一种基于数字孪生的锂电池热管理效能评估方法与流程

本发明涉及新能源电池热管理，具体为一种基于数字孪生的锂电池热管理效能评估方法。

背景技术：

1、锂电池系统在高倍率充放电、快充及高环境热负荷工况下易出现局部温升过快、单体温差扩大及冷却支路负荷不均等现象，热管理系统的效能直接影响电池安全性、寿命保持率及整包功率输出能力。现有技术中，热管理效能评估通常通过采集电池单体温度、冷却介质进出口温度、流量以及系统功耗等数据，采用最大温度、平均温度、最大温差、温降幅度、单位能耗降温量等指标对冷却效果进行表征；部分技术还结合热阻网络模型、集中参数模型、计算流体仿真模型或者数字孪生模型，对热状态进行预测、复现或可视化分析。

2、然而，现有技术大多以静态温度结果或稳态统计量作为评价基础，评价维度较为单一，难以反映冷却介质沿不同支路传播时所形成的时序滞后特征，无法准确区分“温度降低较慢”与“冷却响应相位延迟较大”两类热管理失效机理。对于多支路液冷电池包，现有方法通常仅依据支路入口、出口温差或者单体温差进行判断，缺少将冷却流路顺序、支路停留时间、单体位置关系与温度动态响应一体关联的评价机制，因而难以识别支路内部热量传递不同步、冷却作用沿程衰减及局部单元热响应失配等问题。进一步地，现有技术在进行系统级评估时，往往将降温效果与功耗水平分离分析，缺少能够同时表征温度缓解程度、动态响应劣化程度及系统能量消耗匹配关系的统一评价量，导致评估结果难以直接用于整包热管理水平判定及异常支路排序。即使引入数字孪生技术，现有方案也多侧重于热状态仿真、故障预警或控制辅助，对冷却介质相位传播与电池热响应之间的偏离程度缺少专门的量化评估方法。

3、为此，本案旨在提出一种基于数字孪生的锂电池热管理效能评估方法，将锂电池热管理系统的实际运行温度、冷却支路温度、热管理功耗和冷却介质流动状态纳入统一评估框架，通过数字孪生方式构建冷却支路到被监测单元的温度映射关系，再结合冷却介质微扰激励下的温度响应相位变化、温差缓解程度和热管理能耗，形成面向整包和支路的热管理效能评价结果。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于数字孪生的锂电池热管理效能评估方法，促进解决了上述背景技术中所提到的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种基于数字孪生的锂电池热管理效能评估方法，包括：

3、建立被监测单元集合和冷却支路集合，设置离散采样时刻、采集项、被监测单元所属冷却支路编号和支路内顺序编号，并采集被监测单元的温度值、冷却支路的入口温度、冷却支路的出口温度和热管理系统总功率；

4、采集冷却支路在微扰写入前的实际流量值，读取冷却支路的内部冷却介质体积，计算冷却支路的平均基准流量和冷却介质停留时间，设置相位激励周期、评估窗口长度、采样周期和微扰流量幅值，形成目标微扰流量序列；

5、按冷却支路的入口温度、冷却支路的出口温度和支路内顺序编号计算流路映射温度，构造去均值温度序列、数字孪生相位种子、数字孪生温度振幅和数字孪生去均值温度模板；

6、对去均值温度序列和数字孪生去均值温度模板分别进行正弦投影、余弦投影和四象限相位转换，得到实测非负主值相位和数字孪生参考相位；

7、计算带符号相位差、主值相位差和归一化相位延迟量，并汇总得到整包相位劣化量和每条冷却支路的平均相位劣化量；

8、计算评估窗口起点和终点的整包温差占量，对温差占量减少程度进行归一化处理，得到温度缓解比，计算等效热容和热释放等价值；

9、对热管理系统总功率进行离散积分，得到热管理系统消耗能量，并结合热释放等价值、温度缓解比和整包相位劣化量计算整包热管理效能值；

10、对冷却支路按每条冷却支路的平均相位劣化量和冷却支路编号进行排序，根据整包热管理效能值得到整包效能等级，并输出评估结果结构。

11、可选的，所述建立被监测单元集合和冷却支路集合，设置离散采样时刻、采集项、被监测单元所属冷却支路编号和支路内顺序编号，并采集被监测单元的温度值、冷却支路的入口温度、冷却支路的出口温度和热管理系统总功率，具体包括：

12、建立全部被监测单元的编号集合和全部冷却支路的编号集合，记录被监测单元总数和冷却支路总数；

13、建立评估窗口内的离散采样时刻序列，按照评估窗口起始采样时刻、采样周期和离散采样索引生成每个离散采样时刻，并记录评估窗口内的采样点总数；

14、在每个离散采样时刻，采集每个被监测单元的温度值、每条冷却支路的入口温度、每条冷却支路的出口温度和热管理系统总功率；

15、为每个被监测单元配置被监测单元所属冷却支路编号，将具有相同被监测单元所属冷却支路编号的被监测单元归入相应冷却支路的被监测单元子集，并统计每条冷却支路对应的被监测单元数量；

16、沿每条冷却支路的冷却介质流动方向，对相应冷却支路的被监测单元子集内的各被监测单元赋予支路内顺序编号，支路内顺序编号的取值范围为从一至对应冷却支路上的被监测单元数量；

17、将支路内顺序编号的正方向设置为从冷却支路入口指向冷却支路出口。

18、可选的，所述采集冷却支路在微扰写入前的实际流量值，读取冷却支路的内部冷却介质体积，计算冷却支路的平均基准流量和冷却介质停留时间，设置相位激励周期、评估窗口长度、采样周期和微扰流量幅值，形成目标微扰流量序列，具体包括：

19、设置微扰写入前的实际流量采样点总数，采集每条冷却支路在微扰写入前各采样点的实际流量值；

20、对每条冷却支路，将微扰写入前全部实际流量值求和，再除以微扰写入前实际流量采样点总数，得到对应冷却支路的平均基准流量；

21、读取每条冷却支路的内部冷却介质体积，将每条冷却支路的内部冷却介质体积除以同一冷却支路的平均基准流量，得到对应冷却支路的冷却介质停留时间；

22、对每条冷却支路，将对应冷却支路的冷却介质停留时间扩大四倍，得到对应冷却支路的相位激励周期；

23、根据全部冷却支路的相位激励周期设置评估窗口长度和采样周期，使评估窗口长度不小于各冷却支路相位激励周期中的最大值，并使采样周期不大于各冷却支路相位激励周期中的最小值的八分之一；

24、读取每条冷却支路流量执行器的最小可分辨流量步长，当单条冷却支路流量执行器的最小可分辨流量步长不大于同一冷却支路平均基准流量的一半时，将单条冷却支路流量执行器的最小可分辨流量步长作为同一冷却支路的微扰流量幅值，当单条冷却支路流量执行器的最小可分辨流量步长大于同一冷却支路平均基准流量的一半时，将同一冷却支路平均基准流量的一半作为同一冷却支路的微扰流量幅值；

25、对每条冷却支路，在每个离散采样时刻，将离散采样时刻与评估窗口起始采样时刻的时间差除以同一冷却支路的相位激励周期，得到周期比例，将周期比例换算为完整圆周角中的对应角度，将对应角度的正弦值乘以同一冷却支路的微扰流量幅值后与同一冷却支路的平均基准流量相加，形成对应冷却支路的目标微扰流量序列。

26、可选的，所述按冷却支路的入口温度、冷却支路的出口温度和支路内顺序编号计算流路映射温度，构造去均值温度序列、数字孪生相位种子、数字孪生温度振幅和数字孪生去均值温度模板，具体包括：

27、对每个被监测单元，调取对应被监测单元所属冷却支路的入口温度、对应被监测单元所属冷却支路的出口温度、对应被监测单元的支路内顺序编号和对应被监测单元所属冷却支路上的被监测单元数量；

28、对每个被监测单元，将对应被监测单元所属冷却支路上的被监测单元数量加一作为权重分母，将权重分母与对应被监测单元的支路内顺序编号的差值作为入口温度权重分子，将对应被监测单元的支路内顺序编号作为出口温度权重分子，分别对对应被监测单元所属冷却支路的入口温度和对应被监测单元所属冷却支路的出口温度加权后相加，得到对应被监测单元在每个离散采样时刻的流路映射温度；

29、对每个被监测单元，将对应被监测单元在评估窗口内全部离散采样时刻的流路映射温度求和后除以采样点总数，得到对应被监测单元的流路映射温度平均值，再将对应被监测单元在每个离散采样时刻的流路映射温度减去对应被监测单元的流路映射温度平均值，得到对应被监测单元的去均值温度序列；

30、对每个被监测单元，将离散采样时刻与评估窗口起始采样时刻的时间差除以对应被监测单元所属冷却支路的相位激励周期，得到时间相位比例，将对应被监测单元所属冷却支路的冷却介质停留时间与对应被监测单元的支路内顺序编号相乘，再除以对应被监测单元所属冷却支路上的被监测单元数量加一与对应被监测单元所属冷却支路的相位激励周期的乘积，得到空间滞后比例，将时间相位比例与空间滞后比例的差值换算为完整圆周角中的对应角度，得到对应被监测单元的数字孪生相位种子；

31、对每个被监测单元，在评估窗口内逐一计算对应被监测单元的温度值与对应被监测单元的流路映射温度之间偏离量的绝对值，并将全部绝对值求和后除以采样点总数，得到对应被监测单元的数字孪生温度振幅；

32、对每个被监测单元，在每个离散采样时刻计算对应被监测单元的数字孪生相位种子的正弦值，将正弦值乘以对应被监测单元的数字孪生温度振幅，得到对应被监测单元在对应离散采样时刻的数字孪生去均值温度模板。

33、可选的，所述对去均值温度序列和数字孪生去均值温度模板分别进行正弦投影、余弦投影和四象限相位转换，得到实测非负主值相位和数字孪生参考相位，具体包括：

34、对每个被监测单元，在评估窗口内的每个离散采样时刻，将离散采样时刻与评估窗口起始采样时刻的时间差除以对应被监测单元所属冷却支路的相位激励周期，得到周期比例，并将周期比例换算为完整圆周角中的对应角度；

35、对每个被监测单元，在每个离散采样时刻，将对应被监测单元的去均值温度序列在对应离散采样时刻的温度值乘以完整圆周角中的对应角度的正弦值，将全部乘积求和后乘以二并除以采样点总数，得到对应被监测单元的实测正弦投影量；

36、对每个被监测单元，在每个离散采样时刻，将对应被监测单元的去均值温度序列在对应离散采样时刻的温度值乘以完整圆周角中的对应角度的余弦值，将全部乘积求和后乘以二并除以采样点总数，得到对应被监测单元的实测余弦投影量；

37、构造四象限相位变换规则，将横向投影量和纵向投影量作为输入，当横向投影量和纵向投影量均为零时，将四象限相位角取为零，当横向投影量大于零时，对纵向投影量除以横向投影量所得结果进行反正切运算，当横向投影量小于零且纵向投影量不小于零时，在反正切运算结果中加上半个圆周角，当横向投影量小于零且纵向投影量小于零时，在反正切运算结果中减去半个圆周角，当横向投影量等于零且纵向投影量大于零时，将四象限相位角取为四分之一个圆周角，当横向投影量等于零且纵向投影量小于零时，将四象限相位角取为负四分之一个圆周角；

38、对每个被监测单元，将对应被监测单元的实测正弦投影量和对应被监测单元的实测余弦投影量依次作为四象限相位变换规则的横向投影量和纵向投影量，得到对应被监测单元的实测四象限相位角，当对应被监测单元的实测正弦投影量和对应被监测单元的实测余弦投影量均为零时，将对应被监测单元的实测非负主值相位取为零，当对应被监测单元的实测四象限相位角为非负值时，将对应被监测单元的实测四象限相位角作为对应被监测单元的实测非负主值相位，当对应被监测单元的实测四象限相位角为负值时，将对应被监测单元的实测四象限相位角加上一个完整圆周角，得到对应被监测单元的实测非负主值相位；

39、对每个被监测单元，在每个离散采样时刻，将对应被监测单元的数字孪生去均值温度模板在对应离散采样时刻的温度值分别乘以完整圆周角中的对应角度的正弦值和余弦值，将各正弦乘积求和后乘以二并除以采样点总数，得到对应被监测单元的数字孪生正弦投影量，将各余弦乘积求和后乘以二并除以采样点总数，得到对应被监测单元的数字孪生余弦投影量；

40、对每个被监测单元，将对应被监测单元的数字孪生正弦投影量和对应被监测单元的数字孪生余弦投影量依次作为四象限相位变换规则的横向投影量和纵向投影量，得到对应被监测单元的数字孪生四象限相位角，当对应被监测单元的数字孪生正弦投影量和对应被监测单元的数字孪生余弦投影量均为零时，将对应被监测单元的数字孪生参考相位取为零，当对应被监测单元的数字孪生四象限相位角为非负值时，将对应被监测单元的数字孪生四象限相位角作为对应被监测单元的数字孪生参考相位，当对应被监测单元的数字孪生四象限相位角为负值时，将对应被监测单元的数字孪生四象限相位角加上一个完整圆周角，得到对应被监测单元的数字孪生参考相位。

41、可选的，所述计算带符号相位差、主值相位差和归一化相位延迟量，并汇总得到整包相位劣化量和每条冷却支路的平均相位劣化量，具体包括：

42、构造非负截断规则，当输入量大于零时输出输入量，当输入量小于或等于零时输出零；

43、对每个被监测单元，将对应被监测单元的实测非负主值相位减去对应被监测单元的数字孪生参考相位，得到对应被监测单元的带符号相位差；

44、对每个被监测单元，当对应被监测单元的带符号相位差大于半个圆周角时，将对应被监测单元的带符号相位差减去一个完整圆周角得到对应被监测单元的主值相位差，当对应被监测单元的带符号相位差位于负半个圆周角至半个圆周角之间时，将对应被监测单元的带符号相位差作为对应被监测单元的主值相位差，当对应被监测单元的带符号相位差小于负半个圆周角时，将对应被监测单元的带符号相位差加上一个完整圆周角得到对应被监测单元的主值相位差；

45、对每个被监测单元，将对应被监测单元的主值相位差输入非负截断规则，再将非负截断输出结果除以半个圆周角，得到对应被监测单元的归一化相位延迟量；

46、将全部被监测单元的归一化相位延迟量求和，再除以被监测单元总数，得到整包相位劣化量；

47、对每条冷却支路，将同一冷却支路的被监测单元子集内各被监测单元的归一化相位延迟量求和，再除以同一冷却支路对应的被监测单元数量，得到每条冷却支路的平均相位劣化量。

48、可选的，所述计算评估窗口起点和终点的整包温差占量，对温差占量减少程度进行归一化处理，得到温度缓解比，计算等效热容和热释放等价值，具体包括：

49、在评估窗口起点，对每个被监测单元计算对应被监测单元在评估窗口起点的温度值与对应被监测单元在评估窗口起点的流路映射温度之间的差值，将差值输入非负截断规则，并将全部被监测单元的非负截断输出结果求和，得到评估窗口起点的整包温差占量；

50、在评估窗口终点，对每个被监测单元计算对应被监测单元在评估窗口终点的温度值与对应被监测单元在评估窗口终点的流路映射温度之间的差值，将差值输入非负截断规则，并将全部被监测单元的非负截断输出结果求和，得到评估窗口终点的整包温差占量；

51、当评估窗口起点的整包温差占量等于零时，将温度缓解比取为零，当评估窗口起点的整包温差占量大于零时，将评估窗口起点的整包温差占量减去评估窗口终点的整包温差占量，将所得差值输入非负截断规则，再将非负截断输出结果除以评估窗口起点的整包温差占量，得到温度缓解比；

52、对每个被监测单元，读取每个被监测单元的电芯部分质量、电芯材料比热容、壳体部分质量和壳体材料比热容，将电芯部分质量与电芯材料比热容相乘得到电芯热容项，将壳体部分质量与壳体材料比热容相乘得到壳体热容项，将电芯热容项与壳体热容项相加，得到对应被监测单元的等效热容；

53、对每个被监测单元，将对应被监测单元在评估窗口起点的温度值减去对应被监测单元在评估窗口终点的温度值，将所得差值输入非负截断规则，再将非负截断输出结果乘以对应被监测单元的等效热容，并将全部被监测单元的乘积求和，得到评估窗口内的热释放等价值。

54、可选的，所述对热管理系统总功率进行离散积分，得到热管理系统消耗能量，并结合热释放等价值、温度缓解比和整包相位劣化量计算整包热管理效能值，具体包括：

55、在评估窗口内，按照相邻采样区间逐段读取热管理系统总功率，将每个采样区间起点的热管理系统总功率乘以采样周期，并将全部乘积求和，得到评估窗口内热管理系统消耗能量；

56、将热释放等价值与热管理系统消耗能量相加，当热释放等价值与热管理系统消耗能量的相加结果等于零时，将能量匹配比取为零，当热释放等价值与热管理系统消耗能量的相加结果大于零时，将热释放等价值除以热释放等价值与热管理系统消耗能量的相加结果，得到能量匹配比；

57、将能量匹配比与温度缓解比相乘，得到效能分子，将整包相位劣化量加一得到效能分母，将效能分子除以效能分母，得到整包热管理效能值；

58、记录整包热管理效能值作为整包热管理效能结果。

59、可选的，所述对冷却支路按每条冷却支路的平均相位劣化量和冷却支路编号进行排序，根据整包热管理效能值得到整包效能等级，并输出评估结果结构，具体包括：

60、构造冷却支路排列映射，将有序位置映射到具体冷却支路编号，并使每一个有序位置对应一个冷却支路编号、每一个冷却支路编号在冷却支路排列映射中出现一次；

61、按照冷却支路的平均相位劣化量从高到低排列各冷却支路，使排序在前的冷却支路的平均相位劣化量不低于排序在后的冷却支路的平均相位劣化量；

62、当两个冷却支路的平均相位劣化量相同时，将冷却支路编号较小的冷却支路排列在冷却支路编号较大的冷却支路之前；

63、设置效能等级划分的区间宽度为四分之一；

64、当整包热管理效能值大于或等于四分之三且小于或等于一时，输出整包效能等级为一级，当整包热管理效能值大于或等于二分之一且小于四分之三时，输出整包效能等级为二级，当整包热管理效能值大于或等于四分之一且小于二分之一时，输出整包效能等级为三级，当整包热管理效能值大于或等于零且小于四分之一时，输出整包效能等级为四级；

65、构建评估结果结构，评估结果结构包括整包热管理效能值、整包效能等级和排序后的冷却支路相位劣化结果列表，冷却支路相位劣化结果列表包括每个有序位置对应的冷却支路编号及对应冷却支路的平均相位劣化量。

66、本发明具备以下有益效果：

67、1、将电池包内的被监测单元和冷却支路同时建模，并明确每个被监测单元所属的冷却支路以及在冷却介质流动方向上的顺序位置，使后续温度分析不再只是孤立地处理单个温度点，而是能够把温度数据放入冷却支路的空间结构中理解。为后续流路温度映射、相位滞后分析和支路级劣化排序提供了统一的数据基础，避免传统评估中只统计整包最高温度、最低温度或平均温度而忽略冷却流向和支路归属的问题。与现有技术中以传感器点位直接采样、直接比较阈值的做法相比，本方案把采集项、空间位置和支路关系结合起来，使温度评价具有结构化基础，有利于提高后续效能计算的可追溯性和诊断精度。

68、2、基于冷却支路的平均基准流量、内部冷却介质体积、冷却介质停留时间和执行器最小可分辨流量步长，形成可控且幅值受限的目标微扰流量序列。通过较小幅度的流量扰动激发冷却系统的动态响应，使后续能够从温度变化的相位特征中识别冷却传递的迟滞程度，同时又避免过大的流量变化影响电池系统正常运行或引入额外扰动。与现有技术中依赖静态温差、固定工况测试或经验阈值判断的方式相比，本方案通过受控微扰主动激励热管理系统，使评估对象从温度结果扩展到冷却响应过程，能够更早发现潜在劣化，并增强评估结果对实际热管理能力的敏感性。

69、3、根据被监测单元在所属冷却支路上的顺序位置，将冷却支路入口温度和出口温度映射到被监测单元位置，并进一步构造对应被监测单元的去均值温度序列、数字孪生相位种子、数字孪生温度振幅和数字孪生去均值温度模板。建立了实际温度响应与理想化流路温度响应之间的可比较基准，使后续相位判断不再缺少参照对象。与现有技术中直接比较被监测单元温度和固定阈值的方式相比，本方案通过数字孪生模板给每个被监测单元建立个性化参考温度响应，使评价更加贴合冷却支路结构和流动规律，有助于减少误判并提高局部异常识别能力。

70、4、将被监测单元的去均值温度序列和数字孪生去均值温度模板分别投影到周期性基准上，并通过四象限相位变换得到实测非负主值相位和数字孪生参考相位。把温度响应从单纯的幅值变化转化为相位特征，使冷却响应的时间滞后能够被量化表达。与现有技术中主要关注温度大小、温升速率或热管理功耗的做法相比，本方案引入相位维度，能够识别冷却动作已经发生但传递迟缓的问题，从而增强对动态热管理性能的判断能力。特别是通过数字孪生参考相位作为对照，可以避免仅凭实测相位本身难以判断优劣的问题，使相位结果具有明确评价基准。

71、5、将实测非负主值相位与数字孪生参考相位进行比较，经过主值处理和非负截断后形成归一化相位延迟量，并进一步得到整包相位劣化量和每条冷却支路的平均相位劣化量。能够把每个被监测单元的冷却响应迟滞转化为统一尺度的劣化指标，并能够从整包层面和支路层面同时观察热管理退化情况。与现有技术中以最大温差、最高温度或平均温度作为主要评价依据的方式相比，本方案能够将响应时间上的落后作为独立评价对象，尤其适合识别冷却支路换热迟滞、局部热阻增加和流量分配异常等问题。支路平均相位劣化量还可以直接服务于支路排序和故障定位，提高评估结果的工程可用性。

72、6、同时考察评估窗口起点和终点的整包温差占量，并结合每个被监测单元的等效热容计算热释放等价值，从而把温度偏离缓解效果与电池单元自身热容量特性联系起来。避免只用温度下降幅度评价热管理效果，因为不同被监测单元的质量、材料比热容和壳体热特性不同，相同的温度下降可能对应不同的热量释放效果。与现有技术中只统计温度差值或温度下降率的做法相比，本方案通过温度缓解比描述温差占量的改善程度，并通过等效热容与温度变化结合形成热释放等价值，使评价结果同时反映温度层面的缓解和热量层面的释放，更适合用于判断热管理系统的真实降热能力。

73、7、将热释放等价值、热管理系统消耗能量、温度缓解比和整包相位劣化量进行组合，形成整包热管理效能值。把降热效果、能量投入、温度缓解程度和冷却响应迟滞统一纳入一个效能评价结果，使热管理效果不再只看温度是否下降，也不只看能耗是否较低，而是关注能耗投入与热缓解结果之间是否匹配，以及响应过程是否存在劣化。与现有技术中单独计算能耗、单独判断温度或单独输出告警等级的方式相比，本方案能够形成综合效能指标，更适合用于不同运行周期、不同冷却策略和不同支路状态之间的横向比较，为热管理控制优化提供更直接的量化依据。

74、8、不仅输出整包热管理效能值和整包效能等级，还对冷却支路按照平均相位劣化量进行排序，并在劣化量相同的情况下按照冷却支路编号进行稳定排序，最终形成包含整包结果和支路劣化结果列表的评估结果结构。让评估结果从单一数值扩展为可解释、可定位、可排序的诊断信息。与现有技术中只输出合格、不合格或单一温度报警结果的方式相比，本方案能够将整包等级评价与支路定位信息结合起来，提升评估结果的工程可执行性。通过分级输出，方案也便于与车辆控制系统、储能管理系统或运维平台对接，使热管理效能评价结果能够直接转化为运行策略调整、维护优先级排序和安全风险提示。