车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法技术

本发明专利技术涉及车用电池组技术领域，公开了一种车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法，由电池包三维模型经过离散化处理转变为电池包拟三维模型，将该拟三维模型应用于电池包一维仿真计算，判断电池包保温层设计的合理性并实现设计优化；添加合格保温层的电池包耦合周边热管理系统统一建模实现电池热管理集成系统的一维建模；该集成系统与整车的相关系统联合实现整车层面的热管理系统一维建模，完成不同工况下电池热管理集成系统的仿真计算。本发明专利技术主要解决电池热管理一维建模计算难以详细描述电池温度场分布情况；电池热管理仿真计算通常忽略其他热管理系统影响以及电池热管理技术多工况应用的问题。池热管理技术多工况应用的问题。池热管理技术多工况应用的问题。

【技术实现步骤摘要】
车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法


[0001]本专利技术涉及车用电池组
，尤其是涉及一种车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法。

技术介绍

[0002]纯电动汽车主要动力来自锂离子电池包，车用电池包中锂离子电池排列规则紧密，充放电过程中伴随的电化学反应及其副反应所产生的热量容易堆积于电池包中，如若在高温、隔热或者热交换不充分的环境下运行，电池包中电芯的温度持续升高，经过热场耦合导致电池包内某个电池过热，最终可能导致热失控，造成起火爆炸甚至其他不可控风险；同样，在低温环境中电动汽车冷启动困难、电芯温度分布均匀性差也制约着锂离子电池在电动汽车中广泛应用。由此，可以看到对电池包实施有效的动力电池热管理系统对于推动锂离子电池在电动汽车上的大规模应用极为重要。
[0003]现阶段常用的电池热管理系统中：电池包散热多采用被动风冷散热，即直接利用车速和外界空气进行换热；在被动风冷无法满足散热需求的条件下，大多数电动汽车更多的采用液冷散热；低温环境下利用热泵/PTC对冷却液加热实现电池保温/加热。涉及的部件包括：电池包内部保温隔热结构、将电芯热量带走的电池包热管理模块以及前舱散热模块；工况条件包括：低/高温环境下的冷浸/热浸、稳态/瞬态行驶或充电工况等。
[0004]电池热管理系统热流仿真模型通常是一维模型或三维模型或者一维/三维耦合模型。建模方法或计算过程中通常存在以下问题：电池包的整车热管理的一维模型通常认为对流换热系数为固定值，忽略汽车整车内外流场变化对电池包温度分布的影响，其中，自然对流换热系数与强制对流换热系数差距明显：空气自然对流换热系数为5～25W/(m^2
‑
K)，强制对流换热系数为20～300W/(m^2
‑
K)；在整车热管理系统的一维建模中通常是对电池包采用集总参数法处理，即将整个电池包看作热质量单元，虽然电池包传热过程简单化有利于减小计算成本，但忽略了电池包内部电芯等部件的温度分布情况，仿真准确程度大打折扣；而由于三维建模多是固定边界条件的电池包级别的仿真，难以将车辆实际行驶工况与整车热管理系统仿相结合进行仿真计算，并且三维仿真涉及网格划分、边界设置等，大大增加了计算负担与仿真计算复杂程度。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法，解决电池热管理一维建模计算难以详细描述电池温度场分布情况；电池热管理仿真计算通常忽略其他热管理系统影响以及电池热管理技术多工况应用的问题。
[0006]本专利技术的上述专利技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法，包括以下步骤：
[0008]步骤S100：电池包三维模型通过离散化处理转变为电池包拟三维模型；
[0009]步骤S200：基于电池包拟三维模型，高/低温环境热浸/冷浸仿真计算电池包内电
芯温度变化与温度分布，判断是否满足保温指标，不满足保温指标时，对电池包进行DOE优化；
[0010]步骤S300：满足保温指标后，基于电池电
‑
热耦合模型进行电池包热管理模块一维建模；
[0011]步骤S400：前舱散热模块拟三维建模，并进行优化匹配；
[0012]步骤S500：基于电池包热管理模块模型和前舱散热模块模型搭建一维电池热管理集成系统模型；
[0013]步骤S600：联合整车进行电池热管理集成系统多工况仿真。
[0014]通过上述技术方案，电池包拟三维模型便于在一维软件中进行仿真计算，从而得到电池包内电芯温度变化与温度分布，据此判断电池包保温设计是否符合保温指标；将不符合保温指标的电池包保温设计进行DOE优化，使其优化后符合保温指标；符合保温指标的电池包模型完成拟三维模型转变后结合环境模型、冷却回路模型、加热回路模型、电芯发热模型建立电池包热管理模块，电池包热管理模块描述了电池发热与热传递以及热管理系统工作过程；前舱散热模块通常用于为换热过程提供外界进风量数据，并根据优化匹配来改善系统散热性能；基于上述模型耦合周边热管理系统完成电池热管理集成系统一维模型构建；然后联合整车相关系统实现整车热管理系统建模，并进行多工况的仿真，使电池包内部电芯等部件的温度分布情况被考虑；同时由于拟三维模型的设置，不需要进行固定边界条件的电池包级别的仿真，更容易将车辆实际行驶工况与整车热管理系统仿真相结合进行耦合计算。
[0015]可选的，所述电池包模型包括：电池包箱体、电池模组、保温层、水冷板以及其他包内附件；
[0016]电池模组与外部环境换热包括以下散热途径：
[0017]电池模组
‑
保温层
‑
箱体
‑
外部环境，此路径主要通过固体接触传导散热；
[0018]电池模组
‑
包内空气
‑
箱体
‑
外部环境，此路径涉及包内空气与包外空气对流换热，由于包内空气流动性弱，空气导热系数小，包内空气传热影响相对较小，外界空气的对流换热对传热影响更大，即重点考虑车速/风速对电池包与外界环境换热的影响；
[0019]电池模组
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水冷板
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冷却液，此路径模组与水冷板间热传导、水冷板与冷却液间热对流，电芯温度主要受冷却液对流换热的影响。
[0020]通过上述技术方案，在电池包三维模型建立时，首先将所有散热途径搭建完成，表示清晰的结构以便于下面的计算。
[0021]可选的，所述电池包拟三维模型经电池包三维模型离散处理转化而来，拟三维模型利用热质量单元替代三维中的各个固体部件，热质量单元的参数包含：固体材料属性、固体质量、初始温度、发热量、传热路径上的距离、传热有效表面积；每个质量单元都会与相邻的质量单元或流体进行热的传导或对流，相邻热单元间传热通过经典传热公式计算，公式如下所示：
[0022]Q＝ΔT
×
R
[0023]其中：Q为固体换热量，ΔT为固体质心与边界温差，R为导热热阻，其中热阻计算公式为：
[0024]R＝L
×
k
×
A
[0025]式中：L为质心与边界之间的传热距离，A为质心与边界之间的传热面积，k为固体导热系数。
[0026]模拟外部环境需要确定外部环境温度以及外部环境与电池包的对流换热系数，使得环境温度模型与跟外部环境接触的电池包部件对应的热质量单元相耦合，实现外部环境与电池包间热对流。所述对流换热系数：在弱化外界环境影响的情况下可以取用经验值。
[0027]通过上述技术方案，电池包拟三维模型以一维建模形式既表示了电池包的三维结构又能确定电池包三维空间的传热接触，在一维仿真应用过程中能够加快仿真计算速度，实现与三维仿真计算结果相媲美的温度场分布与变化的观测。
[0028]可选的，所述高/低温环境热浸/冷浸仿真计算电池包内电芯温度变化与温度分布的步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种车用电池组及其热管理模块耦合建模与联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：电池包三维模型通过离散化处理转变为电池包拟三维模型；步骤S200：基于电池包拟三维模型，高/低温环境热浸/冷浸仿真计算电池包内电芯温度变化与温度分布，判断是否满足保温指标，不满足保温指标时，对电池包进行DOE优化；步骤S300：满足保温指标后，基于电池电
‑
热耦合模型进行电池包热管理模块一维建模；步骤S400：前舱散热模块拟三维建模，并进行优化匹配；步骤S500：基于电池包热管理模块模型和前舱散热模块模型搭建一维电池热管理集成系统模型；步骤S600：联合整车进行电池热管理集成系统多工况仿真。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电池包模型包括：电池包箱体、电池模组、保温层、水冷板以及其他包内附件；电池模组与外部环境换热包括以下散热途径：电池模组
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保温层
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箱体
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外部环境，此路径主要通过固体接触传导散热；电池模组
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包内空气
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箱体
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外部环境，此路径涉及包内空气与包外空气对流换热，由于包内空气流动性弱，空气导热系数小，包内空气传热影响相对较小，外界空气的对流换热对传热影响更大，即重点考虑车速/风速对电芯与外界环境换热的影响；电池模组
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水冷板
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冷却液，此路径模组与水冷板间热传导、水冷版与冷却液间热对流，电芯温度主要受冷却液对流换热的影响。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电池包拟三维模型经电池包三维模型离散处理转化而来，拟三维模型利用热质量单元替代三维中的各个固体部件，热质量单元的参数包含：固体材料属性、固体质量、初始温度、发热量、传热路径上的距离、传热有效表面积；每个质量单元都会与相邻的质量单元或流体进行热的传导或对流，相邻热单元间传热通过经典传热公式计算，公式如下所示：Q＝ΔT
×
R其中：Q为固体换热量，ΔT为固体质心与边界温差，R为导热热阻，其中热阻计算公式为：R＝L
×
k
×
A式中：L为质心与边界之间的传热距离，A为质心与边界之间的传热面积，k为固体导热系数；其中，模拟外部环境需要确定外部环境温度以及外部环境与电池包的对流换热系数，使得环境温度模型与跟外部环境接触的电池包部件对应的热质量单元相耦合，实现外部环境与电池包间热对流。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高/低温环境热浸/冷浸仿真计算电池包内电芯温度变化与温度分布的步骤包括：初始化不同的环境温度与电池包温度确定仿真温度条件；设置自然对流的环境中的对流换热系数大小；设置仿真时间；
仿真计算电池包温度场变化；仿真过程中不考虑冷却液流动对保温的影响；不考虑电芯放电，同样不考虑电芯产热。5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述DOE优化流程包括以下步骤：确定设计因子、水平数和响应变量，进行数据拟合得到拟合响应面；确定响应变量对设计因子的敏感性与相关性，并判断各设计因子的影响程度；通过全局优化的遗传算法进行优化求解；获取优化后的设计因子，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥宇，姜涛，孙焕丽，陈永胜，曹海月，赵壮，于远彬，李微微，尤思博，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：