一种电池表面温度分布估计方法及系统与流程

1.本发明属于电池管理技术领域，涉及一种电池表面温度分布估计方法及系统。


背景技术：

2.锂离子电池作为储能装置被广泛地运用于电动汽车及移动机器人中，其性能受到温度影响较大。随着电池本体技术的发展，锂离子电池能量密度不断提高，热安全问题越来越值得重视。由于电池内正负两极集流体的汇流作用，锂离子电池的产热不均导致温度分布不均，在一些工况下，单体电池上的温度差异甚至超过10℃，极大影响了电池的安全性以及使用寿命。因此，建立一个能快速估算电池表面温度分布的热模型显得尤为重要。
3.在电池温度分布研究中，由于电池是一个复杂的多物理场耦合系统，不同因素之间相互关联，内部状态不断变化且难以测量，这给电池温度估计的实时性和准确性增加了难度。
4.当前电池热模型研究可主要分为两类，电
‑
热耦合模型及电化学
‑
热耦合模型，包含电化学特性子模型、电特性子模型以及传热子模型。电化学
‑
热耦合模型主要是从电化学反应层面上描述电池工作特性，基于能量守恒进而得到电池的产热，结合传热模型得到温度分布规律。该模型有较高的精度，但由于其模型复杂度及参数辨识的难度较大而不适合用于实时的温度估计；电
‑
热耦合模型通过对电池的宏观特性等进行分析(如：电压、电流、电阻、荷电状态(soc)等)计算产热量，该模型计算速度快及准确性较好，但由于其一般通过总内阻计算热量，往往只适用于整体温度估计而无法考虑温度的分布规律。在传热子模型方面，以三维有限元模型以及一维集总参数热模型为代表，其优缺点较为明显，三维模型能较好反应出电池温度分布规律但计算量大，一维模型计算速度快但难以反应温度的空间分布规律。
5.现有方法中未能实现高精度、速度快的单体电池温度分布规律估计，而难以对电池在瞬态工况下的温度特性进行在线评估。因此，如何同时在小计算量的情况下，对于电池在实际使用中的瞬态温度分布进行精确预估，也是本领域技术人员亟待解决的重点问题。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种电池表面温度分布估计方法及系统，旨在解决现有技术中不能实现单体电池温度分布的快速估计，计算复杂度高，不利于实际应用的缺陷性技术问题。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
8.本发明公开了一种单体电池温度分布的快速估计方法，包括以下步骤：
9.1)在脉冲循环充放电工况下测量并获取电池特征点的温度值；在不同温度下进行混合脉冲功率特性hppc试验并获取电压值和电流值；
10.2)根据步骤1)获得的温度值、电压值和温度值建立三热源传热模型以及电阻分布式等效电路模型；
11.3)根据最小二乘算法离线辨识步骤2)建立的三热源传热模型和电阻分布式等效电路模型中的未知参数；
12.4)根据步骤3)得到离线辨识的未知参数计算电池特征点的瞬时温度，实现电池表面温度的分布估计。
13.优选地，在步骤2)中，电阻分布式等效电路模型的参数包括总欧姆内阻r0、极化内阻r1以及极化电容c1；电阻分布式等效电路模型在一阶rc等效电路基础上将总欧姆内阻r0等效为不同分布式内阻r
e1
、r
e2
、r
p
和r
n
，将不同分布式内阻通过串联和并联结合对应不同热源。优选地，在步骤2)中，三热源传热模型包括三个独立热源q1、q2和q3，三个独立热源对应的热容为c
t1
、c
t2
和c
t3
，以及三个独立热源对应的传热热阻r
x1
、r
x2
、r
y1
、r
y2
和r
h
。
14.优选地，在步骤3)中，包括如下步骤：
15.a)、根据正、负极耳附近温度t2和t3完成对两极耳处热源q2和q3及其关联热阻r
x1
和r
x2
的估计；
16.b)、根据混合脉冲功率特性hppc试验数据估计电池总欧姆内阻r0、极化内阻r1和电容c1；
17.c)、根据估计的正、负极耳处热源q2和q3推算欧姆内阻分量r
e1
和r
e2
，计算得到中间热源q1的值；
18.d)、根据电池本体中间温度t1以及下部温度t4估计相应部位的传热热阻r
y1
、r
y2
和r
h
参数，其中r
h
为电池与空气之间的传热热阻。
19.优选地，在步骤4)中，包括如下步骤：
20.a)、在电池温度的瞬态计算中，根据初始温度、电流和电池荷电状态soc，计算电池总欧姆内阻r0以及各欧姆内阻分量r
e1
和r
e2
；
21.b)、根据生热公式计算三个热源q1、q2和q3的瞬时生热量，再根据三热源传热模型计算四个特征点瞬时温度t1、t2、t3和t4；
22.其中，中间本体热源q1包括欧姆热、可逆热和极化热，正、负极耳两处热源q2和q3以欧姆热形式体现；
23.c)、完成一个时间步长的温度计算后，更新电池荷电状态soc，并转入更新测量时刻t＝t 1，重新执行步骤b)再次计算瞬时生热量以及瞬时温度，循环至预设时间结束或电池荷电状态soc达到限值；
24.其中，电池荷电状态的计算方法如下：i表示为电流；q
c
表示为标称电荷容量。
25.优选地，电池表面温度分布估计过程中，在恒流放电工况和混合道路循环工况下验证三热源传热模型及电阻分布式等效电路模型在瞬态温度的精度和工况适应性。
26.优选地，在脉冲循环脉冲充放电过程中，充放电过程中产生的可逆热相互抵消，能够使电池热源保持稳定利于参数辨识。
27.优选地，通过拟合不同环境温度下的混合脉冲功率特性hppc测试数据，获取总欧姆内阻随温度及电池荷电状态soc的变化规律；
28.通过拟合熵热系数，得到电池产生的可逆热随电池荷电状态soc的变化规律。
29.优选地，监控步骤b)中四个特征温度点的实时温度，能够通过插值估算得到电池
单体的温度分布。
30.本发明还提出了一种电池表面温度分布估计方法的估计系统，包括：
31.实际参数获取模块，用于在脉冲循环充放电工况下测量并获取电池特征点的温度值，在不同温度下进行混合脉冲功率特性hppc试验并获取电压值和电流值；
32.模型建立模块，用于建立三热源传热模型以及电阻分布式等效电路模型；
33.模型参数获取模块，用于获取三热源传热模型以及电阻分布式等效电路模型的未知参数，再根据未知参数计算电池特征点的瞬时温度。
34.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
35.1)、本发明公开了一种电池表面温度分布估计方法，基于三热源电
‑
热耦合模型估计单体电池温度分布，该方法根据实际应用需要，首次提出三热源传热模型和电阻分布式等效电路模型，对三热源传热模型进行创新设计，通过将单体电池的不均匀产热等效为三个独立热源，实现迅速、准确地单体电池特征点温度瞬时估计。本发明提供的上述方法能够实现高精度的瞬时温度分布估计，提高了电池热管理系统的实时温度估计能力。
36.2)、本发明简化算法设计，通过采集单体电池特征点在脉冲循环充放电工况和不同温度下进行混合脉冲功率特性hppc试验，获得电池单体的温度值、电压值和电流值，在不同测试条件下分别辨识得到三热源传热模型的未知参数和电阻分布式等效电路模型的未知参数，避免电
‑
热耦合作用带来的参数辨识难度，简化了温度分布计算量，大幅降低计算复杂度，易于实际应用。
37.进一步地，本发明的算法步骤设计合理，在对不同特征点的瞬时温度计算中，直接利用不同热源以及热阻进行计算，避免了现有技术中采用有限元计算划分大量网格获得电池温度分布，大大减少了计算量。
38.本发明还提出了一种电池表面温度分布估计方法的估计系统，采用模块化思想来实现初至拾取，使各个模块之间相互独立，便于实现对各个模块的统一管理。
附图说明
39.图1为本发明所提出的方法进行电池温度估计的流程图；
40.图2为电池三热源电
‑
热耦合模型图；其中，(a)为三热源传热模型，(b)为电阻分布式电模型；
41.图3为本实施例中25℃下hppc试验电压特性曲线；
42.图4为本实施例中2c倍率下循环脉冲充放电下电特性；
43.图5为本实施例中1c和3c倍率下参数辨识结果验证；其中，(a)为1c倍率实验结果验证，(b)为3c倍率实验结果验证；
44.图6为本实施例中恒流放电温度估计结果；其中，(a)为1c倍率温度验证，(b)为2c倍率温度验证；
45.图7为本实施例中混合道路循环工况下模型验证结果；其中，(a)为电压验证，(b)为温度验证。
具体实施方式
46.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的
附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
47.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
48.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
49.参见图1所示流程图，为本发明提供的一种电池表面温度分布估计方法，包括以下步骤：
50.1)、在脉冲循环充放电工况以及不同温度下进行混合脉冲功率特性hppc试验下测量并获取单体电池特征点的温度值、电池电压和电流测量值，电池特征点的温度值是四个特征点表面温度；
51.2)、根据步骤1)获得的温度值、电压值和温度值建立建立三热源传热模型以及分布式一阶rc等效电路模型；
52.在步骤2)中，电阻分布式等效电路模型的参数包括总欧姆内阻r0、极化内阻r1以及极化电容c1；电阻分布式等效电路模型在一阶rc等效电路基础上将总欧姆内阻r0等效为不同分布式内阻r
e1
、r
e2
、r
p
和r
n
，将不同分布式内阻通过串联和并联结合对应不同热源；
53.在步骤2)中，三热源传热模型包括三个独立热源q1、q2和q3，三个独立热源对应的热容为c
t1
、c
t2
和c
t3
，以及三个独立热源对应的传热热阻r
x1
、r
x2
、r
y1
、r
y2
和r
h
；正负两极耳处分别对应两个热源q2和q3，电池本体处对应一个热源q1；
54.3)、根据最小二乘算法离线辨识步骤2)建立的电阻分布式等效电路模型和三热源传热模型中的未知参数包括以下步骤：
55.a)、根据正、负极耳附近温度t2和t3完成对两极耳处热源q2和q3及其关联热阻r
x1
和r
x2
的估计；
56.b)、根据混合脉冲功率特性hppc试验数据估计电池总欧姆内阻r0、极化内阻r1和电容c1；
57.c)、根据估计的正、负极耳处热源q2和q3推算欧姆内阻分量r
e1
和r
e2
，计算得到中间热源q1的值；
58.d)、根据电池本体中间温度t1以及下部温度t4估计相应部位的传热热阻r
y1
、r
y2
和r
h
参数，其中r
h
为电池与空气之间的传热热阻。
59.具体的：在上述步骤中，辨识电池总欧姆内阻r0：其中δu0为瞬间电压变化，i为测试电流；
60.根据电池一阶rc等效电路模型推导得出电压满足以下方程：
61.其中时间常数τ1＝r1c1，u
ocv
为开路电压，r1和c1为极化内阻和极化电容。
62.根据最小二乘法辨识电池极化电压和极化内阻：其中u
exp
(t)为试验值，u(t)为拟合值，j表示为电压方差的最小值。辨识热源q2,q3以及热阻r
x1
r
h
,r
x2
r
h
：其中c
t2
,c
t3
为对应热容t
amb
表示为环境温度；r
x1,2
表示为电池内部传热热阻；r
h
表示为电池对环境的散热热阻；q
2,3
表示为正负极处对应热源；t
c
表示为电池初始温度；
63.根据总欧姆内阻r0、辨识热源q2和q3辨识电路模型中内阻分量r
e1
和r
e2
：其中，r
p
表示为正极处内阻；r
n
表示为负极处内阻；i表示为总电流；
64.辨识热源q1以及热阻r
y1
和r
y2
：
[0065][0066]
辨识热阻r
h
：
[0067]
优选地，步骤3)中，参数辨识过程采用稳态工况测试数据，包括不同环境温度下的混合脉冲功率特性(hppc)测试以及0.5soc下的循环脉冲充放电测试：
[0068]
1)hppc测试：电池充满电情况下，以1c放电6分钟，搁置30分钟，再执行20秒的脉冲充放电一次，搁置10分钟；循环以上步骤直到soc降至0.1，并根据电压曲线变化计算电流中内阻值以及电容值。在不同环境温度下重复以上步骤，完成不同温度下的等效电路内阻以及电容估计；
[0069]
2)脉冲循环充放电测试：当soc为0.5时，执行充放电各10秒，循环100次，；在1c、2c、3c倍率下重复以上步骤，根据电池各区域的不同温度完成对热阻的估计。
[0070]
优选地，步骤3)中，参数辨识算法为最小二乘参数辨识算法。
[0071]
优选地，步骤3)中，参数辨识主要分为两部分：根据正负极耳附近温度t2和t3完成对两极耳处热源q2和q3及其关联热阻r
x1
和r
x2
的估计；根据hppc试验数据估计电池欧姆内阻r0、极化内阻r1和电容c1；根据估计的极耳处热源推算欧姆内阻分量r
e1
和r
e2
，计算得到中间热源q1的值；根据电池本体中间温度t1以及下部温度t4估计相应部位的传热热阻r
y1
、r
y2
和r
h
参数，其中r
h
为电池与空气之间的传热热阻。
[0072]
4)、根据步骤3)得到的未知参数计算电池特征点的瞬时温度，通过插值得到整体的温度分布，利用恒流放电工况以及混合道路循环工况数据验证三热源传热模型及电阻分布式等效电路模型精度以及工况适应性，实现电池表面温度的分布估计及验证。
[0073]
包括以下步骤：
[0074]
a)、在电池温度的瞬态计算中，根据初始温度、电流和电池荷电状态soc，计算电池总欧姆内阻r0以及各欧姆内阻分量r
e1
和r
e2
；
[0075]
b)、根据生热公式计算三个热源q1、q2和q3的瞬时生热量，再根据三热源传热模型计算四个特征点瞬时温度t1、t2、t3和t4；
[0076]
其中，中间本体热源q1包括欧姆热、可逆热和极化热，正、负极耳两处热源q2和q3以欧姆热形式体现；
[0077]
c)、完成一个时间步长的温度计算后，更新电池荷电状态soc，并转入更新测量时刻t＝t 1，重新执行步骤b)再次计算瞬时生热量以及瞬时温度，循环至预设时间结束或电池荷电状态soc达到限值；
[0078]
其中，电池荷电状态的计算方法如下：i表示为电流；q
c
表示为标称电荷容量。
[0079]
优选地，步骤4)中，混合道路循环工况由两种典型城市道路工况循环(udds、nedc)组成，先进行2c倍率充电至截止电压，之后转入三个udds(urban dynamometer driving schedule)工况测试，再执行2c倍率充电至截止电压，最后完成三个nedc(new european driving cycle)工况测试。
[0080]
优选地，步骤4)中，一般只需监控四个特征温度点的实时温度，即可通过插值估算得到电池单体的温度分布。
[0081]
初始化t
‑
1时刻的参数如电流i(t
‑
1)、温度t(t
‑
1)、电荷状态soc(t
‑
1)；
[0082]
具体的，在以上步骤中：
[0083]
i)、在电池瞬态温度计算之前，根据经验公式对不同温度及soc下的电池内阻进行拟合。根据经验公式计算电池总内阻以及分阻值在当前温度以及soc下的熵热系数，并利用多项式拟合计算：
[0084]
其中a0,a1,a2,c0为拟合系数；其中，t0表示为测试温度；soc表示为电池荷电状态；
[0085]
ii)、根据拟合公式计算熵热系数：其中b0,b1,b2,b3,b4为拟合系数；
[0086]
计算瞬态热源q2(t)和q3(t)：
[0087]
计算瞬态温度t2和t3：：
[0088]
计算瞬态热源q1(t)：
[0089]
计算瞬态温度t1和t4：
[0090]
iii)预设时间及soc判断：若满足t＜t
n
或0＜soc＜1，其中t
n
为预设时间，则soc更新：时间更新：t＝t 1，并返回第ii)步，继续循环直到系统过程结束；否则，系统过程结束；
[0091]
所述预设时间t
n
为根据实际运行工况提前预设的量；
[0092]
所述电池为锂电池、镍镉电池、镍氢电池或铅酸电池等。
[0093]
其中，电池特征点温度估计是基于三热源电热耦合模型实现的，如图2所示。其中电模型包括由开路电压源v
oc
及电池欧姆内阻r0、极化内阻r1、极化电容c1组成的rint模型部分，以及分布式电阻r
e1
和r
e2
。测量电流记为i，测量端电压为v0；热模型包括三个独立热源q1、q2和q3，对应的热容为c
t1
、c
t2
和c
t3
，以及传热热阻r
x1
、r
x2
、r
y1
、r
y2
和r
h
；
[0094]
参见图2可知，三个热源q1、q2和q3与电池表面温度t1、t2、t3和t4存在关系，温度估计表达式如下所示：
[0095][0096]
根据预设时间步长，将方程在时间域进行离散，进而进行迭代更新各点的温度，其离散化温度估计表达式如下所示：
[0097][0098]
实施例：
[0099]
本实施例采用的电池为三元锂软包电池，标称容量为10ah，上限电压为4.2v，下限电压为2.75v。为模拟单体电池在不同工况下的适应性，采取稳态工况以及瞬态工况以验证所述方法。
[0100]
对电模型中电阻及电容进行参数辨识，分别在25℃、30℃、35℃、40℃下进行混合脉冲功率特性(hppc,hybrid pulse power characteristic)测试，25℃下电池电压特性由图3所示；对热模型中热源及热阻进行参数辨识，以2c倍率脉冲循环充放电试验的温度作为
作为数据进行辨识，每个循环充电放电各10s，共循环100次，由图4可见，之后对辨识出的数据代入1c和3c倍率下试验数据进行验证。不同倍率下循环脉冲充放电的估计结果参见图5。由图5可见，试验值与计算值吻合程度较好，验证了参数辨识结果的稳定性；1c倍率下的温度波动要大于3c倍率，当t>1000s时，整体温度趋于稳定，说明了在该工况下内阻的稳定性。
[0101]
为验证在内阻随温度以及soc瞬时变化的工况下对表面温度的估计，进行了不同倍率下恒流放电工况以及混合道路循环工况下的实验，在这两种工况下，估计时间小于1s，从而说明了该方法用于单体温度估计的快速性。
[0102]
1c和2c恒流放电条件下各点温度估计结果参见图6。由图6可见，最高温度出现在靠近正极的测点1，而最低温度出现在电池底部的测点4，从试验值和计算值之间的对比来看，1c倍率下最大误差为0.9℃而2c倍率下温度最大误差为1.4℃，估计温度值可以实现良好的精度；同时可得1c倍率下最大温差为3.6℃，而在1c倍率下，最大温差则达到了6.8℃。
[0103]
为验证瞬态情况下电池温度估计的响应性以及精度，在混合道路循环工况下进行测试，电压和温度估计结果参见图7。由图7可见，测点1和测点4温度试验值与计算值吻合性较好，过程中的最大偏差不超过1℃，均方根误差不超过0.3℃，且可以在1s内计算完成四个测点的温度，验证了长时间瞬态工况下温度估计的准确性以及响应性。
[0104]
本发明从实际安全角度出发，研究了单体电池在不同工况下的温度分布，在短时间的情况下得到电池特征区域的温度，提高了目前温度估计的运算效率，利于扩展到实际的实时监控。
[0105]
本发明提出一种单体电池三热源热模型以及电阻分布式等效电路模型，利用模型耦合对特征温度点进行估计，属于模型的创新设计；通过电模型与热模型之间的耦合作用，可实现在瞬时工况下单体电池温度分布的实时估计，应用到实际中也可以对电池单体热不均匀性进行定量诊断。此外，本技术通过对算法的创新设计，选取了脉冲循环充放电试验数据和hppc试验数据，先分别对热模型以及电模型中的参数进行辨识，之后再结合起来即可实现对整个电
‑
热耦合模型的参数辨识，而不需要因为耦合作用同时对两个模型中的所有参数进行相关的辨识，从而有效降低辨识难度和计算复杂度。此外，现有温度分布估计方法需要对多个节点进行计算，而本发明中则直接利用四个特征点的温度进行插值计算即可获得单体电池的温度分布。
[0106]
本发明公开了一种电池表面温度分布估计方法，基于三热源电
‑
热耦合模型估计单体电池表面温度分布的方法，该方法包括步骤：建立三热源传热模型以及电阻分布式电模型；不同工况下测量并获取电池特征点的温度值以及电压值和电流值；分别对三热源传热模型及电阻分布式等效电路模型中相关参数进行辨识；在稳态和瞬态工况下验证模型的精度和响应性。本发明根据实际应用需要，首次提出三热源电
‑
热耦合模型，实现对单体电池温度分布的快速估计，过程中仅选取单体电池中四个温度特征点进行分析，大幅降低计算复杂度，易于实际应用，对电池组热管理设计及在线监测具有重要意义。
[0107]
本发明还提出了一种电池表面温度分布估计方法的估计系统，包括：
[0108]
实际参数获取模块，用于在脉冲循环充放电工况下测量并获取电池特征点的温度值，在不同温度下进行混合脉冲功率特性hppc试验并获取电压值和电流值；
[0109]
模型建立模块，用于建立三热源传热模型以及电阻分布式等效电路模型；
[0110]
模型参数获取模块，用于获取三热源传热模型以及电阻分布式等效电路模型的未
知参数，再根据未知参数计算电池特征点的瞬时温度。
[0111]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。