一种实时估计镍氢动力电池内外温差的方法技术

本发明专利技术属于电池组热管理技术领域，其特征在于，基于实验得到镍氢电池的平均比热、生热速率及电池平衡电动势温度影响系数；在计算机中，建立电池生热模型，使用软件Ｆｌｕｅｎｔ得到电池内部温度场分布；再以自然风冷条件下的温差为基准，以变电流放电过程的平均电流为输入，建立一个同时反映电流、工作时间及电池表面传热系数对温度影响的温差模型；由于电池的内外温差曲线都具有幂函数特征，因而用幂函数拟合温差曲线，从而得到温差模型的各系数值；利用温差模型算出温差，再加上表面各点测温值便可得到电池内部的最高温度，从而填补了空白。

【技术实现步骤摘要】

一种实时估计镍氢动力电池内外温差的方法涉及电动汽车用电池组热管理

技术介绍
新能源汽车是汽车工业应对世界环境和能源问题的必然选择。电动汽车作为新能源汽车最重要的组成部分，是目前世界汽车科技的热点。按照动力源的不同，可以把电动汽车分为纯电池电动汽车(BEV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FCV)三大类。BEV和HEV均采用动力电池作为动力源，动力电池对整车的动力性、安全性和经济性都有决定性的影响。BEV和HEV目前最常使用的动力电池是镍氢电池和锂离子电池。因为镍氢电池和锂离子电池都有最优工作温度范围，它们在使用过程中都需要热管理技术。镍氢电池的最优工作温度范围是25℃～40℃，相对而言，镍氢电池对热管理技术的需求更为迫切。应用热管理技术的直接目的就是要使电池在最优温度范围内工作。如果镍氢电池和锂离子电池不在最优温度范围内工作，它们的工作效率和使用寿命都会降低。而且如果没有热管理，则可能使电池处于过热状态，过热会引起电池的热失控，造成烧毁车辆以至威胁乘客人身安全的事故。电动汽车上都配有电池组热管理系统来实现对动力电池组工作温度的控制。电池组热管理系统可采用风冷和液冷两种方式，目前采用最多的是风冷系统。热管理系统的控制单元根据电池组温度传感器采集的电池组当前温度，基于预先设定的热管理策略来控制热管理系统风扇或泵(油泵或水泵)的工作状态，从而实现对电池组工作温度范围的控制。由于受到电池生产工艺的限制，目前电池组热管理系统所用温度传感器都布置在电池的表面，温度传感器测量的是电池组中电池单体的表面温度，不是电池内部的最高温度。对于电池组热管理系统，使用电池组内部的最高温度作为输入显然要比用电池单体表面温度作为输入更可靠、更安全。在不使温度传感器深入电池内部的情况下，要想掌握电池内部的最高温度，必须知道电池内部温度场的变化规律。镍氢电池和锂离子电池均由多种材料构成，内部有液体存在，它们在工作过程中的生热与荷电状态(SOC)、工作电流密切相关，它们的散热状况还受到热管理系统散热强度和电池箱结构的影响，所以想掌握电动汽车上动力电池内部温度场的变化规律并非易事。目前国内外已有的研究工作，还没有关于在电动汽车上实时计算电池内部温度场的公开文献的介绍。从电动汽车动力电池的管理技术来讲，有必要提出一种能够在不改变现有电池温度传感器布置方式的情况下，实时估计电池内部最高温度的方法。-->国内外的研究工作中，已有运用电池热模型离线计算电池内部的温度场，进而用温度场计算结果优化电池组热管理系统设计的研究方法。该方法将为本专利技术提供研究基础。
技术实现思路
本专利技术提供了一种在不改变目前电池温度传感器布置位置的情况下，测量电池内部最高温度的简易方法，该方法可以很容易在现有电动汽车热管理系统控制单元中应用，实现电动汽车上对动力电池组最高温度的实时测量。本专利技术以电池生热特性为研究基础，以电池热模型为理论依据，采用数值计算的方法获取电池内部的温度场，分析温度场得到电池内部最高温度点和表面测温点之间温差受电池工作电流、电池工作时间、电池外部散热条件、电池热物性参数(具体指密度、比热和导热系数)的影响规律。用此温差与实测电池表面温度相加得到电池内部的最高温度。本专利技术的研究思路和应用步骤适用于各种型号的镍氢电池动力电池。如图1所示，本专利技术的应用过程分为五个步骤，下面对五个步骤进行详细说明。第一步，进行电池试验。第一步的电池试验内容包括电池生热特性试验、电池热物性参数测量试验和电池平衡电动势温度影响系数试验。电池生热特性试验是掌握电池在不同散热条件下(电池表面传热系数不同)，在各典型电流值恒流充电和恒流放电时的生热情况；电池热物性参数测量试验的目的是获取电池的密度、比热和导热系数；电池平衡电动势温度影响系数试验测量的影响系数用于描述电池平衡电动势受温度影响的程度。上述电池试验测量得到的试验数据或参数是进行电池单体内部温度场数值计算的基础，而电池单体表面温度和电池单体内部最高温度的温差变化规律要以电池内部温度场计算结果为依据进行分析。第二步，建立电池热模型。电池热模型是计算电池单体内部温度场的理论依据。本专利技术使用式(1)所示的三维电池热模型来计算电池单体内部的温度场。求解式(1)所示的导热微分方程需要解决三个关键问题：①热物性参数，即密度ρ、比热Cp和导热系数λ(包括λx、λy和λz)的准确获取；②生热速率的准确表达；③定解条件(初始条件和边界条件)的准确确定。ρCp∂T∂t=λx∂2T∂x2+λy∂2T∂y2+λz∂2T∂z2+q·---(1)]]>在专利技术的第一步中已经解决了热物性参数的获取问题。生热速率采用式(2)所示的生热速率进行计算。式(2)中IL为工作电流；UL为工作电压；E0为电池平衡电动势，因E0与开路电压Uoc在数值上非常接近，计算时用开路电压Uoc代替；T为电池温度；为电池平衡电动势的温度影响系数；VB为电池体积。式(2)-->右侧第一项描述由于电池内阻和其他不可逆效应引起的生热，第二项是由于电池内部电化学反应引起的生热。q·=ILVB·(E0-UL)-ILVB·T·dE0dT---(2)]]>定解条件中初始条件用温度定义。边界条件用式(3)描述，其中h为电池表面与周围流体(空气、油或水)间的传热系数、T∞为电池周围流体的温度，T为电池表面温度，λ为电池材料的导热系数，n为与电池表面垂直的方向，在直角坐标系中为x、y、z三个坐标方向。在确定定解条件时，本专利技术通过计算流体力学方法(Computational fluid dynamics，简称CFD)计算h。CFD方法求取h是数值传热学中的一种通用方法，对于电池表面不同的空气流速，可以CFD方法计算得到相对应的h。-λ(∂T∂n)=h(T-T∞)---(3)]]>第三步，计算电池内部温度场。由于无法实时测量电池内部各点的温度，本专利技术基于电池生热特性试验数据(专利技术第一步的试验获得)，采用数值计算的方法分析电池内部温度场受电池工作电流、电池工作时间、电池外部散热条件(电池表面传热系数)和电池热物性参数的影响规律，该规律将用于建立电池温差模型。计算电池内部的温度场需要建立电池的网格模型，计算过程使用Fluent软件来完成。第四步，建立电池温差模型。电池单体表面温度和电池单体内部最高温度之间的温差ΔT是电池工作电流I、电池工作时间t、电池散热环境和电池热物性参数耦合作用的结果。其中电池表面传热系数h描述电池的散热环境，电池热物性参数包括密度、比热和导热系数。虽然在同一工作电流下，不同SOC时镍氢电池的生热速率略有不同，但由于镍氢电池在常用SOC工作范围内不同SOC处的生热速率基本相等，所以本专利技术忽略SOC对电池单体内外温差的影响。对于确定的电池，其材料的热性参数已经确定，在使用电池热模型计算电池单体内部温度场的时候，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实施估计镍氢动力电池内外温差的方法，其特征在于，依次含有以下步骤：步骤（１），进行镍氢电池生热特性试验、电池热物性参数测量试验和电池平衡电动势温度影响系数试验，其中：电池生热特性试验，是在自然风冷条件下电池单体的恒流充电 和放电生热试验，以掌握电池在不同散热条件下，在各设定的典型电流值恒流充电和恒流放电时的生热情况，得到充放电过程中电池表面的温度变化曲线；电池热物性参数测量试验，是用冷却法测量电池的平均比热Ｃ↓［ｐ］：Ｃ↓［ｐ］＝ｍ↓［ｏｉｌ ］Ｃ↓［ｐ，ｏｉｌ］.△Ｔ↓［ｏｉｌ］／Ｍ.△Ｔ↓［ｃｅｌｌ］其中ｍ↓［ｏｉｌ］、Ｃ↓［ｐ，ｏｉｌ］、△Ｔ↓［ｏｉｌ］分别为电绝缘植物油的质量、比热和温度变化，试验测得，Ｍ和△Ｔ↓［ｃｅｌｌ］分别为电池单体的质量和温度变化， 由手册得到其他热物性参数、密度和导热系数；电池平衡电动势温度影响系数试验，测量该影响系数ｄＥ↓［０］／ｄＴ受温度影响的程度，Ｔ为电池表面的温度，Ｅ↓［０］为电池平衡电动势用，试验中用电池的开路电压Ｕ↓［ｏｃ］代替，Ｕ↓［ｏｃ］由给定 的电池荷电状态与Ｕ↓［ｏｃ］的曲线得出；步骤（２），在以计算机为基础的电池热管理系统中，计算并建立镍氢电池生热速率模型：生热速率＊＝Ｉ↓［Ｌ］／Ｖ↓［Ｂ］.（Ｅ↓［０］－Ｕ↓［Ｌ］）－Ｉ↓［Ｌ］／Ｖ↓［Ｂ］.Ｔ.ｄＥ↓［０］ ／ｄＴ，其中Ｉ↓［Ｌ］为电池工作电流，Ｕ↓［Ｌ］为电池工作电压，Ｖ↓［Ｂ］为电池体积，Ｉ↓［Ｌ］／Ｖ↓［Ｂ］.（Ｅ↓［０］－Ｕ↓［Ｌ］）描述由于电池内阻和其他不可逆效应引起的生热，－Ｉ↓［Ｌ］／Ｖ↓［Ｂ］.Ｔ.ｄＥ↓ ［０］／ｄＴ是由于电池内部电化学反应引起的生热，初始条件为室温，边界条件为：－λ（＊Ｔ／＊ｎ）＝ｈ（Ｔ－Ｔ↓［∞］，其中Ｔ↓［∞］为电池周围流体的温度，ｈ为电池表面与周围流体间的传热系数，为已知值，ｎ代表与电池表面垂 直的方向，在直角坐标系中为ｘ、ｙ、ｚ三个坐标方向，步骤（３），所述系统计算电池内部温度场，依次含有以下步骤：步骤（３．１），采用正六面体网格和正四面体网格相结合的方案建立镍氢电池单体的网格模型：镍氢电池单体网格模型中，集流体 及其临近的空间区域几何形状比较复杂，使用正四面体网格；其他空间区域几何形状比较简单，使用正六面体网格；正六面体网格是结构化网格，正四面...

【技术特征摘要】
1、一种实施估计镍氢动力电池内外温差的方法，其特征在于，依次含有以下步骤：步骤(1)，进行镍氢电池生热特性试验、电池热物性参数测量试验和电池平衡电动势温度影响系数试验，其中：电池生热特性试验，是在自然风冷条件下电池单体的恒流充电和放电生热试验，以掌握电池在不同散热条件下，在各设定的典型电流值恒流充电和恒流放电时的生热情况，得到充放电过程中电池表面的温度变化曲线；电池热物性参数测量试验，是用冷却法测量电池的平均比热Cp：Cp=moilCp,oil·ΔToilM·ΔTcell]]>其中moil、Cp，oil、ΔToil分别为电绝缘植物油的质量、比热和温度变化，试验测得，M和ΔTcell分别为电池单体的质量和温度变化，由手册得到其他热物性参数、密度和导热系数；电池平衡电动势温度影响系数试验，测量该影响系数受温度影响的程度，T为电池表面的温度，E0为电池平衡电动势用，试验中用电池的开路电压Uoc代替，Uoc由给定的电池荷电状态与Uoc的曲线得出；步骤(2)，在以计算机为基础的电池热管理系统中，计算并建立镍氢电池生热速率模型：生热速率q·=ILVB·(E0-UL)-ILVB·T·dE0dT,]]>其中IL为电池工作电流，UL为电池工作电压，VB为电池体积，描述由于电池内阻和其他不可逆效应引起的生热，是由于电池内部电化学反应引起的生热，初始条件为室温，边界条件为：-λ(∂T∂n)=h(T-T∞),]]>其中T∞为电池周围流体的温度，h为电池表面与周围流体间的传热系数，为已知值，n代表与电池表面垂直的方向，在直角坐标系中为x、y、z三个坐标方向，-->步骤(3)，所述系统计算电池内部温度场，依次含有以下步骤：步骤(3.1)，采用正六面体网格和正四面体网格相结合的方案建立镍氢电池单体的网格模型：镍氢电池单体网格模型中，集流体及其临近的空间区域几何形状比较复杂，使用正四面体网格；其他空间区域几何形状比较简单，使用正六面体网格；正六面体网格是结构化网格，正四面体网格是非结构化网格，结构化网格的网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元，非结构化网格的网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元；步骤(3.2)，采用Fluent软件计算在自然风冷条件下镍氢电池单体在不同的充、放电电流，电池工作时间、电池表面传热系数和电池热物性参数下内部的温度场；步骤(4)，所述系统在忽略镍氢电池荷电状态SOC对电池单体内外温差影响的条件下，以自然对流散热条件下的温差为基准，此时电池表面与周围流体间的传热系数h＝5，按下式计算温差ΔT：ΔT=&...

【专利技术属性】
技术研发人员：林成涛，田光宇，仇斌，陈全世，韩晓东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]