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CN112477698B - 一种动力电池主动热管理系统及控制方法 - Google Patents

一种动力电池主动热管理系统及控制方法 Download PDF

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CN112477698B CN202011285697.3A CN202011285697A CN112477698B CN 112477698 B CN112477698 B CN 112477698B CN 202011285697 A CN202011285697 A CN 202011285697A CN 112477698 B CN112477698 B CN 112477698B
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Zhuhai Enpower Electric Co Ltd
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Sun Yat Sen University
Zhuhai Enpower Electric Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种动力电池主动热管理系统及控制方法，该系统包括：车辆动力系统模型、电池热管理系统模型和控制策略模型。该方法包括：模拟车辆行驶工况并计算得到电机功率；根据电机功率输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；根据预设规则、系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息对系统进行控制。通过使用本发明，能够全面评价动力电池主动热管理性能。本发明作为一种动力电池主动热管理系统及控制方法，可广泛应用于电池热管理技术领域。

Description

一种动力电池主动热管理系统及控制方法
技术领域
本发明属于电池热管理技术领域，尤其涉及一种动力电池主动热管理系统及控制方法。
背景技术
动力电池包作为电动汽车的储能部件，在大电流充放电时会产生大量热，过高或过低的温度都会对电池的使用性能产生很大的负面影响，如加速寿命衰减，甚至发生热失控等，同时电池在低温状态下，车辆续驶里程会大幅衰减，充放电效率也严重受限。因此在整车开发阶段，必须从整车高低温性能的角度开发热管理系统，保证车辆的使用低成本，消除里程焦虑，提升车辆的使用舒适性。
动力电池主动热管理系统可以实时将电池工作温度控制在理想范围之内，减小电池的容量衰减速率，但是不科学的主动热管理系统将会加剧电池系统能量的消耗，影响续航里程。目前，动力电池管理系统产品的测试验证资金及时间成本较高，而且无法实时对设计方案进行验证。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种动力电池主动热管理系统及控制方法，从温度特性、能耗特性和电池容量衰减等方面全面评价动力电池主动热管理性能。
本发明所采用的第一技术方案是：一种动力电池主动热管理系统，包括以下模型：
车辆动力系统模型，用于接收输入的车辆模拟行驶工况并输出电机功率；
电池热管理系统模型，用于接收车辆动力系统模型输出的电机功率并输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；
控制策略模型，用于根据预设规则对车辆动力系统模型和电池热管理模型进行控制。
进一步，所述车辆动力系统模型还包括车辆牵引力模块、电机模块和传动模块：
车辆牵引力模块，用于动态模拟汽车行驶过程的牵引力大小；
传动模块，用于模拟传动效率，连接车轮牵引力模块和电机模块；
电机模块，用于根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率。
进一步，所述电池热管理系统模型还包括电池电特性模块、电池产热模块、电池散热模块、电池劣化模块和系统能耗模块：
电池电特性模块，用于根据车辆动力系统模型输出的功率谱模拟电池的电压电流特性；
电池产热模块，用于根据电压电流和电池健康状态输出电池产热率；
电池散热模块，用于根据电池产热率和流道参数输出电池温度并按预设规则执行散热控制；
电池劣化模块，用于模拟电池充放电循环过程的容量衰减并输出电池健康状态；
系统能耗模块，用于模拟能量消耗输出耗电量。
进一步，所述根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率计算公式如下：
Figure BDA0002782238510000021
上式中，
Figure BDA0002782238510000022
为电机输出功率，
Figure BDA0002782238510000023
为电机扭矩，
Figure BDA0002782238510000024
为转速，ηM为电机效率。
进一步，所述电池劣化模块包括循环容量损失和存储容量损失，其表达式如下：
QLOSS，％＝QLOSS，CYC+QLOSS，CAL
上式中，QLOSS，％为总容量衰减百分比，QLOSS，CYC为循环容量损失，QLOSS，CAL为存储容量损失。
进一步，所述循环容量损失的计算公式如下：
QLOSS，CYC＝(aT2+bT+c)exp[(d·TCELL+e)IRATE]AhTH
上式中，IRATE为放电倍率，AhTH为累计安时数，TCELL为电池温度，a，b，c，d，e和fC为模型系数。
进一步，所述存储容量损失的计算公式如下：
Figure BDA0002782238510000025
上式中，tCAL为老化时间，EAE为电池活化能，RGAS为气体常数。
进一步，所述控制策略模型的控制对象为系统能耗模块中的风机和空调，通过电池温度和温度预设值的比较结果控制风机和空调的开闭
本发明所采用的第二技术方案是：一种动力电池主动热管理控制方法，包括以下步骤：
模拟车辆行驶工况并计算得到电机功率；
根据电机功率输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；
根据预设规则、系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息对系统进行控制。
本发明方法及系统的有益效果是：从温度特性、能耗特性和电池容量衰减等方面全面评价动力电池主动热管理性能，为控制策略的制定提供指导，节省了动力电池热管理系统开发成本，确保电动汽车动力电池高效率、长寿命的运行。
附图说明
图1是本发明一种动力电池主动热管理系统框图；
图2是本发明具体实施例电池热管理系统模型结构框图；
图3是本发明一种动力电池主动热管理方法步骤流程图；
图4是本发明具体实施例动力电池主动热管理系统疾控控制策略模型的逻辑框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明提供了一种动力电池主动热管理系统，该系统包括以下模型：
S1、车辆动力系统模型，用于接收输入的车辆模拟行驶工况并输出电机功率；
S2、电池热管理系统模型，用于接收车辆动力系统模型输出的电机功率并输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态SoH和电池健康状态差异信息ΔSoH；
S3、控制策略模型，用于根据预设规则对车辆动力系统模型和电池热管理模型进行控制。
进一步作为本发明的优选实施例，所述车辆动力系统模型还包括以下模块：
车辆牵引力模块，用于动态模拟汽车行驶过程的牵引力大小；
具体地，计算公式如下：
Figure BDA0002782238510000031
Figure BDA0002782238510000032
Figure BDA0002782238510000033
Figure BDA0002782238510000034
Figure BDA0002782238510000035
其中，
Figure BDA0002782238510000036
为滚动阻力，
Figure BDA0002782238510000037
为空气阻力，
Figure BDA0002782238510000038
为上坡驱动力，
Figure BDA0002782238510000039
惯性力，mVEH为车辆质量，g为重力加速度，fRRC为滚动摩擦阻力，
Figure BDA00027822385100000310
为车速，AFA，CADC，ρAIR分别为汽车迎风面积，空气阻力系数，空气密度；α为道路坡度，δRMCC为旋转质量校正系数。
传动模块，用于模拟传动效率，连接车轮牵引力模块和电机模块；
电机模块，用于根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率。
进一步作为本方法优选实施例，所述根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率计算公式如下：
Figure BDA0002782238510000041
上式中，
Figure BDA0002782238510000042
为电机输出功率，
Figure BDA0002782238510000043
为电机扭矩，
Figure BDA0002782238510000044
为转速，ηM为电机效率。
另外还包括：
Figure BDA0002782238510000045
Figure BDA0002782238510000046
上式中，rR，iG，iO，ηT分别表示车轮半径、传动比、最终传动比和总传动系统效率。
进一步作为本发明的优选实施例，所述电池热管理系统模型还包括以下模块：
电池电特性模块，用于根据车辆动力系统模型输出的功率谱模拟电池的电压电流特性；
具体地，电池组输出功率数学计算：
Figure BDA0002782238510000047
其中，
Figure BDA0002782238510000048
为电池组的总输出功率；
Figure BDA0002782238510000049
为制动能量回收功率；
Figure BDA00027822385100000410
为BTMS消耗的能量。
电池产热模块，用于根据电压电流和电池健康状态输出电池产热率；
具体地，电池产热率数学计算：
Figure BDA00027822385100000411
Figure BDA00027822385100000412
Figure BDA00027822385100000413
其中，
Figure BDA00027822385100000414
为电池总产热率；
Figure BDA00027822385100000415
和
Figure BDA00027822385100000416
分别为不可逆和可逆的产热率；REIR(SoC，TCELL)为电池的等效内阻；
Figure BDA00027822385100000417
为熵系数。
电池散热模块，用于根据电池产热率和流道参数输出电池温度并按预设规则执行散热控制；
具体地，散热方式为风冷，风冷散热为主动式空调制冷，根据控制信号执行对应级别的散热措施，输入为电池产热率、流道内空气流速和空气温度，输出为电池温度；流道参数包括流道内空气的流速和温度，可以通过相应的传感器获得数据。
数学计算如下：
Figure BDA00027822385100000418
Figure BDA0002782238510000051
Figure BDA0002782238510000052
Figure BDA0002782238510000053
Figure BDA0002782238510000054
mAIR＝ρAIRVAIRSDUCTt
Figure BDA0002782238510000055
Figure BDA0002782238510000056
Figure BDA0002782238510000057
其中，j为电池排布列数，
Figure BDA0002782238510000058
为j列电池产热率，
Figure BDA0002782238510000059
为j列电池与气流之间的对流换热量，
Figure BDA00027822385100000510
分别为指定位置电池表面温度和气流温度，
Figure BDA00027822385100000511
为中间变量，
Figure BDA00027822385100000512
为电池初始温度，CCELL，CAIR，mCELL，mAIR分别为电池和空气的比热容与质量，SDUCT为单体电池间距。
电池劣化模块，用于模拟电池充放电循环过程的容量衰减并输出电池健康状态；
系统能耗模块，用于模拟能量消耗输出耗电量。
具体地，系统能耗模块，包括风机能耗模型和制冷能耗模型，用于模拟主动热管理的能量消耗，能量消耗来电池的电量,该模型输入为控制策略模型输出的风扇及空调的开闭，输出为耗电量。
PBTMS＝PFAN+PAC
其中，
Figure BDA00027822385100000513
为BTMS消耗的能量；PFAN为风扇耗能；PAC为制冷耗能。
进一步作为本发明优选实施例，所述电池劣化模块包括循环容量损失和存储容量损失，其表达式如下：
QLOSs，％＝QLOSS，CYC+QLOSS，CAL
上式中，QLOSS，％为总容量衰减百分比，QLOSS，CYC为循环容量损失，QLOSS，CAL为存储容量损失。
进一步作为本发明优选实施例，所述循环容量损失的计算公式如下：
QLOSS，CYC＝(aT2+bT+c(exp[(d·TCELL+e)IRATE]AhTH
上式中，IRATE为放电倍率，AhTH为累计安时数，TCELL为电池温度，a，b，c，d，e和fC为模型系数。
进一步作为本发明的优选实施例，所述存储容量损失的计算公式如下：
Figure BDA0002782238510000061
上式中，tCAL为老化时间，EAE为电池活化能，RGAS为气体常数。
进一步作为本发明的优选实施例，所述控制策略模型的控制对象为系统能耗模块中的风机和空调，通过电池温度和温度预设值的比较结果控制风机和空调的开闭。
具体地，所述控制策略的具体计算如下：
Figure BDA0002782238510000062
其中，TTRGT为目标温度；TRNG为温度范围；(TTRGT+TRNG)为控制温度上限；(TTRGT-TRNG)为控制温度下限；
Figure BDA0002782238510000063
表示空气流速
Figure BDA0002782238510000064
和制冷功率
Figure BDA0002782238510000065
的ON/OFF状态。
具体地，模型和模块之间的输入输出如图4所示。
如图3所示，一种动力电池主动热管理控制方法，包括以下步骤：
模拟车辆行驶工况并计算得到电机功率；
根据电机功率输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；
根据预设规则、系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息对系统进行控制。
上述系统实施例中的内容均适用于本方法实施例中，本方法实施例所具体实现的功能与上述系统实施例相同，并且达到的有益效果与上述系统实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，包括以下模型：
车辆动力系统模型，用于接收输入的车辆模拟行驶工况并输出电机功率；
电池热管理系统模型，用于接收车辆动力系统模型输出的电机功率并输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；
控制策略模型，用于根据预设规则对车辆动力系统模型和电池热管理模型进行控制；
所述电池热管理系统模型还包括以下模块，电池电特性模块，用于根据车辆动力系统模型输出的功率谱模拟电池的电压电流特性；
电池产热模块，用于根据电压电流和电池健康状态输出电池产热率；
电池散热模块，用于根据电池产热率和流道参数输出电池温度并按预设规则执行散热控制；
电池劣化模块，用于模拟电池充放电循环过程的容量衰减并输出电池健康状态；
系统能耗模块，用于模拟能量消耗输出耗电量。
2.根据权利要求1所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述车辆动力系统模型还包括以下模块：
车辆牵引力模块，用于动态模拟汽车行驶过程的牵引力大小；
传动模块，用于模拟传动效率，连接车轮牵引力模块和电机模块；
电机模块，用于根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率。
3.根据权利要求2所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述根据牵引力大小和传动效率计算电机的输出功率计算公式如下：
Figure FDA0003574784090000011
上式中，
Figure FDA0003574784090000012
为电机输出功率，
Figure FDA0003574784090000013
为电机扭矩，
Figure FDA0003574784090000014
为转速，ηM为电机效率。
4.根据权利要求3所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述电池劣化模块包括循环容量损失和存储容量损失，其表达式如下：
QLOSS,％＝QLOSS,CYC+QLOSS,CAL
上式中，QLOSS,％为总容量衰减百分比，QLOSS,CYC为循环容量损失，QLOSS,CAL为存储容量损失。
5.根据权利要求4所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述循环容量损失的计算公式如下：
Figure FDA0003574784090000015
上式中，IRATE为放电倍率，AhTH为累计安时数，TCELL为电池温度，a，b，c，d，e为模型系数。
6.根据权利要求5所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述存储容量损失的计算公式如下：
Figure FDA0003574784090000021
上式中，tCAL为老化时间，EAE为电池活化能，RGAS为气体常数，fC为模型系数。
7.根据权利要求6所述一种动力电池主动热管理系统，其特征在于，所述控制策略模型的控制对象为系统能耗模块中的风机和空调，通过电池温度和温度预设值的比较结果控制风机和空调的开闭。
8.一种动力电池主动热管理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
模拟车辆行驶工况并计算得到电机功率；
根据电机功率输出系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息；
根据车辆动力系统模型输出的功率谱模拟电池的电压电流特性；
根据电压电流和电池健康状态输出电池产热率；
根据电池产热率和流道参数输出电池温度并按预设规则执行散热控制；
模拟电池充放电循环过程的容量衰减并输出电池健康状态；
模拟能量消耗输出耗电量；
根据预设规则、系统能耗、电池温度特性、电池健康状态和电池健康状态差异信息对系统进行控制。
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