基于物理热模型前向校验的电池热管理安全屏蔽控制方法

本发明属于电池热管理的，尤其涉及基于物理热模型前向校验的电池热管理安全屏蔽控制方法。

背景技术：

1、动力电池在快充、高倍率放电、长时间爬坡、高温环境以及电池支路冷却负荷快速变化的工况下，电芯发热量、冷却液带热能力和冷却执行器响应状态会同时发生变化，电池热管理系统需要通过水泵、电池支路阀门等执行器调节冷却液循环和电池支路通流能力，以控制电池最高温度和芯表温差。现有电池热管理方案中，传统规则控制通常依据当前温度、温差或预设标定表进行动作调整，当电池温度接近阈值后再提高冷却强度，该方式便于工程实施，但对电池热惯性、芯部热积累以及冷却动作响应迟滞的考虑不足，容易出现当前温度仍处于可接受范围、但未来温度或芯表温差已经具备持续上升趋势的情况。近年来，模型预测控制、智能控制和强化学习控制被用于电池热管理，以兼顾能耗、舒适性和温度控制效果，上层智能控制器能够根据多目标策略输出原始冷却控制动作，但其输出通常是名义动作，名义动作是否能够转化为电池支路实际散热能力，还取决于冷却液进出口带热表现、水泵实际运行状态以及电池支路阀门实际开度等工程因素。例如，在快充中后段或高负荷放电工况下，上层智能控制器可能为了降低能耗而输出较弱的冷却动作；又例如，水泵实际运行状态、电池支路阀门通流状态或冷却液带热表现低于预期时，即使名义冷却动作看似足够，电池支路实际获得的冷却能力也可能不足。现有方法往往将上层动作直接用于执行，或者仅根据固定最高温度阈值和固定芯表温差阈值进行安全判断，难以把当前冷却链路的真实有效能力转化为执行前的动态安全边界，导致安全校验与真实冷却能力脱节。尤其在电池热系统具有明显滞后的情况下，原始冷却动作可能在当前周期内未造成温度越限，却在未来若干控制周期内使最高温度或芯表温差越过当前冷却能力所能控制的范围。

2、因此，工程上需要一种设置在上层智能控制器与底层冷却执行器之间的安全屏蔽控制方法，在原始冷却控制动作下发前，根据电池支路当前有效冷却能力形成前向安全屏蔽条件，并结合电池物理热模型预测未来热状态轨迹，从执行层对高风险原始冷却控制动作进行放行、屏蔽或替换。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出基于物理热模型前向校验的电池热管理安全屏蔽控制方法及系统，以解决上述问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供基于物理热模型前向校验的电池热管理安全屏蔽控制方法，包括以下步骤：

3、s1、电池热管理安全屏蔽层在每个控制周期内读取与电池支路散热直接相关的车端运行数据，构建当前有效冷却能力状态；所述当前有效冷却能力状态包括低有效冷却能力、中有效冷却能力和高有效冷却能力；

4、s2、根据所述当前有效冷却能力状态和未来控制周期序号读取相应收缩量，并形成前向安全屏蔽条件；

5、s3、获取控制器输出的原始冷却控制动作，转换为电池支路的等效换热强度；将所述等效换热强度，结合当前控制周期的电池最高温度和芯表温差，利用电池物理热模型按控制周期递推预测未来各控制周期的电池最高温度和芯表温差；

6、基于所述未来各控制周期的电池最高温度和芯表温差，与所述前向安全屏蔽条件逐周期逐项比较，计算热安全剩余量并生成前向校验结果；

7、s4、若所述前向校验结果为通过时，将原始冷却控制动作作为最终冷却动作下发至执行器；若所述前向校验结果为不通过时，根据所述热安全剩余量确定热安全缺口，从当前有效冷却能力状态对应的可执行安全冷却动作序列中选择恢复裕量能够覆盖所述热安全缺口的安全冷却动作作为最终冷却动作下发；

8、若无可执行安全冷却动作能够覆盖所述热安全缺口，则将最大可用冷却动作作为最终冷却动作下发并发送降低电池发热负荷请求。

9、进一步地，所述车端运行数据包括电池最高温度、芯表温差、冷却液入口温度、冷却液出口温度、水泵实际转速和电池支路阀门实际开度。

10、进一步地，所述有效冷却能力状态依据对应于所述冷却液入口温度和冷却液出口温度生成的冷却液温差的冷却液带热等级、对应于所述水泵实际转速的水泵输送等级以及对应于所述电池支路阀门实际开度的阀门通道等级决定，取三者最低为当前有效冷却能力状态。

11、进一步地，所述s2，具体为：

12、根据所述当前有效冷却能力状态和未来控制周期序号，查询最高温度安全收缩表和芯表温差安全收缩表，获得各未来控制周期对应的最高温度安全收缩量和芯表温差安全收缩量；

13、以电池最高温度固有安全上限减去所述最高温度安全收缩量作为最高温度可用边界，以芯表温差固有安全上限减去芯表温差安全收缩量作为芯表温差可用边界，生成前向安全屏蔽条件。

14、进一步地，所述最高温度安全收缩量和所述芯表温差安全收缩量在标定阶段形成：

15、在不同有效冷却能力状态下，分别使电池包处于快充、高倍率放电或连续爬坡后的热恢复工况，记录安全冷却动作下电池最高温度和芯表温差在未来多个控制周期内的变化趋势，根据热状态接近固有安全上限时所需的提前保留量形成随未来控制周期序号变化的收缩表。

16、进一步地，所述获取控制器输出的原始冷却控制动作，转换为电池支路的等效换热强度，具体为：

17、通过热管理控制器内预先标定的动作换热表完成，所述动作换热表由电池包热台架试验建立，试验中分别施加不同水泵档位和不同电池支路阀门开度组合，记录电池最高温度、芯表温差和冷却液入口温度的变化过程，并将每一组动作组合对应到一个等效换热强度。

18、进一步地，所述电池物理热模型的递推预测基于等效热网络的能量平衡关系，将当前控制周期的电池最高温度和芯表温差作为初始状态，逐周期叠加电池等效发热量导致的温升、等效换热强度与当前温度相对冷却液入口温度之差共同决定的换热降温、以及上一周期温升趋势延续的热惯性保持项，得到未来各控制周期的预测最高温度和预测芯表温差；所述热惯性保持项用于使模型能够表达冷却动作刚发生变化时电池温度沿原先趋势短时延续的工程现象。

19、进一步地，所述热安全剩余量的计算方式为：

20、对各未来控制周期分别计算最高温度可用边界与预测最高温度之差、芯表温差可用边界与预测芯表温差之差，取所有差值中的最小值作为热安全剩余量；

21、当热安全剩余量大于或等于零时前向校验结果为通过，小于零时前向校验结果为不通过。

22、进一步地，所述可执行安全冷却动作序列按照冷却强度由弱到强排列，每个安全冷却动作为水泵目标档位和电池支路阀门目标开度的组合；恢复裕量在当前有效冷却能力状态下，将对应安全冷却动作代入电池物理热模型，计算其在前向窗口内相对于前向安全屏蔽条件可增加的最小安全剩余量，该恢复裕量与热安全缺口在同一前向安全屏蔽条件下形成覆盖关系。

23、进一步地，所述从当前有效冷却能力状态对应的可执行安全冷却动作序列中选择恢复裕量能够覆盖所述热安全缺口的安全冷却动作作为最终冷却动作下发，具体为：

24、按冷却强度由弱到强的顺序依次比较各安全冷却动作的恢复裕量与热安全缺口，选择第一个恢复裕量不小于热安全缺口的安全冷却动作作为最终冷却动作，以在满足热安全约束的前提下保持较低的冷却能耗。

25、本发明的有益技术效果至少在于以下几点：

26、本发明的主要改进在于，将电池热管理中的执行前安全判断建立在当前有效冷却能力状态之上，并通过物理热模型完成上层智能控制器原始冷却控制动作的前向安全屏蔽。具体而言，安全屏蔽层首先利用电池最高温度、芯表温差、冷却液入口状态、冷却液出口状态、水泵实际运行状态和电池支路阀门实际开度，确定当前电池冷却链路能够形成的有效冷却能力状态，使安全校验的基础从名义冷却动作转为电池支路实际散热能力。随后，安全屏蔽层根据该有效冷却能力状态调用对应的安全收缩边界，将电池固有最高温度上限和芯表温差上限转化为未来若干控制周期内的前向安全屏蔽条件，使冷却能力较弱时安全边界提前收紧，冷却能力较强时安全边界按照标定边界展开。上层智能控制器输出原始冷却控制动作后，安全屏蔽层将该动作转换为物理热模型中的换热输入，并基于等效热网络预测未来电池最高温度轨迹和芯表温差轨迹，再将预测轨迹与前向安全屏蔽条件进行逐周期比较，形成前向校验结果和热安全剩余量。当原始冷却控制动作满足前向安全屏蔽条件时，安全屏蔽层将其下发至水泵和电池支路阀门执行；当原始冷却控制动作触发安全屏蔽时，安全屏蔽层根据热安全缺口和当前有效冷却能力状态，从当前可执行的安全冷却动作序列中选择能够覆盖该缺口的安全冷却动作并下发；当安全冷却动作序列无法覆盖热安全缺口时，安全屏蔽层下发最大可用冷却动作，并同步请求降低电池发热负荷。由此，本发明把冷却液带热表现、水泵实际运行状态和电池支路阀门通道状态形成的有效冷却能力，连续传递到安全边界生成、物理热模型前向校验和最终动作下发过程，使上层智能控制器的能耗优化动作始终受到电池热安全边界约束，从而解决名义冷却动作与真实冷却能力不一致、固定阈值校验前瞻性不足以及高风险智能控制动作缺少执行层硬安全屏蔽的问题。

27、上述安全屏蔽层设置在上层智能控制器与水泵控制器、电池支路阀门控制器之间，不改变上层智能控制器的训练方式或优化目标，也不依赖上层智能控制器解释其内部决策过程，而是仅接收其输出的原始冷却控制动作，并在动作下发前进行确定性的物理热模型前向校验。除特别说明外，文中温度量、温差量、温度安全收缩量和热安全剩余量均以摄氏度或等效摄氏度表示，水泵实际转速以转每分钟表示，阀门实际开度以百分比或无量纲开度表示，控制周期数量和动作编号为无量纲量。等级表、安全收缩表、动作换热表、恢复裕量表、前向校验周期数和保底动作均在电池包台架试验、整车标定或热管理控制器标定阶段写入，不在运行过程中由上层智能控制器临时生成。