一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略技术方案

本发明专利技术公开了一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略，包括如下步骤：根据能量守恒及电池散热方程，推导出t时刻温度Tt的递推公式；根据锂离子电池单体二阶等效电路模型建立状态空间方程；在状态空间方程的基础上，运用DEKF算法估计若干锂离子电池单体在t‑1时刻的内阻；将得到的内阻带入递推公式，得到若干锂离子电池单体于t时刻温度Tt，并进行排序，与预设值比较，根据不同比较结果改变对锂离子电池系统的相应冷却强度，该策略能够改善温度控制迟滞性从而避免锂离子电池系统对流换热过程中工作温度超过正常范围及过度冷却。

A temperature control strategy for convective heat transfer in lithium-ion battery system

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略
本专利技术涉及锂离子电池系统温度管理领域，涉及一种控制策略，特别适用于冷却方式为风冷或液冷的电动汽车的电池的温度控制，具体地讲，涉及一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略。
技术介绍
近年来，各国对于节能环保越来越重视，电动汽车因其清洁高效的特点逐渐成为替代传统内燃机汽车的首选，作为电动汽车的动力来源，动力锂离子电池直接影响着电动汽车的性能和行驶里程。温度对动力电池的性能，安全性和寿命有重要影响。如果锂离子电池长时间在高温环境下工作，不仅电池的充放电效率会大大降低，而且电池寿命也会明显缩短，严重时可能会危及人身安全。与此同时锂离子电池运行需要适宜的温度，过度冷却不仅影响电池的正常运行，还会增加能耗。目前散热系统主要根据电池表面的温度传感器反馈，具有一定的迟滞性。因此，如何提供一种能够改善温度控制迟滞性进而避免锂离子电池系统工作温度超过正常范围时可能影响性能与安全的锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略便成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。
技术实现思路
为了能够改善温度控制迟滞性进而避免锂离子电池系统工作温度超过正常范围时可能影响电池性能与安全，本专利技术提出了一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略。包括如下步骤：步骤1：根据能量守恒及电池散热方程，推导出t时刻锂离子电池系统中若干锂离子电池单体的温度Tt的递推公式，如下：步骤1.1：锂离子电池单体的生热、散热过程是一个典型的有时变内热源的非稳态导热过程，其能量守恒方程为：式中，mP为锂离子电池单体的质量，cp为锂离子电池单体的比热容，Tt为t时刻锂离子电池单体的温度，为t时刻锂离子电池单体生热功率，为t时刻锂离子电池单体散热功率；步骤1.2：不考虑热辐射及相变产热，锂离子电池单体生热功率的方程为：式中，It为t时刻锂离子电池单体工作电流，Rt为t时刻锂离子电池单体总内阻，为温度影响系数；步骤1.3：锂离子电池单体散热方式为对流换热，锂离子电池单体散热功率的方程为：式中，h为锂离子电池单体与流体换热系数，A为锂离子电池单体散热面积,Ta,t为t时刻的环境温度；步骤1.4：联立公式(1)、公式(2)与公式(3)，用t-1时刻估计t时刻，得到t时刻温度Tt的递推公式，如下：式中，It-1为t-1时刻锂离子电池单体工作电流，Rt-1为t-1时刻锂离子电池单体总内阻，Ta,t-1为t-1时刻环境温度；步骤2：根据锂离子电池单体二阶等效电路模型建立状态空间方程，如下：步骤2.1：锂离子电池单体二阶等效电路模型有如下方程：t时刻锂离子电池单体总内阻方程为：式中，和为锂离子电池单体极化电压，R0为锂离子电池单体欧姆内阻，R1和R2为锂离子电池单体极化内阻，C1和C2为锂离子电池单体极化电容，I为锂离子电池单体工作电流，Vocv为锂离子电池单体的开路电压，U为锂离子电池单体端电压；步骤2.2：采样周期为τ，τ为t-1时刻与t时刻的时间间隔，对公式(5)进行离散化处理，可得状态空间方程，如下：式中，状态向量ut-1为t-1时刻的输入向量，ut-1＝It-1，yt-1为t-1时刻的输出向量，yt-1＝Ut-1，t和t-1分别表示t时刻和t-1时刻，wt-1和vt-1分别代表过程t-1时刻的噪声和测量噪声，wt-1和vt-1的协方差分别为Qw和Qv，Qw＝E(w×wT)，Qv＝E(v×vT)，步骤2.3：设参数向量θ＝[R0C1R1C2R2Vocv]T，描述该参数的动态特性的方程如下：式中，采用一个随机的微小向量rt-1来描述参数θ的时变特性，et-1为估计误差，rt-1和et-1的协方差分别为Qr和Qe,Qr＝E(r×rT)Qe＝E(e×eT)，t和t-1分别表示t时刻和t-1时刻；步骤3：在状态空间方程的基础上，运用DEKF算法分别估计若干锂离子电池单体在t-1时刻的总内阻Rt-1；步骤4：将步骤3中得到的若干锂离子电池单体总内阻Rt-1分别带入递推公式(4)中，得到t时刻若干锂离子电池单体的温度Tt，与所给定的预设值比较并根据不同比较结果来调整电池冷却系统的冷却强度。作为优选，所述步骤3如下：步骤3.1：初始化，设定初始状态向量x0|0、初始参数向量θ0|0以及过程噪声的协方差Qw、测量噪声的协方差Qv、参数向量的协方差Qr和估计误差的协方差Qe的初值；步骤3.2：根据状态向量xt-1、过程噪声的协方差Qw、测量噪声的协方差Qv获得状态向量x在t时刻的先验估计xt|t-1：xt|t-1＝At-1xt-1|t-1+Bt-1ut-1(9)式中，xt-1|t-1为t-1时刻x的后验估计；步骤3.3：根据获得的先验估计确定过程噪声的协方差Qw在t时刻的先验误差协方差Pt|t-1：Pt|t-1＝At-1Pt-1|t-1At-1T+Qw(10)式中，Pt-1|t-1为t-1时刻的后验误差协方差；步骤3.4：根据获得的先验误差协方差Pt|t-1获得卡尔曼增益Kt：式中，为的转置矩阵，步骤3.5：根据先验估计xt|t-1和获得的卡尔曼增益Kt，确定状态向量xt在t时刻的后验估计xt|t：步骤3.6：根据获得的后验估计xt|t更新过程噪声的协方差Qw在t时刻的后验误差协方差Pt|t为：式中，E为单位矩阵；步骤3.7：获取参数向量θ在t时刻的先验估计θt|t-1：θt|t-1＝θt-1|t-1(14)式中，下标为t-1|t-1表示为t-1时刻θ的后验估计；步骤3.8：根据获得的先验估计确定参数向量的协方差Qr在t时刻的先验误差协方差式中，下标为t-1|t-1表示为t-1时刻后验误差协方差；步骤3.9：根据获得参数卡尔曼增益步骤3.10：根据先验估计θt|t-1和获得的卡尔曼增益确定状态向量θt在t时刻的后验估计θt|t：步骤3.11：根据获得的后验估计θt|t更新参数向量的协方差Qr在t时刻的后验误差协方差为：步骤3.12：判断t时刻是否等于N时刻，所述N时刻是需要得知锂离子电池单体的温度的时刻，若是，则根据步骤3.2到步骤3.11来获得t-1时刻的后验估计xt-1与后验估计θt-1，并结合公式(6)，获得锂离子电池单体在t-1时刻的锂离子电池单体总内阻Rt-1。作为优选，所述步骤4中，将得到的t时刻的若干锂离子电池单体的温度Tt进行排序，选取若干锂离子电池单体温度中的锂离子电池单体的温度最大值Tt,max、锂离子电池单体的温度最小值Tt,min和锂离子电池单体的温度中值Tt,mid，所给定的预设值为Tpreset1和Tpreset2，其中Tpreset1<Tpreset2，若Tt,max<Tpreset1，则所述电池冷却系统不工作，若Tpreset1≤Tt,mid<Tt,max≤Tpreset2，则所述电池冷却系统处于低速工作，若Tpreset1≤Tt,mid≤Tpreset2<Tt,max，则所述电池冷却系统处于中速工作状态，若Tt,min>Tpreset2，则所述电池冷却系统处于高速工作。作为优选，所述τ为0.03s。作为优选，所述步骤1.2中的温度影响系数的获取方法如下：锂离子电池单体的含电容量从0到100％，以10％为步长，测量不同温度T下锂离子电池单体含电容量对应的开路电压Vocv本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据能量守恒及电池散热方程，推导出t时刻锂离子电池系统中若干锂离子电池单体的温度Tt的递推公式，如下：步骤1.1：锂离子电池单体的生热、散热过程是一个典型的有时变内热源的非稳态导热过程，其能量守恒方程为：

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池系统对流换热过程的温度控制策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据能量守恒及电池散热方程，推导出t时刻锂离子电池系统中若干锂离子电池单体的温度Tt的递推公式，如下：步骤1.1：锂离子电池单体的生热、散热过程是一个典型的有时变内热源的非稳态导热过程，其能量守恒方程为：式中，mP为锂离子电池单体的质量，cp为锂离子电池单体的比热容，Tt为t时刻锂离子电池单体的温度，为t时刻锂离子电池单体生热功率，为t时刻锂离子电池单体散热功率；步骤1.2：不考虑热辐射及相变产热，锂离子电池单体生热功率的方程为：式中，It为t时刻锂离子电池单体工作电流，Rt为t时刻锂离子电池单体总内阻，为温度影响系数；步骤1.3：锂离子电池单体散热方式为对流换热，锂离子电池单体散热功率的方程为：式中，h为锂离子电池单体与流体换热系数，A为锂离子电池单体散热面积，Ta，t为t时刻的环境温度；步骤1.4：联立公式(1)、公式(2)与公式(3)，用t-1时刻估计t时刻，得到t时刻温度Tt的递推公式，如下：式中，It-1为t-1时刻锂离子电池单体工作电流，Rt-1为t-1时刻锂离子电池单体总内阻，Ta，t-1为t-1时刻环境温度；步骤2：根据锂离子电池单体二阶等效电路模型建立状态空间方程，如下：步骤2.1：锂离子电池单体二阶等效电路模型有如下方程：t时刻锂离子电池单体总内阻方程为：式中，和为锂离子电池单体极化电压，R0为锂离子电池单体欧姆内阻，R1和R2为锂离子电池单体极化内阻，C1和C2为锂离子电池单体极化电容，I为锂离子电池单体工作电流，Vocv为锂离子电池单体的开路电压，U为锂离子电池单体端电压；步骤2.2：采样周期为τ，τ为t-1时刻与t时刻的时间间隔，对公式(5)进行离散化处理，可得状态空间方程，如下：式中，状态向量ut-1为t-1时刻的输入向量，ut-1＝It-1，yt-1为t-1时刻的输出向量，yt-1＝ut-1，t和t-1分别表示t时刻和t-1时刻，wt-1和vt-1分别代表过程t-1时刻的噪声和测量噪声，wt-1和vt-1的协方差分别为Qw和Qv，Qw＝E(w×wT)，Qv＝E(v×vT)，步骤2.3：设参数向量θ＝[R0C1R1C2R2Vocv]T，描述该参数的动态特性的方程如下：式中，采用一个随机的微小向量rt-1来描述参数θ的时变特性，et-1为估计误差，rt-1和et-1的协方差分别为Qr和Qe，Qr＝E(r×rT)Qe＝E(e×eT)，t和t-1分别表示t时刻和t-1时刻；步骤3：在状态空间方程的基础上，运用DEKF算法分别估计若干锂离子电池单体在t-1时刻的总内阻Rt-1；步骤4：将步骤3中得到的若干锂离子电池单体总内阻Rt-1分别带入递推公式(4)中，得到t时刻若干锂离子电池单体的温度Tt，与所给定的预设值比较并根据不同比较结果来调整电池冷却系统的冷却强度。2.根据权利要求1所述的温度控制策略，其特征在于，所述步骤3如下：步骤3.1：初始化，设定初始状态向量x0|0、初始参数向量θ0|0以及过程噪声的协方差Qw、测量噪声的协方差Qv、参数向量的协方差Qr和估计误差的协方差Qe的初值；步骤3.2：根据状态向量xt-1、过程噪声的协方差Qw、测量噪声的协方差Qv获得状态向量x在t时刻的先验估计xt|t-1：xt|t-1＝At-1xt-1|t-1+Bt-1ut-1(9)式中，xt-1|t-1为t-1时刻x的后验估计；步骤3.3：根据获得的先验估计确定过程噪声的协方差Qw在t时刻的先验误差协方差Pt|t-1：Pt|t-1＝At-1Pt-1|t-1At-1T+Qw(10)式中，Pt-l|t-1为t-1时刻的后验误差协方差；步骤3.4：根据获得的先验误差协方差Pt|...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨世春，华旸，范智伟，周新岸，周思达，闫啸宇，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11