[发明专利]一种实时估计镍氢动力电池内外温差的方法

摘要

本发明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。

主权项

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C_p：Cp=moilCp,oil·ΔToilM·ΔTcell]]>其中m_oil、C_p，oil、ΔT_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ΔT_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q·=ILVB·(E0-UL)-ILVB·T·dE0dT,]]>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，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=β·k(I‾)·tm·h‾1n]]>其中：为变电流放电过程中电流I的平均电流，I‾=Σt=tj(Id·t)+Σt=tk(α·|Ic|·t)Σt=tit,]]>t为工作时间，i为t的序列号，α为相同的镍氢电池单体内外温差所需的放电电流与充电电流之间的平均比例系数，取为1.695，I_d为放电电流，对应时刻为t_j，I_c为充电电流，对应时刻为t_k，t_i＝t_i+t_k，h‾=Σt=ti(hi·t)Σt=tit,]]>为在t时间内的传热系数平均值，是在自然对流散热条件下不同的和工作时间对电池单体内外温差的耦合影响，其中：t^m描述工作时间对电池温差的影响，为正数，描述不同电流对电池温差的影响，t^m和根据以下步骤得到：首先，根据步骤(3)得到的在自然风冷散热条件下不同的电流恒流充电或恒流放电时，各条电池温差随时间变化的曲线，都具有幂函数特征这一共同点确定幂函数指数m：基于诸多温差曲线特征确定m的合适取值范围为0.5～0.8，在此范围内用穷举法来选取合适的m以确定出拟合各条温差曲线的幂函数，确定m具体数值的依据是参数m及由m进一步计算得到的使得1C_N充电过程电池内外温差的计算曲线和幂函数拟合曲线之间误差最小；其次，采用温差计算曲线与所拟合的幂函数曲线误差最小的原则确定出各条拟合曲线的系数a₁、a₂、a₃；得到：k(I‾)=a1(I‾CN)3+a2(I‾CN)2+a3(I‾CN)]]>，其中C_N为电池的额定容量，为以自然对流散热条件下的温差为基准，描述电池散热条件的电池内外温差的影响系数，所述的β、n按以下步骤得到：首先，计算得到1C_N充电电流下充电结束时不同表面传热系数对应的电池温差，从而得到不同表面传热系数对应的温差曲线，其次，以自然对流条件下的温差为基准，对所述温差曲线进行等比例的变换，得到1C_N时不同表面传热系数对温差的影响曲线，并确定整数n和系数β的值：综合影响曲线的特征及n为整数的要求确定n应在2、3、4、5四个正整数中选取，使用穷举法确定n和β具体数值，即依据计算曲线与拟合曲线误差最小的原则，求得n在取为2、3、4和5时对应的β值，从而得到四组(n，β)，在这四组(n，β)中选定误差最小的为最终的参数；步骤(5)，计算机应用电池温差模型，得到电池内部最高温度点和表面各测温点之间的温差，把此各点温差与相应的各电池表面温差测量值相加，得到电池内部相对于外部环境的最高温度。