[发明专利]一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法

说明书

本发明提供了一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法，该方法在锂离子动力电池的电模型与热模型之间建立了联系，考虑到了电池大电流放电及外部短路情况下影响温度变化的具体参数，能够较好的适用于动力电池极速自加热过程，显著提高了电池大电流放电及外部短路时电池温度预测的精确性。

技术领域

本发明涉及动力电池安全技术领域，具体涉及针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模，尤其是在极速自加热过程中的热电耦合特性建模技术。

背景技术

通过动力电池外短路实现的极速自加热技术，是目前克服动力电池低温性能较差，实现全气候应用的重要解决方法。由于电动载运工具中使用的锂离子电池系统包含成百上千的锂离子单体电池，单个电池发生故障会产生大量的热量，触发相邻电池热失控，从而导致整个电池组发生故障。尤其电池在发生外短路时，动力电池温度飞速上升，短时间内可能会有漏气漏液甚至燃烧等现象的发生，威胁到电动电动载运工具的安全。因此需要精确刻画动力电池外短路行为，建立精确的热点耦合模型，对发生外部短路的电池温度进行精准预测，进一步提升电池极速加热的安全性。

目前对电池温度预测的研究多集中在正常工作状态下，而对于电池外部短路研究方面存在不足。应用于电池管理系统的电池热电耦合模型不仅需要有较高的精度，还需要运算方便以及参数设置尽量简单。现有的基于偏微分方程的电化学热耦合模型对电池温度预测有较高的精度，但是由于繁琐的参数设置以及较大的计算量，不容易实时计算和参数化。因此，为平衡复杂性与温度精度，基于等效电路模型的集总参数热模型被广泛应用于电池管理系统中。这些模型应用于正常工作状态下温度预测，在一定的温度范围内有不错的精度，但电池发生外部短路时温度跨度较大且分布不均匀，所以并不适用。因此如何建立一个专门针对于动力电池外部短路特性的热电耦合模型，具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种针对锂离子动力电池热电耦合特性的建模方法，适用于动力电池极速自加热过程。该方法具体包括以下步骤：

步骤一、针对动力电池建立考虑了锂离子电池电模型与热模型双向耦合作用的动力电池模型；

步骤二、基于电模型对动力电池内阻、极化内阻和极化电容进行辨识，并将辨识结果结合热模型计算动力电池产热；

步骤三、利用得到的动力电池产热结果，分别构建具有对流边界条件的圆柱形电池的径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型；

步骤四、根据径向均匀分布一维热模型以及轴向线性分布的一维热模型，建立动力电池二维温度分布模型，从而完成热电耦合特性的建模。

进一步地，所述电模型采用一阶RC电池模型。电池中由多个发热源，活化、浓度、欧姆损耗发热。电池外部短路情况下，电池产热情况复杂，除了正常情况下电池内阻产生的焦耳热以外，还有大量的极耳产热。极耳产热是由电流通过电池极耳产生，极耳采用金属材料，存在一定的电阻。当电池发生ESC时，大电流通过极耳，会产生大量的热量。因此在该一阶RC电池模型中，也考虑极耳产热。电池的温度和SOC在发生外短路时短时间内变化较大，故可将电池内阻、极化内阻与极化电容视为关于温度和SoC函数。

进一步地，动力电池产热通过以下公式计算：

其中，Q_avg为电池平均产热速率，Q_tab为电池极耳产热速率，I为电流，R_O为电池欧姆内阻，R₁为极化内阻，C₁为极化电容,t为时间，t₀为电池开始放电的时刻，R_tab为极耳电阻，T为电池温度，SoC为电池荷电状态；f_RO、f_R1、f_C1分别表示与欧姆内阻、极化内阻、极化电容对应的函数。

当然，上述电模型以及热模型对于本领域公知的多种不同形式也同样适用。