一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法技术

本发明专利技术提出一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法，属于电池技术领域。该方法首先利用加热片粘接两块同样的电池样品。对电池样品建立有量纲的传热模型并无量纲化；在两块电池样品与加热片的非接触面分别设置若干热电偶；确定加热时间后，对加热片进行加热，得到两块电池样品上每个热电偶所在位置点分别对应的电池温度曲线并用于优化无量纲传热模型，最终得到电池样品的热参数辨识结果。本发明专利技术在保证辨识精度下快速辨识电池热参数，提高辨识效率。

An identification method of thermal parameters of battery based on dimensionless model

【技术实现步骤摘要】
一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法
本专利技术属于电池
，具体涉及一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法。
技术介绍
锂离子电池是强热电化学耦合体系，电池温度将极大地影响其电化学性能。而电池传热模型可用于分析单体电池热特性，有助于分析研究锂离子电池热相关领域问题。仿真模型的精度及效率是模型用于分析问题的关键。对于锂离子电池热相关领域，传热模型精度的一个重要影响因素就是电池热参数辨识的准确性。热物性参数辨识方法主要分为理论和实验手段：理论上，通过已知组分热参数数值以及比例的物质计算确定电池热参数；实验上，通过具体实验测量热参数，如量热仪测量比热容，通过模型和实验相结合，得到导热系数等热参数。但是，通过已知组分热参数数值及比例计算电池热参数，该方法精度难以保证。在目前已有的电池热参数辨识技术中，中国专利(申请公布号：CN108681619A，申请公布日：2018.04.03)公开了一种方形软包锂离子电池热参数辨识方法，并具体公开了以下内容：用于热参数辨识的两次实验实施方案及传热模型的应用。其中实验流程如下：将方形加热片置于两块同种型号的方形软包锂离子电池中间,将方形加热片和两块方形软包锂离子电池置于绝热环境下,使方形软包锂离子电池内部沿厚度方向进行传热；由此根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池的温度随加热时间变化关系,获得比热容；再根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池沿厚度方向进行传热的过程,获得纵向导热系数；再用圆形加热片替换方形加热片,根据由比热容构建的传热模型获得横向导热系数。从而得到方形软包锂离子电池热物性参数。进行两次实验，且通过有量纲传热模型仿真计算，整个参数辨识过程复杂，耗时长，效率不高，且两次实验可能引入较大测量误差。对于锂离子电池热参数辨识相关领域问题，传统的有量纲传热模型参数多，需计算案例个数多，效率低下，而上述已有技术方案给出的解决办法需通过两次实验分段获得电池热参数，其流程长，耗时长，且容易引入更多误差，导致精度下降，因而需要一种方法将相同性质的案例划分成一个集合，在确保电池热参数辨识精度下，提高分析问题、辨识电池热参数的效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法。本专利技术在保证辨识精度下快速辨识电池热参数，提高辨识效率。本专利技术提出一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选定待进行参数辨识的电池样品A，再获取一块与A同型号的电池样品B，选取一块圆形加热片，所述加热片半径与电池样品半宽度之比c≤0.1；将电池样品A和B相对放置，通过导电胶将加热片两面分别与电池样品A和B两个相对面的几何中心粘接；2)对电池样品A建立有量纲的传热模型；表达式如下：式中，r、z分别代表传热模型的展向和法向两个方向；ρ为样品A的电芯密度，P(t)为加热片在t时刻的瞬态功率，q(r,z)是样品A(r,z)处的热流密度，k是导热系数，kz代表样品A法向z处的导热系数，Tfilm是样品A电芯外壳的温度，λ为样品A电芯外壳与电芯接触界面间热阻的倒数即接触热导；模型的输入参数为电池样品A的裸电芯比热容Cp、裸电芯展向导热系数kin、裸电芯法向导热系数kthr和接触热导λ，输出参数是样品A的电芯温度Tcore；3)确定传热模型对应的参考变量，将该参考变量对应的有量纲参数转化为无量纲参数，得到无量纲传热模型；对步骤2)建立的传热模型，假设ψ是传热模型的一个解，即因变量，为传热模型的输出参数，x是该传热模型的自变量，则存在以下变换：式中，ψr、xr、Δψ、Δx分别是因变量的基准参考变量、自变量的基准参考变量、因变量的相对参考变量及自变量的相对参考变量；对于因变量温度的基准参考变量Tr的选取，采用初始温度T0，即Tr＝T0；对于因变量温度的相对参考变量的选取，有如下转化方式：给定样品A与加热片接触面的热流密度，令qwδ/kΔTr＝1，则ΔTr＝qwδ/k；式中，k是导热系数，qw是恒热流边界热流密度，δ是电池样品厚度；由此对传热模型进行参数无量纲变换：式中，q是热流密度，θ是无量纲温度，r′是无量纲化的展向坐标，Z是无量纲化的法向坐标，d是电池样品A裸电芯厚度，R是电池样品A宽度的一半，e是电池样品A裸电芯的厚宽比，Rh是加热片半径，c是加热片半径与电池样品A宽度之比，dfilm是电池样品A电芯外壳厚度，g是电池样品A电芯外壳厚度与裸电芯厚度之比，Fo是无量纲时间，kin是裸电芯的展向导热系数、kthr是裸电芯的法向导热系数、Cp是裸电芯比热容，λ是裸电芯和电芯外壳接触热导，kin，film是电芯外壳的展向导热系数，kthr，film是电芯外壳的法向导热系数，Cp，film是电芯外壳的比热容；β是裸电芯展向导热系数与法向导热系数比，βfilm是电芯外壳展向导热系数与法向导热系数比，αthr是裸电芯法向热扩散系数，αthr，film是电芯外壳法向热扩散系数，κ是裸电芯的法向导热系数与电芯外壳的法向导热系数之比，φ是裸电芯法向热扩散系数与电芯外壳法向热扩散系数之比；得到样品的电池裸电芯的无量纲传热模型：样品与加热片接触的电芯外壳的无量纲传热模型：样品与加热片非接触的电芯外壳的无量纲传热模型：式中，下标B代表裸电芯层，下标A代表与加热片接触的电芯外壳，下标C代表与裸电芯非接触的电芯外壳；βfilm为电芯外壳展向导热系数与法向导热系数之比；4)根据电池样品几何尺寸参数，获取导热系数比的初步估计值，表达式如下：其中，式中，n表示电池样品A组成的层数总数，总层数等于电芯外壳的总层数加上一层裸电芯；i表示层数序号，di是电池第i层的厚度；5)分别在样品A与加热片的非接触面以及样品B与加热片的非接触面布置热电偶；具体步骤如下：5-1)定义ω的无量纲敏感性系数：式中，θ为无量纲温度，ω为无量纲参数；根据期望偏差ε及测温装置的精度σ，得出无量纲敏感性系数关系式：则无量纲敏感性系数的下界为：5-2)将步骤4)的结果作为初始值代入步骤3)建立的无量纲传热模型，得到在电池样品A距加热片不同位置处的导热系数比无量纲敏感性系数曲线；5-3)从样品A与加热片非接触面几何中心处起沿该样品任意一个宽度方向至该方向边界处的不同位置点设J个热电偶，J≥4；每个热电偶对应位置点处的导热系数比无量纲敏感性系数曲线的稳态值大于等于无量纲敏感性系数的下界；5-4)在样品B与加热片非接触面上与样品A布置热电偶的位置对应处同样布置J个热电偶；6)确定加热时间；确定最大加热时间为则选取的加热时间小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)选定待进行参数辨识的电池样品A，再获取一块与A同型号的电池样品B，选取一块圆形加热片，所述加热片半径与电池样品半宽度之比c≤0.1；将电池样品A和B相对放置，通过导电胶将加热片两面分别与电池样品A和B两个相对面的几何中心粘接；/n2)对电池样品A建立有量纲的传热模型；表达式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无量纲化模型的电池热参数辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)选定待进行参数辨识的电池样品A，再获取一块与A同型号的电池样品B，选取一块圆形加热片，所述加热片半径与电池样品半宽度之比c≤0.1；将电池样品A和B相对放置，通过导电胶将加热片两面分别与电池样品A和B两个相对面的几何中心粘接；
2)对电池样品A建立有量纲的传热模型；表达式如下：






式中，r、z分别代表传热模型的展向和法向两个方向；ρ为样品A的电芯密度，P(t)为加热片在t时刻的瞬态功率，q(r,z)是样品A(r,z)处的热流密度，k是导热系数，kz代表样品A法向z处的导热系数，Tfilm是样品A电芯外壳的温度，λ为样品A电芯外壳与电芯接触界面间热阻的倒数即接触热导；
模型的输入参数为电池样品A的裸电芯比热容Cp、裸电芯展向导热系数kin、裸电芯法向导热系数kthr和接触热导λ，输出参数是样品A的电芯温度Tcore；
3)确定传热模型对应的参考变量，将该参考变量对应的有量纲参数转化为无量纲参数，得到无量纲传热模型；
对步骤2)建立的传热模型，假设ψ是传热模型的一个解，即因变量，为传热模型的输出参数，x是该传热模型的自变量，则存在以下变换：






式中，ψr、xr、Δψ、Δx分别是因变量的基准参考变量、自变量的基准参考变量、因变量的相对参考变量及自变量的相对参考变量；
对于因变量温度的基准参考变量Tr的选取，采用初始温度T0，即Tr＝T0；
对于因变量温度的相对参考变量的选取，有如下转化方式：
给定样品A与加热片接触面的热流密度，令qwδ/kΔTr＝1，则ΔTr＝qwδ/k；
式中，k是导热系数，qw是恒热流边界热流密度，δ是电池样品厚度；
由此对传热模型进行参数无量纲变换：















式中，q是热流密度，θ是无量纲温度，r′是无量纲化的展向坐标，Z是无量纲化的法向坐标，d是电池样品A裸电芯厚度，R是电池样品A宽度的一半，e是电池样品A裸电芯的厚宽比，Rh是加热片半径，c是加热片半径与电池样品A宽度之比，dfilm是电池样品A电芯外壳厚度，g是电池样品A电芯外壳厚度与裸电芯厚度之比，Fo是无量纲时间，kin是裸电芯的展向导热系数、kthr是裸电芯的法向导热系数、Cp是裸电芯比热容，λ是裸电芯和电芯外壳接触热导，kin，film是电芯外壳的展向导热系数，kt...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑波，李哲，戚俊毅，葛昊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11