电池中心为原点建立三维坐标系，其在X、Y、Z三个方向上的导热系数以及表面对流换热系数均各不相同，且动力电池具有稳定均匀的内热源，将上述边界条件导入到二维稳态导热微分方程中，分别得到动力电池在XOY、YOZ、XOZ三个方向上的二维稳态传热模型。
进一步地，所述二维稳定传热模型为
Figure RE-GDA0003118256250000021
QMON＝hMAM(TS-TWM)+hNAN(TS-TWN)
其中，M,N∈(X,Y,Z)，m,n∈(x,y,z)，(x,y,z)为电池任意一点的坐标，m为M轴的坐标值，n为N轴的坐标值，QMON为MON 平面上的热流量，λM为M轴方向上的导热系数，λN为N轴方向上的导热系数，hM为M轴方向上的表面对流换热系数，hN为N轴方向上的表面对流换热系数，AM为垂直于M轴的电池横截面积，AN为垂直于N轴的电池横截面积，Tmn为坐标为(m,n)处的电池温度，TWM为垂直于M轴的动力电池表面温度，TWN为垂直于N轴的动力电池表面温度，TS为动力电池表面的环境温度，TO为动力电池在坐标原点的温度。
本发明还提供一种基于上述所述的动力电池传热模型的动力电池冷却通道设计方法，分别获取动力电池外部环境温度TS以及X、Y、Z三个方向上的热流量QMON，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池各个表面温度TW和内部温度分布场T(x,y,z)，温度梯度越小的位置，增大其冷却通道的散热能力。
进一步地，增大动力电池冷却通道的散热能力的方法包括，增大散热通道的横截面积、增大散热通道的密度、增大散热通道的冷却液流量。
本发明还提供一种基于上述所述的动力电池传热模型的动力电池热管理系统控制方法，分别获取动力电池外部环境温度TS以及动力电池各个表面温度TW，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池在X、Y、Z三个方向上的热流量QMON和内部温度分布场T(x,y,z)，根据热管理系统仿真模型得到动力电池所需热量，当动力电池内部某位置的温度超过动力电池最佳工作温度范围时，增大动力电池所需热量，和/或降低动力电池输出功率。
本发明的有益效果：
1、电池温度预测精度高。建立在各向导热系数和表面对流换热系数不同情况下的动力电池二维稳态传热模型，通过模拟真实应用场景，预测电池的热流量和内部温度分布场，提升了预测精度。
2、电池冷却通道设计更合理。基于动力电池二维稳态传热模型设计的冷却通道，其散热能力与电池内部的温度分布场相匹配，避免电池内部出现较大温度梯度，提高了电池的性能。
3、电池热管理系统控制更加精确。基于动力电池二维稳态传热模型预测电池的热流量和内部温度分布场，可以精确得到电池热管理系统对动力电池进行冷却或加热时所需的热量，并在动力电池局部温度超出最佳工作温度范围时进行控制，提高了控制精度。
附图说明
图1为动力电池三维坐标模型示意图。
具体实施方式
下面具体实施方式用于对本发明的权利要求技术方案作进一步的详细说明，便于本领域的技术人员更清楚地了解本权利要求书。本发明的保护范围不限于下面具体的实施例。本领域的技术人员做出的包含有本发明权利要求书技术方案而不同于下列具体实施方式的也是本发明的保护范围。
如图1所示，一种动力电池传热模型，其特征在于：假设动力电池为长方体结构，以动力电池中心为原点建立三维坐标系，其在X、 Y、Z三个方向上的导热系数以及表面对流换热系数均各不相同，且动力电池具有稳定均匀的内热源，将上述边界条件导入到二维稳态导热微分方程中，分别得到动力电池在XOY、YOZ、XOZ三个方向上的二维稳态传热模型。
上述二维稳态传热模型表达式为
Figure RE-GDA0003118256250000041
QMON＝hMAM(TS-TWM)+hNAN(TS-TWN)
其中，M,N∈(X,Y,Z)，m,n∈(x,y,z)，(x,y,z)为电池任意一点的坐标，m为M轴的坐标值，n为N轴的坐标值，QMON为MON 平面上的热流量，λM为M轴方向上的导热系数，λN为N轴方向上的导热系数，hM为M轴方向上的表面对流换热系数，hN为N轴方向上的表面对流换热系数，AM为垂直于M轴的电池横截面积，AN为垂直于N轴的电池横截面积，Tmn为坐标为(m,n)处的电池温度，TWM为垂直于M轴的动力电池表面温度，TWN为垂直于N轴的动力电池表面温度，TS为动力电池表面的环境温度，TO为动力电池在坐标原点的温度。
上述模型建立在各向导热系数和表面对流换热系数不同情况下，通过模拟真实应用场景，预测电池的热流量和内部温度分布场，提升了预测精度。
基于上述所述的动力电池传热模型的动力电池冷却通道设计方法，分别获取动力电池外部环境温度TS以及X、Y、Z三个方向上的热流量QMON，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池各个表面温度 TW和内部温度分布场T(x,y,z)，温度梯度越小的位置，温度的变化率越小，其散热能力越不足，应该增大此位置冷却通道的散热能力。
本实施例中，增大动力电池冷却通道的散热能力的方法包括，增大散热通道的横截面积、增大散热通道的密度、增大散热通道的冷却液流量。基于动力电池二维稳态传热模型设计的冷却通道，其散热能力与电池内部的温度分布场相匹配，避免电池内部出现较大温度梯度，提高了电池的性能。
基于上述所述的动力电池传热模型的动力电池热管理系统控制方法，分别获取动力电池外部环境温度TS以及动力电池各个表面温度TW，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池在X、Y、Z三个方向上的热流量QMON和内部温度分布场T(x,y,z)，根据热管理系统仿真模型得到动力电池所需热量，当动力电池内部某位置的温度超过动力电池最佳工作温度范围时，增大动力电池所需热量，和/或降低动力电池输出功率。
基于动力电池二维稳态传热模型预测电池的热流量和内部温度分布场，可以精确得到电池热管理系统对动力电池进行冷却或加热时所需的热量，并在动力电池局部温度超出最佳工作温度范围时进行控制，提高了控制精度。

Claims (5)

1.一种动力电池传热模型，其特征在于：假设动力电池为长方体结构，以动力电池中心为原点建立三维坐标系，其在X、Y、Z三个方向上的导热系数以及表面对流换热系数均各不相同，且动力电池具有稳定均匀的内热源，将上述边界条件导入到二维稳态导热微分方程中，分别得到动力电池在XOY、YOZ、XOZ三个平面上的二维稳态传热模型。
2.根据权利要求1所述的动力电池温度预测方法，其特征在于：所述二维稳定传热模型为
Figure FDA0002902775530000011
QMON＝hMAM(TS-TWM)+hNAN(TS-TWN)
其中，M,N∈(X,Y,Z)，m,n∈(x,y,z)，(x,y,z)为电池任意一点的坐标，m为M轴的坐标值，n为N轴的坐标值，QMON为MON平面上的热流量，λM为M轴方向上的导热系数，λN为N轴方向上的导热系数，hM为M轴方向上的表面对流换热系数，hN为N轴方向上的表面对流换热系数，AM为垂直于M轴的电池横截面积，AN为垂直于N轴的电池横截面积，Tmn为坐标为(m,n)处的电池温度，TWM为垂直于M轴的动力电池表面温度，TWN为垂直于N轴的动力电池表面温度，TS为动力电池外部环境温度，TO为动力电池在坐标原点的温度。
3.一种基于权利要求2所述的动力电池传热模型的动力电池冷却通道设计方法，其特征在于：分别获取动力电池外部环境温度TS以及X、Y、Z三个方向上的热流量QMON，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池各个表面温度TW和内部温度分布场T(x,y,z)，温度梯度越小的位置，增大其冷却通道的散热能力。
4.根据权利要求3所述的动力电池热管理系统控制方法，其特征在于：增大动力电池冷却通道的散热能力的方法包括，增大散热通道的横截面积、增大散热通道的密度、增大散热通道的冷却液流量。
5.一种基于权利要求2所述的动力电池传热模型的动力电池热管理系统控制方法，其特征在于：分别获取动力电池外部环境温度TS以及动力电池各个表面温度TW，通过所述二维稳态传热模型得到动力电池在X、Y、Z三个方向上的热流量QMON和内部温度分布场T(x,y,z)，根据热管理系统仿真模型得到动力电池所需热量，当动力电池内部某位置的温度超过动力电池最佳工作温度范围时，增大动力电池所需热量，和/或降低动力电池输出功率。
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