CN116266652A - 动力电池低温加热策略确定方法、电池管理系统及车辆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动力电池低温加热策略确定方法、电池管理系统及车辆，属于动力电池热管理领域。包括如下步骤：确定典型工况；在各典型工况下，确定行车加热下限值，假定行车加热上限值、充电加热下限值和充电加热上限值；通过仿真试验，通过改变假定的行车加热上限值、充电加热下限值和充电加热上限值得到多组仿真数据，仿真数据包括加热开启次数和加热能耗；根据加热开启次数和加热能耗确定最优的行车加热上限值、充电加热下限值和充电加热上限值，得到各典型工况下的最优加热策略。本发明提出的加热策略确定方法可以兼顾电池性能和加热能耗，满足整车对于电池管理系统性能精细化、合理化的需求，且现有加热方式也能根据本发明确定加热策略。

Description

动力电池低温加热策略确定方法、电池管理系统及车辆

技术领域

本发明涉及一种动力电池低温加热策略确定方法、电池管理系统及车辆，属于动力电池热管理领域。

背景技术

动力电池的低温加热策略是动力电池热管理系统设计的重要环节，合理的低温加热热管理控制策略的确定，不仅可以保证电池系统工作在合适的温度范围内，保证整车对电池充放电倍率的需求，还可以减少因电池加热造成的系统能耗增加，延长电动汽车的续驶里程，增强产品的核心竞争力。以液热为例，目前液热已经成为各大主机厂的一种较为普遍的加热方式，然而液体PTC加热法功率比传统的电加热膜法功率更大，且相较于电加热膜热传输路径更长，PTC加热法需要先将冷却液加热，冷却液再将管路、冷板加热，最终加热电池。

实车运行过程中涉及到的因素很多，如何制定出合理、有效、安全且兼顾电池性能发挥和加热能耗的加热策略，逐渐成为热管理系统设计的重点难点。

现阶段，动力电池加热策略一般设计为固定的加热开启、关闭阈值，且策略的确定方法通常通过大量试验对各类边界条件对比验证的方法来确定，且仅考虑单一因素。然而，随着整车对电池系统的要求越来越高，热管理性能的发挥趋于精细化、合理化，策略在满足加热速率及充放电倍率的同时，还应兼顾加热能耗对整车的影响，简单的为了达到电池热管理设计性能而确定的加热策略已无法满足整车需求，需要一种更加完备的加热策略确定方法，来满足日益精细化的热管理目标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力电池低温加热策略确定方法、电池管理系统及车辆，用于解决现有策略考虑内容单一、无法满足整车需求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种动力电池低温加热策略确定方法，包括如下步骤：

1)确定典型工况，所述典型工况包括环境温度、充放电倍率和发车起始温度；2)在各典型工况下，根据电池充电倍率、放电倍率及回馈倍率与温度的关系，确定行车加热下限值，假定行车加热上限值、充电加热下限值和充电加热上限值；3)确定用于仿真计算的加热功率和目标水温；4)进行仿真试验，建立端值为行车加热下限值和行车加热上限值的行车加热窗口，通过变化行车加热上限值，得到多个不同的行车加热窗口，对各个行车加热窗口仿真计算，得到多组行车仿真数据，所述行车仿真数据包括行车加热开启次数和行车加热能耗；建立端值为充电加热下限值和充电加热上限值的充电加热窗口，通过变化充电加热下限值和充电加热上限值，得到多个不同的充电加热窗口，对各个充电加热窗口仿真计算，得到多组充电仿真数据，所述充电仿真数据包括充电加热开启次数和充电加热能耗；5)根据行车加热开启次数、行车加热能耗、充电加热开启次数和充电加热能耗，确定最优行车加热窗口和最优充电加热窗口，组合最优行车加热窗口和最优充电加热窗口，得到各典型工况下的最优加热策略。

本发明通过大数据工况分类和仿真试验得到各种典型工况下的合适的加热策略，再通过分析加热策略的具体效果如加热开启次数和加热能耗，得到最优加热策略。本发明得到的加热策略可以兼顾加热开启次数和加热能耗，可以根据实际情况对电池性能和能耗的具体要求，得出最适合的加热策略，保证了加热策略与实际情况的要求相符，满足了整车对于电池管理系统热管理精细化的需求。

进一步地，在上述动力电池低温加热策略确定方法中，步骤1)中所述典型工况的参数值通过大数据统计各类参数所占百分比确定。

进一步地，在上述动力电池低温加热策略确定方法中，步骤5)还包括识别不同加热策略对充电能力的需求，排除掉不能满足电芯充电能力的充电加热窗口，确保设定典型工况下充电延时差异在可接受范围内。

本发明通过对合适加热策略进行充电能力筛选，排除不能满足电芯充电能力的加热策略，避免了最终得到的最优加热策略存在延长充电时间的风险，提高了最优加热策略的准确性。

进一步地，在上述动力电池低温加热策略确定方法中，该方法还包括通过三维CFD仿真评估所述最优加热策略执行中电芯采温点与电芯内部区域的最低温度点之间的温差，若温差大于设定温度阈值，则对最优加热策略进行调整。

通过对最终得到的最优加热策略测量电芯采温点与电芯温度最低点的温差，若温差超过设定阈值，说明采集到的电芯温度不能完全反应电芯的温度，需要对最优加热策略进行调整，避免出现电芯温度过低出现析锂现象而未开启加热的情况，提高了最优加热策略的准确性。

进一步地，在上述动力电池低温加热策略确定方法中，步骤3)中所述加热功率P₀通过如下公式计算得到：

P₀η＝(m_PC_p+m_cC_c+m_lC_l)·ΔT/t式中ΔT/t为加热速率，m_P为电池回路中电池外壳及冷板的总质量，C_p为电池回路中电池外壳及冷板的比热容，m_c为电芯总质量，C_c为电芯比热容，m_l为电池回路中冷却液的总质量，C_l为电池回路中冷却液的比热容，η为加热装置的制热性能系数。

进一步地，在上述动力电池低温加热策略确定方法中，步骤3)中所述目标水温通过对比不同目标水温对应的低温加热速率和电池包温差来确定。

本发明还提供了一种电池管理系统，采用了上述的动力电池低温加热策略确定方法。

本发明还提供了一种车辆，包括动力电池和电池管理系统，所述电池管理系统采用了上述的电池管理系统。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为搭建的电池液热热管理系统回路图；

其中1为电池及水冷板，2为液体PTC，3为循环水泵，4为液冷机组，5为膨胀水箱，6为管路回路，7为回水温度监测点，8为出水温度监测点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

动力电池低温加热策略确定方法实施例：

本发明流程图如图1所示，首先确定电池的基础状态，即电池的工况情况和边界条件。通过大数据分析得到不同温度环境的典型工况。在各个典型工况下确定其行车过程加热下限值，即行车加热开启温度；确定加热功率和目标水温等边界参数；对可能的行车过程加热上限值、充电过程加热下限值、充电过程加热上限值进行矩阵仿真。确定衡量加热策略的目标值例如电池性能、回馈能力、加热速率、温差和加热能耗等，在仿真结果中匹配出各个典型工况的最优加热策略。对于不属于典型工况的特殊工况，根据工况类型分类，同样对各个特殊工况进行仿真实验并确定最优加热策略。最后评估最优加热策略是否需要进行温差修正，对不符合评估结果的加热策略进行温差修正。

具体工作流程：

1)确定电池的基础状态。在特定工况和边界条件下，电池包的温降情况是确定的，在此基础上确定的加热策略才是有意义的，如果电池的基础状态发生变化，则最终确定的最优加热策略也将发生改变。电池的基础状态包括电池所处的具体工况和边界条件，在特定工况和边界条件下，电池包的温降情况是确定的，在此基础上才能进行热管理策略确定。

依据车辆行驶的区域，结合环境温度大数据统计分析对不同区域对应环境温度区间进行划分，依据环境温度划分区分不同加热策略区间，例如区域一为严寒区域，确定环境温度区间为Tenv≤A℃，对应区域为黑龙江、吉林等省份；区域二为寒冷区域，确定环境温度区间为A℃≤Tenv＜B℃，对应区域为辽宁、内蒙古、甘肃等省份；区域三为夏热冬冷区域，确定环境温度区间为Tenv≥B℃，该区域一般不需要电池加热。

确定不同环境温度区间对应的低温典型工况。通过大数据车辆信息分析，分别对区域一、区域二和区域三环境温度下对应的典型环境温度、发车起始温度、行车平均放电倍率、充电倍率、回馈倍率及时长进行大数据统计分析，确定环境温度、发车起始温度、行车平均放电倍率、充电倍率、回馈倍率及时长的分布信息，部分分布信息示例如下表一所示。根据分布信息通过具体的需求确定关键参数，用关键参数代表不同环境温度区间对应的典型工况，得到的典型工况参数如下表二所示。

表一 不同区域温度信息分布表

发车温度℃	区域一温度占比	区域二温度占比
			＞-20	90％	100％
＞-15	85％	95％
			＞-10	80％	90％
＞-5	75％	85％
			＞0	70％	80％

表二 不同区域典型工况参数表

上表中区域一、区域二中关于工况典型参数值的确定主要由大数据统计所占百分比确定。以环境温度为例，假设大数据分析出环境温度大于-20℃可覆盖该区域90％的环境温度情况时，则可将该温度值认为是该区域的典型环境温度，其他典型参数值的确定，同理类推。

2)获取电池MAP图，该电池MAP图表示电池温度和电池行车放电倍率、行车回馈倍率以及直流外接充电倍率之间的关系，由于电池行车和充电过程中对电池倍率有最低需求，根据典型工况下对电池行车放电倍率和回馈倍率的要求确定行车加热下限值并设为p℃。设定行车加热上限值为q℃，q℃需要结合后续加热能耗才能确定。设定充电加热下限值为m℃、充电加热上限值为n℃，考虑到充电过程进一步提升加热温度c℃对行车加热能耗有益，因此重新设置充电过程加热上限值为(n+c)℃。电池加热下限值为行车过程或充电过程中的加热开启阈值，用于保证电池具备整车需求的基础回馈能力和外接直流充电能力；电池加热上限值为行车过程或充电过程中的加热关闭阈值，用于保证电池加热后具备一定的回馈能力和外接直流充电能力以满足具体的需求。

考虑到液体加热结束后可利用冷却液余热给电池包加热，可通过以下公式估算自循环过程中冷却液从目标水温降温至常温可给电芯带来的温升ΔT₀，在确定充电加热上限值n℃时应当考虑ΔT₀的影响，最终确定实际PTC加热停止温度为n-ΔT₀℃作为充电和行车PTC液热结束时的初设温度。其中ΔT₀可通过如下公式估算：

C_冷却液m_冷却液(t_{加热结束水温}-t_{自循环结束水温})＝KC_电芯比热m_{电芯总质量}ΔT₀

其中K为经验系数，主要受到管路、冷板与外界对流散热、冷板及管路热容温升的影响，在具体计算时可结合对应地实际液热系统进行估算，也可通过实验手段标定；C_冷却液为冷却液比热容，单位为J/(kg·℃)；m_冷却液为电池系统回路中冷却液的总质量，单位为kg，可通过计算管路内冷却液和液冷板内冷却液质量得到；t_{加热结束水温}为PTC加热停止时机组采集到的出口水温，单位为℃；t_{自循环结束水温}为水泵自循环停止时机组采集到的出口水温，单位为℃；C_电芯比热为电芯比热容，单位为J/(kg·℃)；m_{电芯总质量}为电池系统内电芯总质量，单位为kg；ΔT₀为通过PTC加热停止后通过开启水泵自循环过程可给电池带来的温升，单位为℃。

3)搭建电池热管理系统回路，电池热管理系统回路的示意图如图2所示，包括1电池及水冷板，2液体PTC，3循环水泵，4液冷机组，5膨胀水箱，6管路回路，7回水温度监测点，8出水温度监测点。模拟整车电池舱在实际场景下，对各个典型工况进行低温策略实验标定。

4)搭建系统仿真模型，通过实验标定对仿真模型中电池系统与外界环境之间的热交换进行修正对标。依次确定某一典型工况下的PTC/电加热膜加热功率和目标水温等边界参数，对可能满足需求的不同加热上限值或加热下限值开展矩阵仿真，并通过逐一排除的方式确定一组充电、一组行车的最优加热上限值和加热下限值作为最优加热策略；也可以先确定电池温度、回馈能力、加热速率、电池系统温差、和加热能耗等评价目标，通过仿真计算并比较评价目标的具体数值得出某一典型工况下的最优加热策略。

具体地，PTC加热功率通过以下式子确定：

P₀η＝(m_PC_p+m_cC_c+m_lC_l)·ΔT/t

其中ΔT/t为加热速率，单位为℃/s；m_P为电池系统回路中电池外壳及冷板总质量，单位为kg；m_c为电芯总质量，单位为kg；m_l为电池回路冷却液总质量，单位为kg；C_p为电池系统回路中电池外壳及冷板的比热容，单位为J/(kg·℃)；C_c为电芯比热容，单位为J/(kg·℃)；C_l为电池回路冷却液比热容，单位为J/(kg·℃)，η为加热器的制热性能系数。

目标水温主要影响电池起始温度较低时的加热速率和温差，通过对比不同目标水温对应的低温加热速率和电池包温差目标确定目标水温；其中电池包温差是由电芯及导热胶的温度承受能力确定，电芯及导热胶的温度承受能力可结合三维CFD仿真评估安全风险过程得到。

在确定PTC功率、目标水温后，进入策略确定阶段，对可能满足需求的加热窗口进行枚举：其中充电过程策略按照(m,n+c)℃温度区间段拟定不同的充电加热窗口，即通过改变m、n和c的大小设置相对应充电加热窗口，根据设置的充电加热窗口对电池充电过程进行仿真；行车过程策略按照(p,q)℃温度区间段拟定不同的行车加热窗口，即通过改变q值的大小设置相应的行车加热窗口，根据设置的充电加热窗口对电池行车中的放电过程及回馈过程进行仿真，其中p为确定值，也可以根据情况对p值进行调整，调整时，为避免影响车辆动力性，p值的调整幅度较小。

一般地，行车加热上限值设置越高，加热窗口越大，则单次加热时间越长，该加热区间电池的回馈能力也越强，但会造成单次加热能耗较高，再次降温至开启阈值时间延长；充电加热上限值设置越高，加热窗口越大，则单次加热时间越长，在均满足整车的回馈需求条件下，会造成单次加热能耗较高，但由于充电结束后的电池温度更高，反而有助于提升行车阶段电池起始温度。此外，行车加热窗口不宜过小，原因如下：1)用以保证加热策略不会因采温点在误差范围内跳变造成误开启；2)可有效避免水泵、加热继电器等部件的频繁开启，保证其使用寿命；3)若策略中涉及到温差修正，则窗口太小，单次加热时间过短不宜于修正目标温度和采温点真实温度之间的相互过渡。相应地，充电加热窗口不宜过大，以Tmin≥m℃开/Tmin≥(m+10)℃关为例，在电池温度处于(m+1，m+9)℃温度段将不会对电池加热，进一步对电池补电延时造成影响。

对仿真结果识别出不同加热策略对充电能力的需求，排除掉不能满足电芯充电能力的策略阈值，确保典型工况下拟定加热策略间不存在充电延时差异或在可接受范围内。

对筛选过后的加热策略进行评估，评估时可依据加热开启次数、充电加热能耗、行车加热能耗、充电和行车加热能耗综合信息确定最优策略。仿真信息实例如下表三所示：

表三仿真信息实例表

上述信息可表明，行车过程由于5开10关和5开12关同样均需要开启两次加热，选择5开10关行车能耗更优；充电过程提高充电策略对次日行车能耗降低作用微弱，基于降低行车能耗的考虑重点选择14开16关和14开18关策略；考虑14开18关在15-17℃区间无法触发加热，若启动加热后相较于14开16关策略达到最佳充电温度即加热结束温度所需的时间更长，存在充电延时差异，且单天加热总能耗最低，综合选择14开16关策略。

至此，可确定某区域(典型工况)的最优加热策略，以此类推，确定其他区域的最优策略。

5)评估最优加热策略的启停过程中是否需要进行温差修正。电芯采温点常常设置在电芯的上表面，因此采温点采集到的温度并不能完全代表电芯内部各个地方的温度。通过三维CFD仿真的手段，评估最优策略下电芯采温点与电芯内部最低温度点和最高温度点的温差，若温差大于设定阈值，则对最优加热策略进行调整。在开始加热之前，采温点温度未低于加热下限值，但电芯内部温度最低点可能已经低于加热下限值，甚至由于温度过低出现析锂现象，因此需要降低加热下限值，即电芯采温点与电芯内部最低温度点温差大于设定阈值时，需要降低加热窗口的下限值；同样地，加热过程中，采温点温度未达到加热上限值，但电芯内部温度最高点可能已经高于加热上限值，甚至温度过高导致高温安全风险，需要降低加热上限值，即电芯采温点与电芯内部最高温度点温差大于设定阈值时，需要降低加热窗口的上限值。

6)确定低温加热系统运行时的一些特殊工况，例如频繁上下电、驻车加热、夜间小倍率长时间充电、白天/夜间长期搁置等。通过仿真或实验手段针对特殊工况加热能耗增加的情况进行优化，确定特殊工况下的最优加热策略。例如，在液热电池加热系统实际使用过程中，会在正常加热结束后采用水泵自循环的方式有效利用回路内冷却液的热量，而实车驻车超过一定时间后，为节约能耗将中断加热，为避免冷却水中的热量白白浪费，此时可增加加热异常终止水泵自循环判定，用以进一步利用循环水中的热量持续供给电池包，其中自循环时长由电池管理系统根据电池温度和冷却液温度判断，若T出口-T电池min≥u℃，发送自循环指令，自循环过程中T出口-T电池min≤v℃或自循环时间达到p min电池管理系统发送关机指令。

电池管理系统实施例：

本发明还提供了一种电池管理系统，采用了与上述动力电池低温加热策略确定方法实施例相同的动力电池低温加热策略确定方法，故在此不再赘述。

车辆实施例：

本发明还提供了一种车辆，包括动力电池和电池管理系统，所述电池管理系统采用了上述电池管理系统实施例相同的电池管理系统，故在此不再赘述。

通过试验验证，本发明提出的加热策略确定方法，可以兼顾电池性能发挥和加热能耗的影响，满足整车对于电池管理系统性能精细化、合理化的需求，且现有的加热方式也能根据本发明的加热策略确定方法确定最优的加热策略。

Claims (8)

1.一种动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)确定典型工况，所述典型工况包括环境温度、充放电倍率和发车起始温度；

2)在各典型工况下，根据电池充电倍率、放电倍率及回馈倍率与温度的关系，确定行车加热下限值，假定行车加热上限值、充电加热下限值和充电加热上限值；

3)确定用于仿真计算的加热功率和目标水温；

4)进行仿真试验，建立端值为行车加热下限值和行车加热上限值的行车加热窗口，通过变化行车加热上限值得到多个不同的行车加热窗口，对各个行车加热窗口仿真计算得到多组行车仿真数据，所述行车仿真数据包括行车加热开启次数和行车加热能耗；

建立端值为充电加热下限值和充电加热上限值的充电加热窗口，通过变化充电加热下限值和充电加热上限值得到多个不同的充电加热窗口，对各个充电加热窗口仿真计算得到多组充电仿真数据，所述充电仿真数据包括充电加热开启次数和充电加热能耗；

5)根据行车加热开启次数、行车加热能耗、充电加热开启次数和充电加热能耗确定最优行车加热窗口和最优充电加热窗口，组合最优行车加热窗口和最优充电加热窗口得到各典型工况下的最优加热策略。

2.根据权利要求1所述的动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，步骤1)中所述典型工况的参数值通过大数据统计各类参数所占百分比确定。

3.根据权利要求1所述的动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，步骤5)还包括识别不同加热策略对充电能力的需求，排除掉不能满足电芯充电能力的充电加热窗口，确保设定典型工况下充电延时差异在可接受范围内。

4.根据权利要求1或3所述的动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，该方法还包括通过三维CFD仿真评估所述最优加热策略执行中电芯采温点与电芯内部区域的最低温度点之间的温差，若温差大于设定温度阈值，则对最优加热策略进行调整。

5.根据权利要求1所述的动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，步骤3)中所述加热功率P₀通过如下公式计算得到：

P₀η＝(m_PC_p+m_cC_c+m_lC_l)·ΔT/t

式中ΔT/t为加热速率，m_P为电池回路中电池外壳及冷板的总质量，C_p为电池回路中电池外壳及冷板的比热容，m_c为电芯总质量，C_c为电芯比热容，m_l为电池回路中冷却液的总质量，C_l为电池回路中冷却液的比热容，η为加热装置的制热性能系数。

6.根据权利要求1所述的动力电池低温加热策略确定方法，其特征在于，步骤3)中所述目标水温通过对比不同目标水温对应的低温加热速率和电池包温差来确定。

7.一种电池管理系统，其特征在于，采用了如权利要求1～6任一项所述的动力电池低温加热策略确定方法。

8.一种车辆，包括动力电池和电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统采用了如权利要求7所述的电池管理系统。

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