本發(fā)明涉及電動汽車動力電池的bms系統(tǒng)領(lǐng)域，具體是一種基于工況特性的動力電池?zé)峁芾矸椒ā?/p>

背景技術(shù)：

動力電池組的熱管理不但能為其提供合理的工作溫度范圍，保證其良好的工作特性外，溫升特性還能用于動力電池的故障輔助判斷。目前，公知的動力電池散熱策略都是基于電池包溫度的開環(huán)或閉環(huán)控制，當(dāng)電池包內(nèi)溫度高于預(yù)定溫度時(shí)，開始啟動熱管理系統(tǒng)的散熱裝置，并根據(jù)溫度的高低控制散熱功率的大小，最后再根據(jù)溫度信息的反饋，實(shí)現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制。但是通過在電池包內(nèi)布置有限傳感器的電池溫度測量，由于傳感器布置位置和不同環(huán)境溫度對傳熱特性的影響，不但各傳感器測量值存在較大差異，造成測量值無法準(zhǔn)確表征單體內(nèi)部的溫度，同時(shí)，僅以溫度一個狀態(tài)量作為控制邏輯門限，會導(dǎo)致系統(tǒng)散熱控制的滯后。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種基于工況特性的動力電池?zé)峁芾矸椒ǎ?/p>

本發(fā)明的技術(shù)方案為：主要以三類參數(shù)為輸入和依據(jù)：溫度值、soc值、工況特性。溫度值包括環(huán)境溫度、動力電池包的初始溫度(即電池包外部溫度，在汽車?yán)鋯訒r(shí)初始溫度等于環(huán)境溫度，在熱啟動時(shí)高于環(huán)境溫度。)和實(shí)時(shí)溫度以及內(nèi)部估計(jì)溫度，其中內(nèi)部估計(jì)溫度是該熱管理策略的核心參數(shù)；環(huán)境溫度在電動汽車?yán)淦饎訒r(shí)等于動力電池的初始溫度，但在熱起動下初始溫度要高于環(huán)境溫度；環(huán)境溫度和初始溫度用于熱管理系統(tǒng)模式的初始化，并作為電池內(nèi)部溫度估計(jì)算法的輸入量；電池實(shí)時(shí)溫度為電池箱內(nèi)溫度傳感器多點(diǎn)測量溫度，采樣時(shí)間和精度要求很高，需要實(shí)時(shí)反饋到熱管理系統(tǒng)，一方面用于估算電池內(nèi)部溫度，一方面用于閉環(huán)優(yōu)化管理。soc值是動力電池的荷電狀態(tài)，因?yàn)閟oc值與動力電池的內(nèi)阻關(guān)系密切，soc值將主要用于動力電池產(chǎn)熱功率的估計(jì)和修正，并且作為電池內(nèi)部溫度估計(jì)算法的主要輸入量；工況類型主要指電動汽車典型的工況類型，包括靜態(tài)的快充、慢充工況，起動、加速、勻速、爬坡、怠速、減速工況，該參數(shù)不僅要求能夠瞬時(shí)識別，還要求對該工況參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)追蹤計(jì)時(shí)，以計(jì)算動力電池的生熱功率及生熱量，修正溫度傳感器溫度采集上的滯后和延誤?；诠r特性的散熱管理策略中集成了各種環(huán)境溫度、各種soc值域及各種工況特性下動力電池的生熱功率和溫升規(guī)律，當(dāng)熱管理系統(tǒng)自主識別到三類參數(shù)后，經(jīng)過處理器內(nèi)部的運(yùn)行計(jì)算，選擇理想的散熱功率，并發(fā)出散熱指令，通過實(shí)時(shí)溫度和工況檢測，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化管理控制。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)測量電池外部溫度tsurf和環(huán)境溫度tamb；

2)設(shè)q為電池生熱速率，cp為電池等效熱容，建立動力電池的等效電熱阻模型微分方程為

3)利用電池管理系統(tǒng)獲得soc值域，根據(jù)當(dāng)前動力電池的工作電流判斷汽車當(dāng)前的典型工況類型，根據(jù)soc值域和工況類型得到典型工況下熱穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的生熱速率q∞，得到電池表面與環(huán)境之間的等效熱阻從而得到電池內(nèi)部與表面的等效熱阻

4)根據(jù)電池內(nèi)部溫度的預(yù)測模型方程得到電池內(nèi)部溫度tin；

5)根據(jù)步驟1)至步驟4)搭建電池內(nèi)部溫度估計(jì)模型，該模型的輸入量為動力電池的工作電流、soc值域、電池外部溫度和環(huán)境溫度，輸出量為電池的內(nèi)部溫度；

6)利用電池箱內(nèi)多點(diǎn)傳感器測量溫度獲得電池當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度；

7)循環(huán)步驟1)至步驟6)，熱管理處理器根據(jù)步驟5)輸出的電池的內(nèi)部溫度對動力電池進(jìn)行溫度管理，并接收步驟6)獲得的實(shí)時(shí)溫度的反饋，對溫度管理指令進(jìn)行閉環(huán)修正。

本發(fā)明有益效果在于：實(shí)時(shí)監(jiān)測電池溫度參數(shù)、soc參數(shù)以及工況參數(shù)，準(zhǔn)確估計(jì)動力電池內(nèi)部溫度，預(yù)判動力電池的溫升規(guī)律，提前做出散熱管理指令，并利用實(shí)時(shí)溫度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋管理，修正了散熱管理的滯后性、延誤性，保障動力電池一直工作在理想溫度范圍內(nèi)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的開環(huán)流程原理框架圖。

圖2是實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部溫度估計(jì)的流程圖。

圖3是基于工況特性的熱管理策略邏輯圖。

圖4是動力電池的等效電熱阻模型。

圖5是電池內(nèi)部溫度估計(jì)模型。

圖6是電池內(nèi)部估算溫度曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

在圖1中，電池內(nèi)部估計(jì)溫度是基于工況特性散熱策略的核心參考參數(shù)，內(nèi)部溫度估計(jì)模型需要考慮工況參數(shù)、soc值域以及環(huán)境溫度、初始溫度、實(shí)時(shí)溫度，在開環(huán)控制中，熱管理處理器只需要根據(jù)電池內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)管理電池包溫度。

在圖2中，電池內(nèi)部溫度估計(jì)算法集中了五個輸入量，分別是soc估計(jì)值、工況輸入量、電池箱內(nèi)多點(diǎn)測量溫度值、環(huán)境溫度、初始溫度。其中soc估計(jì)值來自電池管理系統(tǒng)bms，工況輸入主要是動力電池輸出功率或工作電流，電池箱內(nèi)多點(diǎn)測量溫度值則需要經(jīng)過預(yù)處理得出平均溫度或最高溫度。

在圖2中，soc值域在估算模型中用于預(yù)測電池內(nèi)阻以及作為計(jì)算動力電池生熱量的主要參數(shù)，工況輸入量用于計(jì)算動力電池的實(shí)時(shí)生熱量，電池箱內(nèi)多點(diǎn)測量溫度值作為電池內(nèi)部溫度估計(jì)基準(zhǔn)和實(shí)時(shí)修正標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境溫度和初始溫度用于初始化內(nèi)部溫度估計(jì)模型。

在圖3中，整個熱管理策略的運(yùn)行邏輯始于電池箱/bms模塊，環(huán)境溫度、初始溫度、實(shí)時(shí)溫度、soc值、工況參數(shù)輸入量均來自該模塊。環(huán)境溫度、初始溫度輸入后經(jīng)過判斷分析，識別出高低溫及理想溫度區(qū)域，初始化內(nèi)部溫度估計(jì)模型；實(shí)時(shí)溫度輸入后將作為內(nèi)部溫度估計(jì)算法的基準(zhǔn)，并實(shí)時(shí)修正；soc值域輸入后將識別出電池不同內(nèi)阻的區(qū)域，作為內(nèi)部溫度估計(jì)模型的主要參數(shù)；工況識別及追蹤主要對動力電池的工作模式進(jìn)行識別，并對其功率進(jìn)行積分操作，計(jì)算動力電池的生熱量。

在圖3中，熱管理處理器參考電池內(nèi)部溫度對動力電池進(jìn)行溫度管理，并接收實(shí)時(shí)溫度的反饋，對溫度管理指令進(jìn)行閉環(huán)修正。

電池的生熱來源于內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，但是電化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜，影響因素眾多，復(fù)雜的數(shù)值模擬運(yùn)算可以有效的仿真出電池內(nèi)部真實(shí)溫度，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，熱管理處理器的運(yùn)行內(nèi)存難以支撐太復(fù)雜的數(shù)值模擬，所以數(shù)值模擬的內(nèi)部真實(shí)溫度不能工程應(yīng)用化，但是數(shù)值模擬的內(nèi)部溫度可以為溫度估計(jì)模型提供模型參數(shù)數(shù)據(jù)及估計(jì)效果驗(yàn)證，而溫度估計(jì)模型只需要簡單、直接的影響因子，為了準(zhǔn)確估計(jì)電池內(nèi)部溫度，可以建立動力電池的等效電熱阻模型，如圖4所示，q為電池生熱速率，cp為電池等效熱容，rin為電池內(nèi)部與表面的等效熱阻，rout為電池表面與環(huán)境之間的等效熱阻，tin為電池內(nèi)部溫度，tsurf為電池外部溫度，tamb為環(huán)境溫度。

通過微分方程(1)求解電池表面溫度，當(dāng)電池表面溫度到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，可得到邊界方程(2)，式中下標(biāo)∞表示熱穩(wěn)態(tài)時(shí)刻。根據(jù)電池的數(shù)值模擬仿真結(jié)果，可以得到典型工況下熱穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的生熱速率q∞，從而得出外部等效熱阻rout。

由能量守恒可知，流經(jīng)內(nèi)部熱阻和外部熱阻的生熱量是相同的，那么內(nèi)部熱阻和外部熱阻的比值就可通過電池內(nèi)部溫度、外部溫度、環(huán)境溫度的表達(dá)式(3)給出

根據(jù)式(3)最后推出動力電池內(nèi)部溫度的預(yù)測模型方程(4)為

由于soc值域不同，電池的內(nèi)阻有所變化，并且不同工況下，動力電池的工作倍率也不同，導(dǎo)致動力電池的生熱速率不一樣，所以預(yù)測模型的熱阻參數(shù)也會有所差異，表1列出了某一soc值域下六類工況下的預(yù)測模型參數(shù)的計(jì)算值。

表1典型工況下估計(jì)模型參數(shù)值列表

在matlab/simulink平臺上搭建電池內(nèi)部溫度估計(jì)模型，如圖5所示，該模型的輸入量分別是工作電流、soc值域、溫度傳感器測量的電池表面溫度、環(huán)境溫度，輸出量是電池的內(nèi)部溫度。在soc某一值域下，工作電流與動力電池的輸出功率成正比，根據(jù)動力電池的輸出功率判斷車輛的運(yùn)行工況，從而得到對應(yīng)的模型參數(shù)值，當(dāng)識別到參數(shù)值，結(jié)合電池表面溫度和環(huán)境溫度，估計(jì)出電池內(nèi)部溫度。

由于電池內(nèi)部溫度在實(shí)際電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，不能直接獲取，只能參考傳感器采集的電池表面溫度，該溫度作為熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響溫度管理的實(shí)際效果。理論上表面溫度越接近內(nèi)部溫度，越具有參考價(jià)值，但是即使高精度高速率的采集系統(tǒng)，也無法測得電池內(nèi)部的實(shí)際溫度。

為了驗(yàn)證內(nèi)部溫度估計(jì)模型的有效性，本發(fā)明利用內(nèi)部溫度估計(jì)模型，在soc某一值域下，對動力電池急加速工況下的內(nèi)部溫度進(jìn)行了估計(jì)，并和數(shù)值模擬的電池內(nèi)外仿真溫度進(jìn)行了對比，如圖6所示。由于錳酸鋰動力電池的理想工作溫度范圍一般在298.15k(25℃)左右，所以將仿真的環(huán)境溫度設(shè)為298.15k(25℃)。

根據(jù)電池表面溫度、環(huán)境溫度，基于工況參數(shù)模型，對電池內(nèi)部溫度進(jìn)行估計(jì)，通過圖3中曲線可以看出，內(nèi)部估算溫度始終處于電池內(nèi)部實(shí)際溫度和電池表面溫度之間，內(nèi)部估計(jì)溫度始終跟隨著內(nèi)部實(shí)際仿真溫度，在電池表面溫度和環(huán)境溫度差異很小的電池工作初期階段，電池內(nèi)部估算誤差較大，因?yàn)榇藭r(shí)受環(huán)境溫度影響較大，而環(huán)境溫度與電池內(nèi)部溫度差異很小，所以此時(shí)的估計(jì)誤差較大，但此時(shí)的內(nèi)部實(shí)際溫度也處于理想的溫度范圍內(nèi)，該估計(jì)誤差對電池的溫度管理影響較小。當(dāng)電池工作一段時(shí)間，電池內(nèi)部實(shí)際仿真溫度與電池表面溫差超過1℃后，此時(shí)電池內(nèi)部溫度的估計(jì)誤差開始縮小，內(nèi)部估算溫度緊緊跟隨內(nèi)部實(shí)際仿真溫度，而這時(shí)動力電池的散熱管理也需要適時(shí)開啟，基本可以實(shí)現(xiàn)電池溫度的精確管理。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。