CN115626062B

CN115626062B - 基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法及系统

Info

Publication number: CN115626062B
Application number: CN202211645164.0A
Authority: CN
Inventors: 王伟; 王芳; 曲辅凡; 张晓辉; 李文博; 吴利广; 梅铮; 李鑫; 钟祥麟; 雷斌
Original assignee: CATARC Automotive Test Center Tianjin Co Ltd
Current assignee: CATARC Automotive Test Center Tianjin Co Ltd
Priority date: 2022-12-21
Filing date: 2022-12-21
Publication date: 2023-08-04
Anticipated expiration: 2042-12-21
Also published as: CN115626062A

Abstract

本发明公开了一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法及系统。其中，基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，包括如下步骤：采集电池组的信号数据；根据信号数据，计算电池组总输出电流和单组电池输出电流；根据信号数据，计算电池组SOC值；根据信号数据、单组电池输出电流、电池组SOC值，计算电池组输出电压和电池组总电阻；根据电池组总输出电流和电池组总电阻，计算电池组总热功率；计算风冷系统散热功率；计算液冷系统散热功率；根据电池组总热功率、风冷系统散热功率、液冷系统散热功率，计算电池组温度；进行报警。本申请能够有效避免电池组温度过高对电动汽车整体性能的影响，实用价值高，具有广阔的应用前景。

Description

基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法及系统

技术领域

本发明属于新能源汽车电池技术领域，尤其是涉及一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法及系统。

背景技术

电动汽车性能的发挥依赖于电池组的性能，而电池组是通过自身的电化学反应产生能量。在电池组进行电化学反应的过程中，会向外界释放出一定的热量，所以会出现电池组温度增加的情况。若电池组没有合适的散热系统，电池组温度将持续增加，可能会产生电解液泄漏、电池组放气、冒烟等现象，甚至会发生更严重的燃烧和爆炸，对安全产生严重的影响。同时电池组工作温度的变化将对电动汽车的加速性能、车速峰值以及续驶里程产生一定程度的影响。

鉴于上述，为了电动汽车安全性和性能考虑，迫切需要提供一种电动汽车电池组温度预警技术，从而能够对电池组的温度进行监控预警，使得能够及时散热，保证电池组工作在合理的温度区间。

发明内容

针对背景技术中指出的技术问题，本发明的目的在于一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

第一方面

本发明提供了一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，包括如下步骤：

步骤1：采集电池组的信号数据；

步骤2：根据步骤1采集的信号数据，计算电池组总输出电流和单组电池输出电流；

步骤3：根据步骤1采集的信号数据，计算电池组SOC值；

步骤4：根据步骤1采集的信号数据、步骤2计算的单组电池输出电流、步骤3计算的电池组SOC值，计算电池组输出电压和电池组总电阻；

步骤5：根据步骤2计算的电池组总输出电流和步骤4计算的电池组总电阻，计算电池组总热功率；

步骤6：计算风冷系统散热功率；

步骤7：计算液冷系统散热功率；

步骤8：根据步骤5计算的电池组总热功率、步骤6计算的风冷系统散热功率、步骤7计算的液冷系统散热功率，计算电池组温度；

步骤9：判断步骤8计算的电池组温度是否超过预设温度阈值，若超过，则进行报警。

第二方面

与上述方法相对应，本发明还提供了一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警系统，包括如下单元：信号数据采集单元、输出电流计算单元、电池组SOC值计算单元、电压电阻计算单元、电池组总热功率计算单元、风冷系统散热功率计算单元、液冷系统散热功率计算单元、电池组温度计算单元、预警单元；

所述信号数据采集单元用于采集电池组的信号数据；

所述输出电流计算单元用于根据所述信号数据，计算电池组总输出电流和单组电池输出电流；

所述电池组SOC值计算单元用于根据所述信号数据，计算电池组SOC值；

所述电压电阻计算单元用于根据所述信号数据、单组电池输出电流、电池组SOC值，计算电池组输出电压和电池组总电阻；

所述电池组总热功率计算单元用于根据电池组总输出电流和电池组总电阻，计算电池组总热功率；

所述风冷系统散热功率计算单元用于计算风冷系统散热功率；

所述液冷系统散热功率计算单元用于计算液冷系统散热功率；

所述电池组温度计算单元用于根据电池组总热功率、风冷系统散热功率、液冷系统散热功率，计算电池组温度；

所述预警单元用于判断电池组温度是否超过预设温度阈值，若超过，则进行报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请提供的方案充分考虑了电池组的多个参数，全面分析并准确计算了电池组充放电过程中的发热量，以及散热系统的散热量，从而能够准确的计算并输出电池温度，进而进行预警；方案精度高，结果准确，能够实时反应电池温度变化过程，能够及时将电池组充放电时生成的热量排出，降低因大量的热量累积造成电池组大的温升，确保电池组工作在其理想的工作温度范围；降低电池组在充放电时可能出现的温度失控而出现的危险；降低电池组温度过高对电动汽车整体性能的影响，实用价值高，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本申请实施例提供的方法流程示意图。

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。

如图1所示，为本发明提供的一种实施例结构。

本实施例提供的一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，包括如下步骤：

步骤1：采集电池组的信号数据；所述电池组的信号数据包括电池组输出电压、电池组输出电流、电池组开关控制命令、风冷系统载荷信号、液冷系统载荷信号、车速、环境温度，电池组初始温度等。

步骤2：根据步骤1采集的信号数据，计算电池组总输出电流和单组电池输出电流；具体如下：

电池组总输出电流I _N通过下式计算：

式中，P ₁为冷却风扇功率；P ₂为冷却水泵功率；U _volt为电池组输出电压；I _a为电池组输出电流；cmd为电池组开关控制命令，若电池组开启，cmd=1；否则cmd=0；

其中，单组电池输出电流I _n通过下式计算：

式中，N为电池组并联模组数。

步骤3：根据步骤1采集的信号数据，计算电池组SOC值；具体如下：

电池组SOC值通过下式计算：

式中，C ₁为电池组在充放电时的电量，C _max为电池组当前温度T_{bat_1}时的最大电池组容量；

其中，C ₁通过下式计算：

C _init= SOC _init*C _max

式中，C _init为电池组的初始电量，SOC _init为电池组初始SOC值，其中电池组SOC值为电池组剩余容量占电池组总容量的比值，t为电池组运行时间。

其中，电池组输出电压U _volt通过下式计算：

式中，S ₁为串联单体数，单组电池电压U _{cell_volt}，单组电池电流I ₁，单组电池电阻R ₁，单组电池开路电压U _{cell_voc}；

电池组总电阻R通过下式计算：

。

需要说明的是，根据电池组SOC值、电池组当前温度T _{bat_1}，查单组电池开路电压表、单组电池放电电阻表、单组电池充电电阻表可得单组电池开路电压U _{cell_voc}、单组电池放电时的电阻R _a，单组电池充电时的电阻R _b、电池组充电时的效率。

电池组充电时的电流I _b通过下式计算：

通过判断电池组充电时的电流I _b是否大于零，来判断此时电池组处于充电或者放电状态，进而输出此时的单组电池电流值I ₁、单组电池电阻R ₁。

其中，电池组总热功率P通过下式计算：

P=P _{cell_bat} S ₂ NM

式中，S ₂为串联模组数，M为模组单体数，P _{cell_bat}为单个电池发热功率；

其中，单个电池发热功率P _{cell_bat}通过下式计算：

式中，R ₁为单组电池电阻。

步骤6：计算风冷系统散热功率；

通过风冷系统载荷信号cmd _fan、车速V查空气流动速率表和冷却风扇功率表可得空气流动质量m _air、冷却风扇功率p _fan。

其中，风冷系统散热功率P _air通过下式计算：

式中，T _{air_out}为从电池组部件输出的空气温度，m _air为空气流动质量，C _{p_air}为空气比热容，T _{env_in}为环境温度；

其中，从电池组部件输出的空气温度T _{air_out}通过下式计算：

式中，exp₁为风冷系统温度预估系数；

其中，exp₁通过下式计算：

exp₁=e ^-k

k=k ₁ +k ₂

式中，h ₁为风冷散热系数，A ₁为风冷散热面积，C _{p_bat}为电池组比热容，m _bat电池组质量，k ₁为风冷系统第一温度预估因子，k ₂为风冷系统第二温度预估因子，k为风冷系统温度预估因子。

步骤7：计算液冷系统散热功率；具体如下：

液冷系统散热功率P _liq通过下式计算：

式中，T _{liq_in1}为冷却液流入温度，T _{liq_out1}为从电池组部件输出的冷却液温度，m _liq为冷却液质量，C _{p_liq}为冷却液比热容；

其中，T _{liq_out1}通过下式计算：

式中，T _{liq_in1}为冷却液流入温度，exp₂为液冷系统温度预估系数；

其中，exp₂通过下式计算：

式中，h ₂为液冷吸热系数，A ₂为传热面积，C _{p_liq}为冷却液比热容，C _{p_bat}电池组比热容，m _liq冷却液质量，k ₃为液冷系统第一温度预估因子，k ₄为液冷系统第二温度预估因子，k ₅为液冷系统温度预估因子。

进一步地，可以计算空气和冷却液之间的热量交换。

首先，计算冷却液温度预估系k ₆、k ₇、k ₈、exp₃：

式中，h ₃为冷却剂散热系数，A ₃为传热面积，C _{p_air}为空气比热容，C _{p_liq}为冷却液比热容，m _liq为冷却液质量，m _air为空气质量，k ₆为冷却剂与空气散热系统第一温度预估因子，k ₇为冷却剂与空气散热系统第二温度预估因子，k ₈为冷却剂与空气散热系统温度预估因子。

进一步地，散热器输出的冷却液温度T _{liq_out2}计算公式如下：

T _{liq_out1}为从电池组部件输出的冷却液温度；

进一步地，冷却液与空气的散热功率p _{liq_1}计算公式如下：

进一步地，下一次循环时冷却液进入时的温度T _{liq_in2}计算公式如下：

式中，T _{liq_0}为冷却液初始温度；

进一步的，通过下一次循环时冷却液进入时的温度T _{liq_in2}和冷却液质量m _liq查冷却水泵功率表可得冷却水泵功率。

步骤8：根据步骤5计算的电池组总热功率、步骤6计算的风冷系统散热功率、步骤7计算的液冷系统散热功率，计算电池组温度；具体如下：

式中，T _{bat_0}为电池组初始温度，p _air为风冷系统散热功率，p _liq为液冷系统散热功率。

步骤9：判断步骤8计算的电池组温度是否超过预设温度阈值，若超过，则进行报警，相关人员收到预警信息后，采取相关措施对电池组温度进行降温。

与上述方法相对应，本发明还提供了一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警系统，包括如下单元：信号数据采集单元、输出电流计算单元、电池组SOC值计算单元、电压电阻计算单元、电池组总热功率计算单元、风冷系统散热功率计算单元、液冷系统散热功率计算单元、电池组温度计算单元、预警单元；

所述信号数据采集单元用于采集电池组的信号数据；

该系统的其他功能模块，参考对方法内容的描述，此处不再详述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集电池组的信号数据；所述电池组的信号数据包括电池组输出电压、电池组输出电流、电池组开关控制命令、风冷系统载荷信号、液冷系统载荷信号、车速、环境温度，电池组初始温度；

步骤3：根据步骤1采集的信号数据，计算电池组SOC值；

步骤4：根据步骤1采集的信号数据、步骤2计算的单组电池输出电流、步骤3计算的电池组SOC值，计算电池组输出电压和电池组总电阻；

步骤6：计算风冷系统散热功率；

风冷系统散热功率P_air通过下式计算：

P_air＝T_{env_in}-T_{air_out})m_airC_{p_air}

式中，T_{air_out}为从电池组部件输出的空气温度，m_air为空气流动质量，C_{p_air}为空气比热容，T_{env_in}为环境温度；

其中，从电池组部件输出的空气温度T_{air_out}通过下式计算：

T_{air_out}＝(exp₁*T_{env_in}+(1-exp₁)T_{bat_1})

式中，exp₁为风冷系统温度预估系数；

其中，exp₁通过下式计算：

exp₁＝e^-k

k＝k₁+k₂

式中，h₁为风冷散热系数，A₁为风冷散热面积，C_{p_bat}为电池组比热容，m_bat电池组质量，k₁为风冷系统第一温度预估因子，k₂为风冷系统第二温度预估因子，k为风冷系统温度预估因子；

步骤7：计算液冷系统散热功率；

步骤9：判断步骤8计算的电池组温度是否超过预设温度阈值，若超过，则进行报警；

其中，步骤5中，电池组总热功率P通过下式计算：

P＝P_{cell_bat}S₂NM

式中，S₂为串联模组数，M为模组单体数，P_{cell_bat}为单个电池发热功率；

其中，单个电池发热功率P_{cell_bat}通过下式计算：

步骤2中，电池组总输出电流I_N通过下式计算：

式中，P₁为冷却风扇功率；P₂为冷却水泵功率；U_volt为电池组输出电压；I_a为电池组输出电流；cmd为电池组开关控制命令，若电池组开启，cmd＝1；否则cmd＝0；

其中，单组电池输出电流I_n通过下式计算：

式中，N为电池组并联模组数。

2.根据权利要求1所述的一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，其特征在于，步骤3中，电池组SOC值通过下式计算：

式中，C₁为电池组在充放电时的电量，C_max为电池组当前温度T_{bat_1}时的最大电池组容量；

其中，C₁通过下式计算：

C_init＝SOC_init*C_max

式中，C_init为电池组的初始电量，SOC_init为电池组初始SOC值，t为电池组运行时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，其特征在于，步骤4中，电池组输出电压U_volt通过下式计算：

U_volt＝U_{cell_volt}S₁

U_{cell_volt}＝U_{cell_voc}-I₁R₁

式中，S₁为串联单体数，单组电池电压U_{cell_volt}，单组电池电流I₁，单组电池电阻R₁，单组电池开路电压U_{cell_voc}；

电池组总电阻R通过下式计算：

4.根据权利要求3所述的一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，其特征在于，步骤7中，液冷系统散热功率P_liq通过下式计算：

P_liq＝(T_{liq_in1}-T_{liq_out1})m_liqC_{p_liq}

式中，T_{liq_in1}为冷却液流入温度，T_{liq_out1}为从电池组部件输出的冷却液温度，m_liq为冷却液质量，C_{p_liq}为冷却液比热容；

其中，T_{liq_out1}通过下式计算：

T_{liq_out1}＝(exp₂*T_{liq_in1}+(1-exp₂)T_{bat_1})

式中，T_{liq_in1}为冷却液流入温度，exp₂为液冷系统温度预估系数；

其中，exp₂通过下式计算：

k₅＝k₃+k₄

式中，h₂为液冷吸热系数，A₂为传热面积，C_{p_liq}为冷却液比热容，C_{p_bat}电池组比热容，m_liq冷却液质量，k₃为液冷系统第一温度预估因子，k₄为液冷系统第二温度预估因子，k₅为液冷系统温度预估因子，为对电池组温度变化率。

5.根据权利要求4所述的一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警方法，其特征在于，步骤8中，电池组温度T_{bat_2}通过下式计算：

式中，T_{bat_0}为电池组初始温度，P_air为风冷系统散热功率，P_liq为液冷系统散热功率。

6.一种基于电池组热管理系统建模的电池组温度预警系统，其特征在于，包括如下单元：信号数据采集单元、输出电流计算单元、电池组SOC值计算单元、电压电阻计算单元、电池组总热功率计算单元、风冷系统散热功率计算单元、液冷系统散热功率计算单元、电池组温度计算单元、预警单元；

所述信号数据采集单元用于采集电池组的信号数据；所述电池组的信号数据包括电池组输出电压、电池组输出电流、电池组开关控制命令、风冷系统载荷信号、液冷系统载荷信号、车速、环境温度，电池组初始温度；

所述电池组SOC值计算单元用于根据所述信号数据，计算电池组SOC值；

所述电压电阻计算单元用于根据所述信号数据、单组电池输出电流、电池组SOC值，计算电池组输出电压和电池组总电阻；

所述风冷系统散热功率计算单元用于计算风冷系统散热功率；风冷系统散热功率P_air通过下式计算：

P_air＝(T_{env_in}-T_{air_out})m_airC_{p_air}

T_{air_out}＝(exp₁*T_{env_in}+(1-exp₁)T_{bat_1})

式中，exp₁为风冷系统温度预估系数；

其中，exp₁通过下式计算：

exp₁＝e^-k

k＝k₁+k₂

所述预警单元用于判断电池组温度是否超过预设温度阈值，若超过，则进行报警；

其中，电池组总热功率通过下式计算：

P＝P_{cell_bat}S₂NM

其中，单个电池发热功率P_{cell_bat}通过下式计算：

电池组总输出电流I_N通过下式计算：

其中，单组电池输出电流I_n通过下式计算：

式中，N为电池组并联模组数。