CN116882205A - 一种动力电池仿真模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种动力电池仿真模型构建方法，属于动力电池建模技术领域，该方法包括以下步骤：获取Modelica语言编写的电模型、热模型以及换热模型；根据电池模块的实际形态，将热模型离散为多个节点，并向各节点输入与其对应的传热参数，将电模型与离散节点后的热模型耦合，得到电热耦合模型，电热耦合模型用于实现在该所述电模型模拟的电学特性下，电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性的仿真，得到电池模块的产热后温度；将电热耦合模型与换热模型进行热学链接，换热模型用于实现在该产热后温度下对电池模块散热的仿真。此方法在保证模型精度的基础上简化了建模流程，无需建模人员自行搭建，普适性强。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池仿真技术领域，具体涉及一种动力电池仿真模型构建方法。
背景技术
动力电池作为新能源汽车的重要部件之一，其性能好坏直接影响新能源汽车的行驶里程。在新能源汽车仿真建模中，建立精确的动力电池模型，有利于指导前期的动力电池选型，以及后期的整车验证。
现有技术中，通常基于Amesim、Simulink等平台对动力电池进行建模，但基于Simulink平台开发需要一定的技术基础，套用十分繁琐，需要建模人员自我搭建，需要有一定的知识储备和构架建模能力，普适性差；基于Amesim/cruise平台开发不包含新型电池包以及电池包散热结构，AVL cruise平台只包含电池电模型，而不包含电池热模型，因此使用以上方法构建的动力电池仿真模型，对新型电池包的温度预测性差，支持性差。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种动力电池仿真模型构建方法，所述动力电池至少包括电池模块和换热模块，包括以下步骤：
获取Modelica语言编写的电模型、热模型以及换热模型；
根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型离散为多个节点，并向各节点输入与其对应的传热参数，所述传热参数至少包括导热率；各节点沿用所述热模型的控制方程；
将所述电模型与离散节点后的所述热模型耦合，得到电热耦合模型，所述电热耦合模型用于实现在该所述电模型模拟的电学特性下，所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性的仿真；
基于所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性，得到所述电池模块的产热后温度；
将所述电热耦合模型与所述换热模型进行热学链接，所述换热模型用于实现在该所述产热后温度下，对所述电池模块散热的仿真。
根据本发明提供的技术方案，所述电池模块包括若干个电池模组；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型离散为多个节点，至少包括以下步骤：
根据各所述电池模组之间的连接关系，将所述热模型离散为多个节点，各所述节点对应各所述电池模组之间串联或并联的位置。
根据本发明提供的技术方案，所述电池模组包括若干个单电池；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型离散为多个节点，还包括以下步骤：
根据各所述单电池之间的连接关系，将所述热模型离散为多个节点，各所述节点对应各所述单电池之间串联或并联的位置。
根据本发明提供的技术方案，根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型离散为多个节点，还包括以下步骤：
根据所述单电池的实际形态，将所述热模型离散为多个节点，各所述节点对应所述单电池的不同部位。
根据本发明提供的技术方案，所述换热模型具有若干个依次连接的流道，所述换热模型具有配置端口，所述配置端口用于设置所述流道内流动的冷却介质以及所述冷却介质散热前的相关物性参数，所述相关物性参数至少包括温度、比焓、流速、组份。
根据本发明提供的技术方案，将所述电热耦合模型与所述换热模型进行热学链接，至少包括以下步骤：
将所述电热耦合模型与各所述流道依次进行热学链接，所述配置端口用于配置起始端所述流道的输入条件，各所述流道具有输出端口，所述输出端口输出该所述流道内流动的所述冷却介质散热后的所述相关物性参数，所述冷却介质散热后的所述相关物性参数作为该所述流道的下游流道的输入条件。
根据本发明提供的技术方案，所述配置端口还用于设置所述冷却介质的流量；将所述电热耦合模型与所述换热模型进行热学链接之前，包括以下步骤：
对所述流道的换热系数进行标定，得到标定换热系数，所述标定换热系数为所述流道内流动有该所述冷却介质流量下的换热系数；所述配置端口还用于输入所述标定换热系数。
根据本发明提供的技术方案，对所述流道的换热系数进行标定，得到标定换热系数，至少包括以下步骤：
进行不同放电倍率的换热试验，获取每个所述放电倍率下每组所述冷却介质流量的换热系数；
选取不同所述放电倍率下，相同所述冷却介质流量的换热系数进行拟合，得到该所述冷却介质流量下的换热系数。
根据本发明提供的技术方案，获取Modelica语言编写的所述热模型，至少包括以下步骤：
采用Modelica语言进行代码层级的内部离散。
根据本发明提供的技术方案，获取Modelica语言编写的电模型、热模型以及换热模型，至少包括以下步骤：
采用Modelica语言分别编写所述电模型、所述热模型、所述换热模型的控制方程、以及所述换热模型的介质函数。
本发明的有益效果：本发明基于Modelica语言的非因果特性，将热模型根据电池模块的实际形态进行节点离散，每个离散的节点可以设置对应的传热参数，通过离散和/或非离散的传热特性复现电池模块在工作时更准确的产热情况以及传热情况，进而得到准确的温度变化，基于考虑了离散和/或非离散传热特性的温度变化，再利用换热模型进行散热，完成动力电池仿真模型的整体构建。
由于各节点内部无需重新建模，仍沿用热模型的控制方程结构。因此，此方法只改变不同节点传热参数的值就可实现对动力电池产热以及传热的模拟，在保证模型精度的基础上简化了建模流程，无需建模人员自行搭建，普适性强。此外，利用Modelica平台建立的换热模型由于可以包含介质函数包的优点，可以实现对换热模型中不同冷却介质的快速切换，与Amesim、Simulink等构建模型的方法相比，通过该方法构建的动力电池仿真模型，对新型电池包的温度预测性能优良，支持性强，操作灵活度高。
附图说明
图1为本发明提供的动力电池仿真模型构建方法的步骤流程图；
图2为本发明提供的电热耦合模型和换热模型进行热学链接的结构示意图；
图3为本发明提供的电热耦合模型的结构示意图；
图4为本发明提供的单电池离散节点的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、换热模型；2、热模型；3、电模型；4、电池模组；41、单电池；5、节点；6、流道；7、电热耦合模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
诚如背景技术中提到的，针对现有技术中的问题，本发明提出了一种动力电池仿真模型构建方法，所述动力电池至少包括电池模块和换热模块，请参考图1所示，包括以下步骤：
S101、获取Modelica语言编写的电模型3、热模型2以及换热模型1；
所述动力电池至少包括电池模块和换热模块，所述电池模块是工作产热的模块，请参考图3所示，具体包括电模块、产热模块以及离散结构热模块，所述换热模块可以为水冷板，所述水冷板中具有多个连通的流道6，流道6内流动有冷却液，该冷却液可以选择水也可以选择其他散热能力强的液体介质。
在实际应用中，初始的所述电模型3、所述热模型2以及所述换热模型1均可以在Modelica直接获取，所述电模型3用于实现所述电池模块电学特性的仿真，也就是模拟所述电模块，可以采用RC等效电路进行搭建，所述电学特性可以理解为所述电池模块的电参数，比如流经电池的电流、电压以及电池的内阻等，由于电可以产生热量，因此电池在工作过程中可以产生热量，产生的热量与所述电池模块的电学特性息息相关，比如流经电池的电流与电池的内阻与产热量之间的关系遵从Q=，其中Q为产热量，I为电流，R为内阻。所述热模型2用于实现所述电池模块产热特性的仿真，也就是模拟所述产热模块。
S102、根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型2离散为多个节点5，并向各节点5输入与其对应的传热参数，所述传热参数至少包括导热率；各节点5沿用所述热模型2的控制方程；
各节点5的所述导热率的输入值确定方法具体为：由于所述传热参数与电池架构相关，电池架构有差异性，因此所述传热参数不具备普适性，各个节点5输入的所述导热率既可以选择模型内置的数据库提供常用材料对应的导热率，也可以用户通过直接赋值/修改导热率，直接赋值/修改导热率时，数值的选择大多数基于实验标定参数、也可以根据文献信息。
具体地，所述电池模块在工作中产生热量后，还会涉及到其内部与外部的传热，因此将所述热模型2离散为多个节点5，没有离散节点5的位置遵从非离散传热，离散节点5的位置遵从离散传热，通过在每个节点5设置不同的导热率，表征产生的热量向外扩散的量不同，离散节点5后的所述热模型2用于实现所述电池模块的产热特性以及离散和/或非离散的传热特性的仿真，也就是模拟所述离散结构热模块。
S103、将所述电模型3与离散节点5后的所述热模型2耦合，得到电热耦合模型7，所述电热耦合模型7用于实现在该所述电模型3模拟的电学特性下，所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性的仿真；
具体地，请参考图3所示，在所述电热耦合模型7对所述电池模块的模拟仿真下，可以得到在该所述电模型3模拟的电学特性下工作的产热量（模拟电模块以及产热模块），以及各节点5离散和/或非离散的传热量（模拟离散结构热模块）。
所述电热耦合模型7模拟的产热特性以及传热特性考虑了欧姆损失、极化损失、可逆热、延迟损失以及法拉第热损失，进而得到准确的产热量。
S104、基于所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性，得到所述电池模块的产热后温度；
具体地，所述节点5之间以热传导、热对流、热辐射中的一种进行热量传递，如果将每个节点5类比成电路中的元器件，可以借用广义上的基尔霍夫定律建立热平衡方程，从而求解出每个节点5的热量分布，没有离散节点5的区域考虑为热量相同。
在该电学特性下工作得到的所述电池模块的产热量，以及各节点5离散和/或非离散的所述电池模块的传热量，共同使得所述电池模块的温度产生一定程度的升高，基于此所述电热耦合模型7输出所述产热后温度。
S105、将所述电热耦合模型7与所述换热模型1进行热学链接，所述换热模型1用于在该所述产热后温度下，实现对所述电池模块散热的仿真。
所述产热后温度会影响所述换热模型1的换热特性，将所述电热耦合模型7与所述换热模型1进行热学链接可以理解为所述电热耦合模型7输出的所述产热后温度输入至所述换热模型1，影响所述换热模型1的换热特性，所述换热模型1接收到所述产热后温度后，获取与当前所述电池模块温度适应的换热特性对其进行散热，在建立热学链接后，所述换热模型1输出电池模块的散热后温度，实现对所述电池模块散热的仿真。
该方法的工作原理：动力电池中的电池模块在一定的电参数下工作后的产热量相同，但由于电池模块的形态不同，连接关系不同等，有的位置以及连接处传热量相同，有的位置和连接处的传热量不同，相同传热量的位置可以不进行离散，对不同传热量的位置进行离散，在集散的节点5处输入导热率即可模拟该位置热量向外传导的情况，进而由所述电热偶合模型输出准确的电池模块的产热后温度，该产热后温度输入至所述换热模型1进行耦合，所述换热模型1再依据所述产热后温度对其进行散热仿真，最终输出电池模块的散热后温度，基于该动力电池仿真模型，不仅可以绘制在不同时间点下的电池产热后温度曲线，也可以绘制在不同时间点下的电池散热后温度曲线，可指导动力电池的开发研究工作。
该方法相较于现有技术采用Amesim、Simulink等平台对动力电池进行建模的方法，此方法只改变不同节点5传热参数的值就可实现对动力电池产热以及传热的模拟，在保证模型精度的基础上简化了建模流程，无需建模人员自行搭建，普适性强。此外，利用Modelica平台建立的换热模型1由于可以包含介质函数包的优点，可以实现对换热模型1中不同冷却介质的快速切换，与Amesim、Simulink等构建模型的方法相比，通过该方法构建的动力电池仿真模型，对新型电池包的温度预测性能优良，支持性强，操作灵活度高。
在一优选实施例中，所述电池模块包括若干个电池模组4；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型2离散为多个节点5，至少包括以下步骤：
根据各所述电池模组4之间的连接关系，将所述热模型2离散为多个节点5，各所述节点5对应各所述电池模组4之间串联或并联的位置。
请参考图2所示，所述电池模块包括若干个电池模组4，各所述电池模组4之间可以选择串联也可以选择并联的连接方式以形成所述电池模块，因此在离散节点5前，先观察需模拟的所述电池模块的内部各电池模组4之间的连接关系，再根据各连接关系在连接位置离散节点5、并设置各节点5的导热率，具体地，在串联的位置离散串联传热节点5，在并联的位置离散并联传热节点5。串联传热节点5和并联传热节点5的导热率设置数值不同，对于导热率设置数值的获取上文已提及，不再赘述。
在一优选实施例中，所述电池模组4包括若干个单电池41；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型2离散为多个节点5，还包括以下步骤：
根据各所述单电池41之间的连接关系，将所述热模型2离散为多个节点5，各所述节点5对应各所述单电池41之间串联或并联的位置。
请参考图2所示，图2中的电池模组4也可以替换为所述单电池41，各所述单电池41之间，以及各所述电池模组4之间的串联或者并联的连接位置的节点5离散方式相同，在串联的位置离散串联传热节点5，在并联的位置离散并联传热节点5，并联传热节点5设置并联方向的导热率，串联传热节点5设置正极导热率和负极导热率。
在各所述单电池41之间，以及各所述电池模组4之间的串联或者并联的连接位置离散节点5的方式可以表征所述电池模块的热不均匀性，更真实地模拟所述动力电池在工作时的热量情况，进而得到更准确的所述产热后温度。
在一优选实施例中，根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型2离散为多个节点5，还包括以下步骤：
根据所述单电池41的实际形态，将所述热模型2离散为多个节点5，各所述节点5对应所述单电池41的不同部位。
具体地，实际形态可以理解为所述单电池41的形状或者所述整个电池模块的形状，下面给出一种具体的实施方式，根据所述单电池41的实际形状，可以将所述单电池41等效为规则的长方体，下面以长方体的所述单电池41为例，请参考图4所示：
考虑到长方体的6个面朝6个方向传热，对6个面分别离散为各个面上的节点5，每个节点5对应所述单电池41的一个面，在每个节点5进行所述导热率设置，表征每个面的传热情况。
该离散节点5的方式可以模拟每个所述单电池41向外传热的情况，对每个部位设置对应的所述导热率，可得到向外不同方向的传热量，考虑向外传热的情况可以提升最终得到的所述产热后温度的准确性。
在一优选实施例中，所述换热模型1具有若干个依次连接的流道6，所述换热模型1具有配置端口，所述配置端口用于设置所述流道6内流动的冷却介质以及所述冷却介质散热前的相关物性参数，所述相关物性参数至少包括温度、比焓、流速、组份。
在一优选实施例中，获取Modelica语言编写的电模型3、热模型2以及换热模型1，至少包括以下步骤：
采用Modelica语言分别编写所述电模型3、所述热模型2、所述换热模型1的控制方程、以及所述换热模型1的介质函数。
具体地，各节点5的所述控制方程与其本体的控制方程均相同，无需额外的工作量。
具体地，所述配置端口可以依据待模拟的动力电池的结构，选择所述流道6内流动的冷却介质，以及所述冷却介质的初始状态下的相关物性参数，所述相关物性参数与换热性能相关。
在实际应用中，Modelica的所述换热模型1内存有介质函数包。该介质基于modelcia语言编写，可以表征流体的各种通用物性。介质函数包可以基于压力、温度、组份（一个或多个）计算常见物性，如密度、比焓、动力粘度、导热率、比热容、相变程度、露点、沸点、饱和压力、饱和温度、潜热等。计算出的结果传至所述配置端口即可。
在一优选实施例中，将所述电热耦合模型7与所述换热模型1进行热学链接，至少包括以下步骤：
将所述电热耦合模型7与各所述流道6依次进行热学链接，所述配置端口用于配置起始端所述流道6的输入条件，各所述流道6具有输出端口，所述输出端口输出该所述流道6内流动的所述冷却介质散热后的所述相关物性参数，所述冷却介质散热后的所述相关物性参数作为该所述流道6的下游流道6的输入条件。
具体地，将所述电热耦合模型7与各所述流道6依次进行热学链接可以理解为将所述产热后温度以热源形式传递给各流道6，各流道6可以直接调用介质函数包进行散热的仿真。
各个流道6与其连接的上游流道6和下游流道6相关性大，上游流道6内的所述冷却介质对热源进行散热后流动至其下游的流道6，再与所述下游流道6内的冷却介质一起再向下流，因此所述冷却介质散热后的所述相关物性参数作为该所述流道6的下游流道6的输入条件考虑到了各所述流道6散热的关联性，提高模拟真实度。
在一优选实施例中，所述配置端口还用于设置所述冷却介质的流量；将所述电热耦合模型7与所述换热模型1进行热学链接之前，包括以下步骤：
对所述流道6的换热系数进行标定，得到标定换热系数，所述标定换热系数为所述流道6内流动有该所述冷却介质流量下的换热系数；所述配置端口还用于输入所述标定换热系数。
所述换热系数表征所述换热模型1的换热特性，原本流道6的换热系数即为其内未有流体流动时自身的换热系数，当其内具有冷却介质流动时，流量的大小会影换热系数，此时需要依据流道6内所述冷却介质的流量进行换热系数标定，得到准确的所述标定换热系数，提高换热过程的模拟准确度。
在一优选实施例中，对所述流道6的换热系数进行标定，得到标定换热系数，至少包括以下步骤：
进行不同放电倍率的换热试验，获取每个所述放电倍率下每组所述冷却介质流量的换热系数；
选取不同所述放电倍率下，相同所述冷却介质流量的换热系数进行拟合，得到该所述冷却介质流量下的换热系数。
通过选取不同所述放电倍率下，相同所述冷却介质流量的换热系数可以选择一元二次方程的方法进行拟合，也可以选择计算权重的方法进行拟合，最终得到拟合公式，使用该拟合公式，在以后实验中可以得到任意所述冷却介质流量下的换热系数。
得到标定换热系数后，所述换热模型1基于公式（1）进行散热后温度的计算：
公式（1）
其中，表示电池模块的平均密度，/>表示电池模块的平均比热容，T表示电池模块的散热后温度，t表示散热时间，/>表示电池模块的产热速率，与产热量以及传热量有关，表征产热后温度的变化情况，/>表示换热模块的散热速率，与标定换热系数有关。
在一优选实施例中，获取Modelica语言编写的所述热模型2，至少包括以下步骤：
采用Modelica语言进行代码层级的内部离散。
采用Modelica语言进行代码层级的内部离散，可以与模型中的节点5离散共同模拟离散的传热特性。
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。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种动力电池仿真模型构建方法，所述动力电池至少包括电池模块和换热模块，其特征在于，包括以下步骤：
获取Modelica语言编写的电模型（3）、热模型（2）以及换热模型（1）；
根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），并向各节点（5）输入与其对应的传热参数，所述传热参数至少包括导热率；各节点（5）沿用所述热模型（2）的控制方程；
将所述电模型（3）与离散节点（5）后的所述热模型（2）耦合，得到电热耦合模型（7），所述电热耦合模型（7）用于实现在该所述电模型（3）模拟的电学特性下，所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性的仿真；
基于所述电池模块产热特性，以及离散和/或非离散的传热特性，得到所述电池模块的产热后温度；
将所述电热耦合模型（7）与所述换热模型（1）进行热学链接，所述换热模型（1）用于实现在该所述产热后温度下，对所述电池模块散热的仿真。
2.根据权利要求1所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：所述电池模块包括若干个电池模组（4）；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），至少包括以下步骤：
根据各所述电池模组（4）之间的连接关系，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），各所述节点（5）对应各所述电池模组（4）之间串联或并联的位置。
3.根据权利要求2所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：所述电池模组（4）包括若干个单电池（41）；根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），还包括以下步骤：
根据各所述单电池（41）之间的连接关系，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），各所述节点（5）对应各所述单电池（41）之间串联或并联的位置。
4.根据权利要求3所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：根据所述电池模块的实际形态，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），还包括以下步骤：
根据所述单电池（41）的实际形态，将所述热模型（2）离散为多个节点（5），各所述节点（5）对应所述单电池（41）的不同部位。
5.根据权利要求1所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：所述换热模型（1）具有若干个依次连接的流道（6），所述换热模型（1）具有配置端口，所述配置端口用于设置所述流道（6）内流动的冷却介质以及所述冷却介质散热前的相关物性参数，所述相关物性参数至少包括温度、比焓、流速、组份。
6.根据权利要求5所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：将所述电热耦合模型（7）与所述换热模型（1）进行热学链接，至少包括以下步骤：
将所述电热耦合模型（7）与各所述流道（6）依次进行热学链接，所述配置端口用于配置起始端所述流道（6）的输入条件，各所述流道（6）具有输出端口，所述输出端口输出该所述流道（6）内流动的所述冷却介质散热后的所述相关物性参数，所述冷却介质散热后的所述相关物性参数作为该所述流道（6）的下游流道（6）的输入条件。
7.根据权利要求6所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：所述配置端口还用于设置所述冷却介质的流量；将所述电热耦合模型（7）与所述换热模型（1）进行热学链接之前，包括以下步骤：
对所述流道（6）的换热系数进行标定，得到标定换热系数，所述标定换热系数为所述流道（6）内流动有该所述冷却介质流量下的换热系数；所述配置端口还用于输入所述标定换热系数。
8.根据权利要求7所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：对所述流道（6）的换热系数进行标定，得到标定换热系数，至少包括以下步骤：
进行不同放电倍率的换热试验，获取每个所述放电倍率下每组所述冷却介质流量的换热系数；
选取不同所述放电倍率下，相同所述冷却介质流量的换热系数进行拟合，得到该所述冷却介质流量下的换热系数。
9.根据权利要求1所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：获取Modelica语言编写的所述热模型（2），至少包括以下步骤：
采用Modelica语言进行代码层级的内部离散。
10.根据权利要求1所述的动力电池仿真模型构建方法，其特征在于：获取Modelica语言编写的电模型（3）、热模型（2）以及换热模型（1），至少包括以下步骤：
采用Modelica语言分别编写所述电模型（3）、所述热模型（2）、所述换热模型（1）的控制方程、以及所述换热模型（1）的介质函数。
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