【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池bms及电池建模领域，特别涉及基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法。
技术介绍
1、锂离子电池具有输出电压高、能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，是电动汽车的重要储能单元，对锂离子电池的研究将进一步推进汽车电动化的发展进程。电池管理系统(battery management system，bms)是汽车动力电池和电动汽车之间的重要纽带，其主要功能包括：监测单体电压、观测电流和温度、估算荷电状态(state of charge，soc)、优化电量分配等。其中电池工作温度对电池的性能影响极大，锂离子电池正常工作的温度范围为10～30℃，温度过低会诱发电池内的析锂反应，温度过高会使电池内部sei膜生长等副反应加剧，进而降低电池的剩余使用寿命。在高温下，生产制造环节的缺陷和使用过程中的不当操作可能造成电池局部过热，进而引发连锁放热反应，最终造成电池热失控，威胁到汽车驾乘人员的生命安全，因此温度是电池管理系统需要重点监测的信号之一。目前的传感器技术仅能测量电池的体表温度，对于体心温度、极耳温度的测量需要特制电池，其热安全性较低且制造成本偏高。除此之外，现有传感器技术难以直接测量电池内锂离子浓度、过电压等微观物理量，而这些微观物理量能够帮助使用者更好的认知电池的工作状态，例如通过观测负极与隔膜交界处的固液相电势差能够判断电池内部是否发生析锂。为弥补现有技术的不足，需要研发可观测电池内微观和宏观物理量的电池模型以满足bms需求。
2、电池管理系统中常用的模型为等效电路模型(equivalent
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题是提供基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，该模型对传统的单颗粒模型进行简化和拓展，利用三参数简化固相过程，将液相分布假设为二次多项式分布，并对根据简化的电池三维模型推导电池的零维热模型。所提出的拓展单颗粒模型在计算上较传统电化学模型复杂度低，精度也较普通的sp模型精度更高。
2、为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
3、基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，步骤为：
4、步骤1、利用单颗粒模型做以下假设：
5、假设1)固相活性颗粒与液相交界处电化学反应速率j处处相等，正负极的电流体密度jf在电池厚度x方向上相等；
6、假设2)正负极的固相锂离子浓度cs在电池厚度x方向上相等；
7、假设3)液相锂离子浓度cl和液相电势ηl既不沿电池厚度x方向发生变化，也不随时间t发生变化；
8、基于以上假设，电池的正负极可各视为一个充斥着电解液的球形活性颗粒，从而实现对电池厚度方向即x维度的化简；
9、步骤2、基于假设1)推导得到sp模型假设下正负极电流体密度：
10、
11、
12、jf,p(t)，jf,n(t)分别为正负极的电流体密度，i(t)为t时刻的电流输入，lp为正极厚度，ln为负极厚度；所述的sp模型为单颗粒模型；
13、基于假设2)用三参数模型来对固相锂离子浓度进行描述：
14、
15、
16、
17、cs,mean(t)|t＝0＝cs,0 (6)；
18、qion,mean(t)|t＝0＝0 (7)；
19、其中cs,mean表示电池荷电状态的平均锂离子浓度，cs,surf用来计算正负极平衡电池的表面锂离子浓度，qion,mean表示体积平均锂离子通量，dt为对时间的微分；
20、基于假设3)得到电池的液相锂离子浓度cl和液相电势ηl：
21、cl(t)＝cl,0 (8)；
22、ηl(t)＝0 (9)；
23、由此可得锂离子电池的开路电压为：
24、
25、cs,surf,p(t)为正极固相表面锂离子浓度，cs,max,p为正极固相最大锂离子浓度，eeq,p为正极平衡电位，cs，surf，n(t)为负极固相表面锂离子浓度，cs，max，n为负极固相最大锂离子浓度，eeq，n为负极平衡电位，
26、电化学反应过电压为：
27、
28、
29、f为法拉第常数，rcons为理想气体常数，tcore为电芯温度，αn和αp为反应传递系数。
30、考虑由于电池端盖、正负极极耳处电阻导致的欧姆压降：
31、uohm(t)＝ia(rcap+rtabn+rtabp) (13)；
32、rcap为端盖电阻，rtabp，rtabn为正负极极耳的电阻
33、将上述项求和可得电池的端电压：
34、
35、公式(14)中uocv(t)电池的正负极平衡电势，ηre，p(t)-ηre，n(t)是电池内发生电化学反应导致的电化学反应过电压，ηl(t)是电池内部由于液相锂离子浓度梯度导致的液相过电压，而uohm(t)则是电池内由于材料、工艺产生的接触电阻导致的压降；
36、步骤3、针对sp模型的缺陷，增加液相锂离子浓度的描述来对sp模型进行拓展，将二阶多项式模型添加至sp模型中，组成液相扩展的单颗粒esp模型；
37、对液相锂离子浓度进行计算得到液相锂离子浓度分布后，依据液相电势控制方程推导液相电势的计算公式(15)，再依据式(16)即可计算正负极液相电势差；
38、
39、ηl(t)＝φ1，mean，p(t)-φ1，mean，n(t) (16)；
40、φ1，mean，n和φ1，mean，p分别代表负极和正极的平均液相电势，tplus为离子迁移数，σl，eff为液相等效离子电导率。
41、基于sp模型的假设1和电荷守恒控制方程(17)，得各区域液相电流分布如式(19)至式(21)所示：
42、电荷守恒控制方程：
43、电池内各个位置均满足电荷守恒，即满足如下关系式：
44、il(t，x)+is(t，x)＝i (17)；
45、
46、t为时间，x为电池厚度方向坐标，is为固相电流密度，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：步骤2中，三参数模型是用于对菲克第二定律的简化计算，菲克第二定律对于电池固相活性物质颗粒内部锂离子浓度随时空的分布如下：
3.根据权利要求2所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：三参数模型将球形活性颗粒径向r上的锂浓度分布假设为四阶多项式形式：
4.根据权利要求3所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：步骤3中，液相扩展是部分是在P2D模型的液相浓度控制方程基础上进行简化计算的,P2D模型的液相浓度控制方程如下：
5.根据权利要求4所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：用二次多项式描述电池液相中的锂离子浓度分布：
6.根据权利要求5所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：用零维热组模型来估算电池各个部件的温度分布，根据零维热模型推导各个点的热平
7.根据权利要求6所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：步骤4中，利用计算得到的电池端电压，代入公式(99)可以求得电池在(t)时刻的电芯产热，根据公式(88)至(93)可得到热阻模型中各个点的温度分布。
...【技术特征摘要】
1.基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：步骤2中，三参数模型是用于对菲克第二定律的简化计算，菲克第二定律对于电池固相活性物质颗粒内部锂离子浓度随时空的分布如下：
3.根据权利要求2所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：三参数模型将球形活性颗粒径向r上的锂浓度分布假设为四阶多项式形式：
4.根据权利要求3所述的基于扩展单颗粒-热耦合模型的电池温度在线估算方法，其特征在于：步骤3中，液相扩展是部分是在p2d模型的液相浓度控制方程基础上进行...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔玉刚，贺伟，李娟，张豫，刘汝杰，郭大江，华瑞，
申请(专利权)人：中国长江电力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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