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基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法技术

技术编号:13882879 阅读:84 留言:0更新日期:2016-10-23 15:00
一种基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法,属于电池技术领域。本发明专利技术的目的是考虑了电池内阻和换热系数时变的情况,保证了模型精度,降低了模型求解难度的基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法。本发明专利技术根据锂离子电池组的能量守恒方程通过对25℃到45℃温度范围内的电池内阻数据进行拟合,得到电池内阻与电池温度的一次函数关系式,最终获得单体锂离子电池的热模型。本发明专利技术克服现有电池组热模型无法求得解析解、模型精度低、待求解变量多的缺点。考虑了电池内阻和换热系数时变的情况,并能够求得电池组温度的解析解,保证了模型精度,降低了模型求解难度,减少了待求解变量,为实现在线估计锂离子电池组的温度提供了理论基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电动汽车动力电池热管理

技术介绍
在电动汽车行驶过程中,动力电池组持续放电,尤其是在加速、爬坡等工况下会频繁地大电流放电。放电过程中,电池组内部会发生电化学反应而快速生热、温度急剧升高,过高的温度会导致电池寿命和容量下降,甚至会造成电池组燃烧。因此设计有效的电池热管理系统对电池组进行散热和温度控制,对电动汽车高效稳定地行驶有重要意义。目前电动汽车电池热管理系统普遍采用风冷散热方式,与其它冷却方式相比,风冷散热方式具有结构简单、占用空间小、散热效果好、功耗低、便于维护等优点。锂离子电池热模型是研究其内部温度场分布和温度控制的基础,是电池热管理系统设计的前提。现有的锂离子电池的热模型,按照建模原理可分为电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型;按模型维度可分为集中质量热模型、一维热模型、二维热模型和三维热模型等。电化学−热耦合模型是从电化学反应生热的角度描述电池热模型,主要用于研究电池在正常工作状态下的温度变化情况。该模型一般假设电池内电流密度的分布是均匀的,这种假设在仿真小型电池的时候,可以保证模型的精度,但是在仿真大型电池时,会出现较大的模型误差。电-热耦合模型是结合电池单体内部的电流密度分布情况,研究电池单体温度场分布的模型。建立电-热耦合模型之前,需要得到准确的电池内部电场模型。电-热耦合模型对锂离子电池温度场模拟的精确度比其它模型要高。热滥用模型是考虑在高温情况下,电池内部进行的生热反应,预测电池在高温情况下何时到达热失控点,或者发生热失控后电池状态的变化。热滥用模型是研究锂离子电池安全性的重要工具。一维热模型、二维热模型和三维热模型考虑到电池内部生热不均匀,对电池的温度分布情况进行建模。该类模型需要借助FLUENT、COMSOL等仿真分析软件进行求解,计算量大、计算方法复杂,求解时间长。集中质量热模型假设在单体电池内部各区域电流密度一致,生热均匀,模型计算简单,工程化实现的可能性高。目前已有的锂离子电池集中质量热模型忽略了电池内阻受温度变化对电池生热造成的影响,以及电池的散热能力会受到环境因素的影响,模型精度低。现有的基于风冷散热方式的锂离子电池组集中质量热模型,为得到电池组的最高温度和最大温差,需要测量或求解电池组冷却通道内各位置的空气流体温度,建立所有电池的热模型并进行求解,计算量大、计算过程复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的是考虑了电池内阻和换热系数时变的情况,保证了模型精度,降低了模型求解难度的基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法。本专利技术单体锂离子电池的热模型:根据锂离子电池组的能量守恒方程通过对25℃到45℃温度范围内的电池内阻数据进行拟合,得到电池内阻与电池温度的一次函数关系式,即: (4)其中,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的一次项系数,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的常数项;将公式(4)代入Bernardi电池生热速率模型中,得: (5)根据牛顿冷却定律,单位时间内动力面积散失的热量与温度差成正比,即: (6)其中,为电池与空气流体的换热系数;为单体电池散热面积;为电池组冷却通道内,两行单体电池间隙内的空气流体温度;电池与空气流体的换热系数为: (7)其中,为空气导热系数;为努塞尔特数;当风速在0.5m/s~10m/s范围内时,雷诺数Re范围是3264.8~65295,此时为: (8) (9)其中,为入口处空气流体的普朗特数;为靠近电池表面的空气流体的普朗特数;为雷诺数;为空气粘度;为整个通道内的最大风速,即 (10)将公式(8)~(10)代入公式(7),得: (11)令 (12)。本专利技术电池组中某行首尾两个单体电池传递给空气的热量:根据公式(6)、公式(11)和公式(12)得到第1号和第n号电池在单位时间内传递给空气的热量分别为: (13) (14)其中,和分别为第1号和第n号电池在单位时间内传递给空气流体的热量;和分别为第1号和第n号电池的温度;和分别为电池组冷却通道内第1号和第n号单体电池附近的空气流体温度;设近似等于入口处空气温度,为已知量;由能量守恒定律可知,空气流体从入口到出口吸收的总热量等于从各个电池处得到的热量之和,即: (15)空气流体从入口到出口吸收的热量与自身温度变化成正比,即: (16)由公式(6)、公式(11)和公式(12)得,单位时间内空气流体从各个电池处得到的热量之和为: (17)其中,分别为第1号到第n号电池在单位时间内传递给空气流体的热量;,……,分别为第1号到第n号电池的温度;,,……,分别为电池组冷却通道内第1号到第n号单体电池附近的空气流体温度;在电池组冷却通道内,各单体电池附近的空气流体温度沿着流体运动方向的变化近似为等幅递增,得 (18)将每行电池的温度沿着空气流体运动方向的变化近似为等幅递增,得 (19)将公式(16)~(19)代入公式(15)得: (20)将公式(20)代入公式(14),得: (21)。根据单位时间内电池的生热量、电池传递给空气的热量,以及电池的能量守恒方程,建立电池组的热模型由公式(5)得,单位时间内第1号电池和第n号电池的生热量分别为: (22) (23)将公式(2)、公式(13)和公式(22)代入公式(1),得到第1号电池的热力学方程为: (24)将公式(2)、公式(21)和公式(23)代入公式(1),得到第n号电池的热力学方程为: (25)其中: (26) (27) (28)。本专利技术克服现有电池组热模型无法求得解析解、模型精度低、待求解变量多的缺点。考虑了电池内阻和换热系数时变的情况,并能够求得电池组温度的解析解,保证了模型精度,降低了模型求解难度,减少了待求解变量,为实现在线估计锂离子电池组的温度提供了理论基础。有益效果是:(1)本专利技术建立的电池组热模型为参数时变的微分方程组,可直接求得各个时刻电池温度的解析解,计算简单,可用于电池组温度的在线估计;(2)考虑了电池内阻随电池温度的变化和换热系数随风速的变化情况,提高了模型精度;(3)本专利技术建立的电池组热模型,不需要测量冷却通道内各电池附近的空气流体温度,省去了温度检测和信号处理设备,节约了测量成本。附图说明图1为风冷散热方式圆柱形锂离子电池组热模型建模流程图;图2为磷酸铁锂电池的内阻随电池温度变化的特性曲线;图3为电池组排列结构示意图;图4为一行各电池的温度和各电池附近空气流体的温度示意图;图5为相邻电池温差柱状图;图6为单体电池附近的空气流体温差柱状图;图7为换热系数与风速关系曲线;图8为4C恒流放电时电池组温度范围对比图;图9为4C恒流放电时电池组热模型误差曲线;图10为换热系数取定值时的电池组温度范围对比图;图11为换热系数取定值时的电池组热模型误差曲线。具体实施方式本专利技术包括(1)电池组中所有单体电池通用的公式;(2)在电池组中所有单体电池通用的公式基础上得到的电池组中某行第一个和最后一个单体电池的公式;(3)由某行第一个和最后本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法,其特征在于:其单体锂离子电池的热模型:根据锂离子电池组的能量守恒方程通过对25℃到45℃温度范围内的电池内阻数据进行拟合,得到电池内阻与电池温度的一次函数关系式,即:(4)其中,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的一次项系数,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的常数项;将公式(4)代入Bernardi电池生热速率模型中,得:(5)根据牛顿冷却定律,单位时间内动力电池散失的热量与温度差成正比,即:(6)其中,为电池与空气流体的换热系数;为单体电池散热面积;为电池组冷却通道内,两行单体电池间隙内的空气流体温度;电池与空气流体的换热系数为:(7)其中,为空气导热系数;为努塞尔特数;当风速在0.5m/s~10m/s范围内时,雷诺数Re范围是3264.8~65295,此时为:(8)(9)其中,为入口处空气流体的普朗特数;为靠近电池表面的空气流体的普朗特数;为雷诺数;为空气粘度;为整个通道内的最大风速,即(10)将公式(8)~(10)代入公式(7),得:(11)令(12)。

【技术特征摘要】
1.一种基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法,其特征在于:其单体锂离子电池的热模型:根据锂离子电池组的能量守恒方程通过对25℃到45℃温度范围内的电池内阻数据进行拟合,得到电池内阻与电池温度的一次函数关系式,即: (4)其中,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的一次项系数,为电池内阻与电池温度一次函数关系式的常数项;将公式(4)代入Bernardi电池生热速率模型中,得:(5)根据牛顿冷却定律,单位时间内动力电池散失的热量与温度差成正比,即: (6)其中,为电池与空气流体的换热系数;为单体电池散热面积;为电池组冷却通道内,两行单体电池间隙内的空气流体温度;电池与空气流体的换热系数为: (7)其中,为空气导热系数;为努塞尔特数;当风速在0.5m/s~10m/s范围内时,雷诺数Re范围是3264.8~65295,此时为: (8) (9)其中,为入口处空气流体的普朗特数;为靠近电池表面的空气流体的普朗特数;为雷诺数;为空气粘度;为整个通道内的最大风速,即 (10)将公式(8)~(10)代入公式(7),得: (11)令 (12)。2.根据权利要求1所述的基于风冷散热方式的锂离子电池组的热模型建模方法,其特征在于:电池组中某行首尾两个单体电池传递给空气的热量:根据公式(6)、公式(11)和公式(12)得到第1号和第n号电池在单位时间内传递给空气的热量分别为: (13) (14)其中,和分别为第1号和第n号电池在单位时间内传递给空气流体的热量;和分别为第1号和第n号电池的温度;和分别为电池组冷却通道内...

【专利技术属性】
技术研发人员:马彦茹敬佩李炳思赵海艳王留孙延帅王君李光远谢永强鲁超陈虹
申请(专利权)人:吉林大学
类型:发明
国别省市:吉林;22

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