面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法技术

本发明专利技术涉及锂电池管理系统技术领域，公开了一种面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法，旨在为电池管理系统边缘计算提供了解决方案。首先，构建了包含力学、热路、反应子模型的多状态解析微分方程组，考虑机械压力、充放电、散热的动态工况和局部生热、各向异性热传导、曲面变形等非均匀特性。其次，提出了一种从整体到局部的序列解耦算法，解决了高维、强非线性微分方程组的收敛性问题。与现有技术相比，利用区块划分技术捕捉了电池多状态分布与演化，提升了求解精度；仅包含全解析的微分方程组并给出了序列解耦算法，具有显著效率优势；步骤清晰、易于理解，在电池管理系统应用中具有普遍适用性。统应用中具有普遍适用性。统应用中具有普遍适用性。

【技术实现步骤摘要】
面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法


[0001]本专利技术涉及锂电池管理系统
，具体而言，涉及一种面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法。

技术介绍

[0002]锂电池因其高能量密度、长寿命、弱记忆效应、低自放电率等特点，已广泛应用于车载动力和储能系统。为满足电荷容量和工作电压需求，大规模锂电池单体通过串并联连接被封装成电池包。锂电池单体具有不同类型的封装形式，比如方形软包封装、圆柱形硬壳封装。相较于圆柱形封装，方形软包电池布局更简单而紧凑，易实现高能量密度，日益为储能系统和电动汽车所青睐。然而，机械与热滥用导致的锂电池包安全隐患始终存在。充放电工况下，软包电池内部产生热量和气体，外部遭遇机械压力和温度载荷。各类状态参数，如电流、电压、电荷状态、温度、压力、形貌，变化且彼此耦合。当遭遇机械或热滥用，软包电池可能出现膨胀、短路等异常现象，甚至触发燃烧、爆炸事故。在此过程中，软包电池状态参数呈现明显而剧烈的变化。为提升车载动力和储能系统安全性，电池管理系统需评估动态压力、电流、温度工况下的软包电池单体多状态参数演化。
[0003]软包锂电池状态评估方法遵循从温度场分析到多场耦合分析的发展路径。温度场分析通常基于电化学/热耦合模型，包括简化解析模型和三维仿真模型。简化解析模型通常将电化学反应方程和热路模型相结合，推导微分方程组以表征锂离子单体热状态。比如CN202110486991.9公开了一种锂离子软包电池内部热阻参数反求方法及装置，CN202011618490.3公开了一种软包式锂离子电池耦合电气热模型。简化模型通常忽略软包电池的非均匀热特性，基于整体热平衡计算电池的平均温度。三维仿真模型大多基于多物耦合有限元仿真。比如CN201310409188.0公开了一种锂离子电池组系统内电池单体的原位热仿真分析方法，CN201310297871.X公开了一种具有多层片状结构的锂离子电池热仿真分析方法。三维仿真模型理论上可实现对温度分布的高精度模拟，但求解非常耗时。除温度场外，应力场分析对于保证锂电池安全性也很重要。机械变形引发的内应力，可能导致隔膜、软包破裂，进而引发内部短路和可燃气体外泄。力学建模可用以评估内部短路前出现的机械变形与内应力分布，比如CN202011325480.0公开了一种针对软包锂离子电池厚度估计的电池等效力学模型及其建模方法，CN202011180662.3公开了一种锂离子电池产气动力学实验建模和计算方法。软包电池力学、热行为演变具有双向强耦合特征。机械压力导致操作电压变化，改变放热反应速率；软包膨胀增加传热距离，降低了散热效率。反过来，反应速率和散热效率显著影响温度分布，进而决定反应速率。所以，研究者建立了电化学/传热/力学多场耦合模型以评估软包电池多状态演化，比如CN201910559821.1公开了一种锂离子电池电化学
‑
热
‑
机械耦合模型及建模方法、CN202110371200.8公开了一种锂离子软包电池单体内部温度压力估计方法。
[0004]这类软包电池多场耦合解析模型构建了机械、电化学、传热的集成分析框架，揭示了各物理场分析模型之间的复杂耦合机理。然而，现有多场耦合解析模型为实现高效求解
和稳定收敛性，通常基于静态或均匀性假设。而软包电池在服役过程中，不仅面临机械压力、电流、散热等外部动态工况，而且包含生热率、热导率、芯/壳变形等内部非均匀特性。基于静态或均匀性假设的模型，难以精确捕捉电池内部温度、应力等关键状态的演化和分布。因此，现有模型应用于车载动力和储能的电池管理系统，面临适用性和精度方面的挑战。尤其是，高效电池管理系统引入了边缘计算技术，将计算负荷放置于靠近数据源的电池单体以提升状态监测的实时性。受限于空间、供电等物理约束，边缘计算模组难以具备类似高性能计算机的计算能力，因此对电池状态评估方法的效率提出了更高的要求。
[0005]为此，针对车载动力和储能系统中软包电池多状态在线评估问题，考虑机械压力、电流、散热等动态工况和生热率、热传导、芯/壳变形等非均匀特性，提出一种高效高精度的软包电池多状态评估方法，对于提升相关领域电池管理系统的性能具有重要的工程价值。

技术实现思路

[0006]本专利技术克服了现有技术的不足，提供一种面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法。首先，构建了包含力学、热路、反应子模型的多状态解析微分方程组，考虑机械压力、充放电、散热的动态工况和局部生热、各向异性热传导、曲面变形等非均匀特性。其次，提出了一种从整体到局部的序列解耦算法，解决了高维、强非线性微分方程组的收敛性问题。本专利技术方法可评估动态工况下软包电池生热、产气、温度、压力、变形等多状态分布与演化，为电池管理系统边缘计算提供了解决方案。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案。
[0008]步骤(1)定义软包锂电池的建模参数。
[0009]步骤(2)构建所述软包锂电池的力学子模型。
[0010]步骤(3)构建所述软包锂电池的热路子模型。
[0011]步骤(4)构建所述软包锂电池的生热子模型。
[0012]步骤(5)构建所述软包锂电池的多场耦合解析模型并求解。
[0013]进一步地，在步骤(1)中，所述软包锂电池包含壳体、电芯。所述壳体与所述电芯之间存在间隙，所述间隙中填充有电解液。所述电芯由剪切的层结构缠绕而成，正极耳和负极耳被引出以作为操作电流的连接端。所述软包锂电池被安装在第一固定器和第二固定器提供的约束空间中，所述软包锂电池与所述第一固定器、所述第二固定器之间填充导热脂。在充放电条件下，所述电芯发生熵热反应，释放热量和气体。
[0014]进一步地，在步骤(1)中，所述建模参数包括结构参数、工况参数、力学参数、热学参数、电化学参数。所述结构参数包括：L、W、H、H
cor0
、H
con
、θ、θ
fix
。L表示所述软包锂电池的长度，W表示所述软包锂电池的宽度，H表示所述软包锂电池的高度，H
cor0
表示所述电芯的初始高度，H
con
表示所述约束空间的高度，θ表示所述壳体的厚度，θ
fix
表示所述第一固定器的厚度。以所述长度为X方向，所述宽度为Y方向，所述高度为Z方向，建立笛卡尔坐标系。所述工况参数包括：P
amb
、T
amb
、h
sur
、I
C
、U
C
、t
T
。P
amb
表示所述环境的气压，T
amb
表示所述环境的温度，h
sur
表示所述壳体与所述环境之间的对流换热系数，I
C
表示操作电流，U
C
表示操作电压，t
T
表示结束时刻。力学参数包括：E
she
、μ、D
cor
。E
she<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法，其特征在于，该方法包含如下处理步骤：步骤(1)定义软包锂电池的建模参数；步骤(2)构建所述软包锂电池的力学子模型；步骤(3)构建所述软包锂电池的热路子模型；步骤(4)构建所述软包锂电池的生热子模型；步骤(5)构建所述软包锂电池的多场耦合解析模型并求解；在所述步骤(1)中，所述软包锂电池包含壳体、电芯；所述壳体与所述电芯之间存在间隙，所述间隙中填充有电解液；所述电芯由剪切的层结构缠绕而成，正极耳和负极耳被引出以作为操作电流的连接端；所述软包锂电池被安装在第一固定器和第二固定器提供的约束空间中，所述软包锂电池与所述第一固定器、所述第二固定器之间填充导热脂；在充放电条件下，所述电芯发生熵热反应，释放热量和气体；在所述步骤(1)中，所述建模参数包括结构参数、工况参数、力学参数、热学参数、电化学参数；所述结构参数包括：L、W、H、H
cor0
、H
con
、θ、θ
fix
；L表示所述软包锂电池的长度，W表示所述软包锂电池的宽度，H表示所述软包锂电池的高度，H
cor0
表示所述电芯的初始高度，H
con
表示所述约束空间的高度，θ表示所述壳体的厚度，θ
fix
表示所述第一固定器的厚度；以所述长度为X方向，所述宽度为Y方向，所述高度为Z方向，建立笛卡尔坐标系；所述工况参数包括：P
amb
、T
amb
、h
sur
、I
C
、U
C
、t
T
；P
amb
表示环境的气压，T
amb
表示所述环境的温度，h
sur
表示所述壳体与所述环境之间的对流换热系数，I
C
表示操作电流，U
C
表示操作电压，t
T
表示结束时刻；力学参数包括：E
she
、μ、D
cor
；E
she
表示所述壳体的材料弹性模量，μ表示所述壳体的材料泊松比，D
cor
表示所述电芯在Z方向的等效刚度；热学参数包括：M
cel
、c
cel
、M
fix
、c
fix
、K
X
、K
Z
、K
δ
、K
fix
、R
gre
；M
cel
表示所述电芯的质量、c
cel
表示所述电芯的比热容、M
fix
表示所述第一固定器的质量、c
fix
表示所述第一固定器的比热容、K
X
表示所述电芯在X方向的导热率，K
Z
表示所述电芯在Z方向的导热率，K
δ
表示所述间隙的导热率，K
fix
表示所述第一固定器的导热率，R
gre
表示所述导热脂的导热率；电化学参数包括：R
gas
、c
E
、c
gas
、m
rea
、S
C100％
、U
O
；R
gas
表示所述气体的气体常数、c
e
表示所述所述熵热反应的熵热系数、c
gas
表示产气系数、m
rea
表示所述电芯的活性物质量、S
C100％
表示所述电芯的满充电荷状态、U
O
表示所述软包锂电池的开路电压。2.根据权利要求1所述的一种面向边缘计算的软包锂电池多场耦合解析模型及求解方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述力学子模型的建模步骤为：(2.1)计算所述壳体的等效刚度；D
she
表示所述壳体的等效刚度，表征所述壳体的整体抗变形能力，写成公式
①
：D
she
＝P
sur
·
W
·
L/δ
BA
P
sur
表示所述壳体的表面压力；δ
B
表示所述壳体在Z方向的变形；根据符拉索夫壳体一般理论，对所述壳体的一个侧表面建立Z向上的力平衡方程，如公式
②
：x表示所述X方向的坐标，y表示所述Y方向的坐标；是求偏导运算符；D
B
表示所述壳体的抗弯刚度，写成公式
③
：D
B
＝E
she
·
θ3/(12
·
(1
‑
μ2))
对于所述壳体涉及的四边简支壳问题，边界条件写成公式
④
：将所述公式
②
的两边进行傅里叶级数展开，得到δ
B
的解析表达式，如公式
⑤
：δ
B
(x,y)＝1/(π4·
D
B
)
·
∑
i＝1m
∑
j＝1m
·
16
·
P
sur
/(π2·
i
·
j)
·
sin(π
·
i
·
x/L)
·
sin(π
·
j
·
y/W)/((i
·
/L)2+(j
·
/W)2)i表示所述X方向的级数序号，j表示所述Y方向的级数序号；m表示傅里叶级数，m取6～16之间的整数；∑
i＝1m
表示从i＝1到i＝m的连加运算符，∑
j＝1m
表示从j＝1到j＝m的连加运算符；sin表示正弦运算符；对δ
B
(x,y)求平均值，得到δ
BA
，写成公式
⑥
：δ
BA
＝mean(δ
B
(x,y))δ
BA
表示所述壳体的平均变形；mean表示求平均值运算符；对公式
①
～公式
⑥
组成的方程组求解，可得到D
she
；(2.2)建立所述壳体的压力平衡方程；所述压力平衡方程描述了所述环境的气压、所述第一固定器的机械压力、所述气体的压力、所述壳体的表面压力之间形成的压力平衡，写成公式
⑦
：P
gas
＝P
sur
+P
amb
+P
fix
P
gas
表示所述气体的压力，P
fix
表示所述第一固定器的机械压力；根据理想气体状态方程，所述气体的压力、温度、体积之间的关系可写成公式
⑧
：W
·
L
·
δ
BA
·
P
gas
＝m
gas
·
R
gas
·
T
gas
m
gas
表示所述气体质量，T
gas
表示所述气体温度；(2.3)建立所述软包锂电池的几何方程；所述几何方程描述所述壳体与所述电芯之间的间隙距离，写成公式
⑨
：δ
gap
＝0.5
·
(H
con
‑
H
cor
)
‑
θδ
gap
表示所述间隙距离，H
cor
表示所述电芯的高度；H
cor
受所述气体的压力影响，写成公式
⑩
：H
cor
＝H
cor0
‑
(P
gas
‑
P
amb
)
·
W
·
L/D
cor
。3.根据权利要求1所述的一种面向边缘计算的软包锂电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仲清，黄志亮，徐李恩，徐林芳，黄志刚，
申请(专利权)人：苏州工业园区明源金属股份有限公司，
类型：发明
国别省市：