專利名稱：一種實(shí)時估計鎳氫動力電池內(nèi)外溫差的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種實(shí)時估計鎳氫動力電池內(nèi)外溫差的方法涉及電動汽車用電池組熱管理技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
新能源汽車是汽車工業(yè)應(yīng)對世界環(huán)境和能源問題的必然選擇。電動汽車作為新能源汽車最重要的組成部分，是目前世界汽車科技的熱點(diǎn)。按照動力源的不同，可以把電動汽車分為純電池電動汽車(BEV)、混合動力汽車(HEV)和燃料電池汽車(FCV)三大類。BEV和HEV均采用動力電池作為動力源，動力電池對整車的動力性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都有決定性的影響。
BEV和HEV目前最常使用的動力電池是鎳氫電池和鋰離子電池。因?yàn)殒嚉潆姵睾弯囯x子電池都有最優(yōu)工作溫度范圍，它們在使用過程中都需要熱管理技術(shù)。鎳氫電池的最優(yōu)工作溫度范圍是25℃～40℃，相對而言，鎳氫電池對熱管理技術(shù)的需求更為迫切。應(yīng)用熱管理技術(shù)的直接目的就是要使電池在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)工作。如果鎳氫電池和鋰離子電池不在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)工作，它們的工作效率和使用壽命都會降低。而且如果沒有熱管理，則可能使電池處于過熱狀態(tài)，過熱會引起電池的熱失控，造成燒毀車輛以至威脅乘客人身安全的事故。
電動汽車上都配有電池組熱管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對動力電池組工作溫度的控制。電池組熱管理系統(tǒng)可采用風(fēng)冷和液冷兩種方式，目前采用最多的是風(fēng)冷系統(tǒng)。熱管理系統(tǒng)的控制單元根據(jù)電池組溫度傳感器采集的電池組當(dāng)前溫度，基于預(yù)先設(shè)定的熱管理策略來控制熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇或泵(油泵或水泵)的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對電池組工作溫度范圍的控制。
由于受到電池生產(chǎn)工藝的限制，目前電池組熱管理系統(tǒng)所用溫度傳感器都布置在電池的表面，溫度傳感器測量的是電池組中電池單體的表面溫度，不是電池內(nèi)部的最高溫度。對于電池組熱管理系統(tǒng)，使用電池組內(nèi)部的最高溫度作為輸入顯然要比用電池單體表面溫度作為輸入更可靠、更安全。
在不使溫度傳感器深入電池內(nèi)部的情況下，要想掌握電池內(nèi)部的最高溫度，必須知道電池內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律。鎳氫電池和鋰離子電池均由多種材料構(gòu)成，內(nèi)部有液體存在，它們在工作過程中的生熱與荷電狀態(tài)(SOC)、工作電流密切相關(guān)，它們的散熱狀況還受到熱管理系統(tǒng)散熱強(qiáng)度和電池箱結(jié)構(gòu)的影響，所以想掌握電動汽車上動力電池內(nèi)部溫度場的變化規(guī)律并非易事。目前國內(nèi)外已有的研究工作，還沒有關(guān)于在電動汽車上實(shí)時計算電池內(nèi)部溫度場的公開文獻(xiàn)的介紹。
從電動汽車動力電池的管理技術(shù)來講，有必要提出一種能夠在不改變現(xiàn)有電池溫度傳感器布置方式的情況下，實(shí)時估計電池內(nèi)部最高溫度的方法。
國內(nèi)外的研究工作中，已有運(yùn)用電池?zé)崮Ｐ碗x線計算電池內(nèi)部的溫度場，進(jìn)而用溫度場計算結(jié)果優(yōu)化電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計的研究方法。該方法將為本發(fā)明提供研究基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在不改變目前電池溫度傳感器布置位置的情況下，測量電池內(nèi)部最高溫度的簡易方法，該方法可以很容易在現(xiàn)有電動汽車熱管理系統(tǒng)控制單元中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電動汽車上對動力電池組最高溫度的實(shí)時測量。
本發(fā)明以電池生熱特性為研究基礎(chǔ)，以電池?zé)崮Ｐ蜑槔碚撘罁?jù)，采用數(shù)值計算的方法獲取電池內(nèi)部的溫度場，分析溫度場得到電池內(nèi)部最高溫度點(diǎn)和表面測溫點(diǎn)之間溫差受電池工作電流、電池工作時間、電池外部散熱條件、電池?zé)嵛镄詤?shù)(具體指密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù))的影響規(guī)律。用此溫差與實(shí)測電池表面溫度相加得到電池內(nèi)部的最高溫度。本發(fā)明的研究思路和應(yīng)用步驟適用于各種型號的鎳氫電池動力電池。
如圖1所示，本發(fā)明的應(yīng)用過程分為五個步驟，下面對五個步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。
第一步，進(jìn)行電池試驗(yàn)。
第一步的電池試驗(yàn)內(nèi)容包括電池生熱特性試驗(yàn)、電池?zé)嵛镄詤?shù)測量試驗(yàn)和電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)。電池生熱特性試驗(yàn)是掌握電池在不同散熱條件下(電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)不同)，在各典型電流值恒流充電和恒流放電時的生熱情況；電池?zé)嵛镄詤?shù)測量試驗(yàn)的目的是獲取電池的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)；電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)測量的影響系數(shù)用于描述電池平衡電動勢受溫度影響的程度。上述電池試驗(yàn)測量得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或參數(shù)是進(jìn)行電池單體內(nèi)部溫度場數(shù)值計算的基礎(chǔ)，而電池單體表面溫度和電池單體內(nèi)部最高溫度的溫差變化規(guī)律要以電池內(nèi)部溫度場計算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行分析。
第二步，建立電池?zé)崮Ｐ汀?br> 電池?zé)崮Ｐ褪怯嬎汶姵貑误w內(nèi)部溫度場的理論依據(jù)。本發(fā)明使用式(1)所示的三維電池?zé)崮Ｐ蛠碛嬎汶姵貑误w內(nèi)部的溫度場。求解式(1)所示的導(dǎo)熱微分方程需要解決三個關(guān)鍵問題①熱物性參數(shù)，即密度ρ、比熱Cp和導(dǎo)熱系數(shù)λ(包括λx、λy和λz)的準(zhǔn)確獲??；②生熱速率 的準(zhǔn)確表達(dá)；③定解條件(初始條件和邊界條件)的準(zhǔn)確確定。
ρCp∂T∂t=λx∂2T∂x2+λy∂2T∂y2+λz∂2T∂z2+q·---(1)]]>在發(fā)明的第一步中已經(jīng)解決了熱物性參數(shù)的獲取問題。
生熱速率 采用式(2)所示的生熱速率進(jìn)行計算。式(2)中IL為工作電流；UL為工作電壓；E0為電池平衡電動勢，因E0與開路電壓Uoc在數(shù)值上非常接近，計算時用開路電壓Uoc代替；T為電池溫度； 為電池平衡電動勢的溫度影響系數(shù)；VB為電池體積。式(2)右側(cè)第一項(xiàng) 描述由于電池內(nèi)阻和其他不可逆效應(yīng)引起的生熱，第二項(xiàng) 是由于電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)引起的生熱。
q·=ILVB·(E0-UL)-ILVB·T·dE0dT---(2)]]>定解條件中初始條件用溫度定義。邊界條件用式(3)描述，其中h為電池表面與周圍流體(空氣、油或水)間的傳熱系數(shù)、T∞為電池周圍流體的溫度，T為電池表面溫度，λ為電池材料的導(dǎo)熱系數(shù)，n為與電池表面垂直的方向，在直角坐標(biāo)系中為x、y、z三個坐標(biāo)方向。在確定定解條件時，本發(fā)明通過計算流體力學(xué)方法(Computational fluid dynamics，簡稱CFD)計算h。CFD方法求取h是數(shù)值傳熱學(xué)中的一種通用方法，對于電池表面不同的空氣流速，可以CFD方法計算得到相對應(yīng)的h。
-λ(∂T∂n)=h(T-T∞)---(3)]]>第三步，計算電池內(nèi)部溫度場。
由于無法實(shí)時測量電池內(nèi)部各點(diǎn)的溫度，本發(fā)明基于電池生熱特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)(發(fā)明第一步的試驗(yàn)獲得)，采用數(shù)值計算的方法分析電池內(nèi)部溫度場受電池工作電流、電池工作時間、電池外部散熱條件(電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))和電池?zé)嵛镄詤?shù)的影響規(guī)律，該規(guī)律將用于建立電池溫差模型。計算電池內(nèi)部的溫度場需要建立電池的網(wǎng)格模型，計算過程使用Fluent軟件來完成。
第四步，建立電池溫差模型。
電池單體表面溫度和電池單體內(nèi)部最高溫度之間的溫差ΔT是電池工作電流I、電池工作時間t、電池散熱環(huán)境和電池?zé)嵛镄詤?shù)耦合作用的結(jié)果。其中電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h描述電池的散熱環(huán)境，電池?zé)嵛镄詤?shù)包括密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。雖然在同一工作電流下，不同SOC時鎳氫電池的生熱速率略有不同，但由于鎳氫電池在常用SOC工作范圍內(nèi)不同SOC處的生熱速率基本相等，所以本發(fā)明忽略SOC對電池單體內(nèi)外溫差的影響。對于確定的電池，其材料的熱性參數(shù)已經(jīng)確定，在使用電池?zé)崮Ｐ陀嬎汶姵貑误w內(nèi)部溫度場的時候，已經(jīng)考慮了電池?zé)嵛镄詤?shù)的影響，所以本發(fā)明提出如式(4)所示的電池單體內(nèi)外溫差估計模型，該模型考慮了工作電流I、工作時間t和電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的影響，并實(shí)現(xiàn)了對影響因素的解藕分析。溫差估計模型以自然對流散熱條件下(h＝5)的溫差為基準(zhǔn)，其中f1(I，t)描述在自然對流散熱條件下不同電流和工作時間對電池單體內(nèi)外溫差的耦合影響，f2(h)是電池散熱條件對電池內(nèi)外溫差的影響系數(shù)(h＝5時f2(h)＝1)。f1(I，t)和f2(h)的計算公式分別如式(5)和式(6)所示。根據(jù)式(4)所示溫差模型，在電動汽車上根據(jù)電池組熱管理系統(tǒng)測量的電池外壁溫度、電池組工作的歷史信息和電池組熱管理系統(tǒng)出口風(fēng)速或液體流速，可以實(shí)時計算電池組內(nèi)部的最高溫度。
ΔT＝f1(I，t)·f2(h)(4)f1(I,t)ΔTh=5=k(I)·tm=(a1(ICN)3+a2(ICN)2+a3(ICN))·tm---(5)]]>f2(h)=β·h1n---(6)]]>在式(5)所示f1(I，t)的計算公式中k(I)描述不同電流對電池溫差的影響，tm描述工作時間對電池溫差的影響，m為正數(shù)。在求取f1(I，t)時，首先基于電池內(nèi)部溫度場計算結(jié)果，得到在不同電流恒流充電或恒流放電(自然風(fēng)冷散熱條件下)時，電池溫差隨時間變化的曲線，該曲線是對應(yīng)不同電流的一組曲線。由于每條曲線都有冪函數(shù)的特點(diǎn)，基于諸多溫差曲線特征確定m的合適取值范圍為0.5～0.8，在此范圍內(nèi)用窮舉法來選取合適的m并得出擬合各條溫差曲線的冪函數(shù)，確定m具體數(shù)值的依據(jù)是參數(shù)m及由m進(jìn)一步計算得到的k(I)使得1CN充電過程電池內(nèi)外溫差的計算曲線和冪函數(shù)擬合曲線之間誤差最小。在確定m后，采用計算曲線與擬合曲線誤差最小的原則，確定各條擬合曲線的系數(shù)(即k(I)值)。在各個電流擬合曲線的表達(dá)式均給出后，根據(jù)不同電流時的k(I)值，用三次多項(xiàng)式給出k(I)的一般表達(dá)式，式(5)中CN是電池的額定容量。
通過大量研究還發(fā)現(xiàn)，f2(h)最適合用冪函數(shù)來擬合。在式(6)所示f2(h)的計算公式中，n為正整數(shù)，β為保證f2(h)曲線擬合精度的系數(shù)。在具體求取n和β時，首先要計算得到1CN充電電流下充電結(jié)束時不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對應(yīng)的電池溫差，從而得到不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對應(yīng)的溫差曲線。然后以自然對流條件下的溫差為基準(zhǔn)(h＝5時f2(h)＝1)，對溫差曲線進(jìn)行等比例變換，從而得到f2(h)，根據(jù)f2(h)曲線特征，確定整數(shù)n和系數(shù)β的值。確定n和β的具體過程如下綜合f2(h)曲線特征及n為整數(shù)的要求確定n應(yīng)在2、3、4、5四個正整數(shù)中選取，使用窮舉法確定n和β得具體數(shù)值，即依據(jù)計算曲線與擬合曲線誤差最小的原則，求得n在取為2、3、4和5時對應(yīng)的β值，從而得到四組(n，β)，在這四組(n，β)中選定誤差最小的一組為最終的參數(shù)。
因?yàn)殡妱悠噭恿﹄姵亟M通常工作在變電流充放的狀態(tài)下，而且充電生熱與放電生熱存在差異，所以要在電動汽車上實(shí)時估計電池組內(nèi)單體內(nèi)外溫差，還需要解決變電流向恒電流等效的問題。為了解決電池溫差模型在電動汽車上的實(shí)用問題，本發(fā)明首先將電池組的變電流充放電過程等效為變電流放電過程，然后用變電流放電過程電流I的平均電流 作為溫差估計模型的輸入。在工作過程中，隨著熱管理系統(tǒng)風(fēng)扇或泵工作狀態(tài)的變化，電池組表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h會有變化，這里使用h的時間平均值 作為溫差估計模型的輸入。 的計算公式如式(7)所示， 的計算公式如式(8)所示。
I‾=Σt=tj(Id·t)+Σt=tk(α·|Ic|·t)Σt=tit---(7)]]>h‾=Σt=ti(hi·t)Σt=tit---(8)]]>由此，根據(jù)式(4)～式(8)可以得到完整的電池溫差模型如式(9)所示，式(9)中的m式(5)中的m完全相同，式(9)中的n和式(6)中的n完全相同。
ΔT=f1(I‾,t)·f2(h‾)=β·k(I‾)·tm·h‾1n---(9)]]>第五步，應(yīng)用電池溫差模型測量電池內(nèi)部最高溫度。
根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電池內(nèi)部溫度場數(shù)值計算結(jié)果辨識得到電池溫差模型的有關(guān)參數(shù)如β、m、n、α等，經(jīng)過優(yōu)化，就可以應(yīng)用于電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)中，進(jìn)行電池組最高溫度的實(shí)時測量。


圖1本發(fā)明的應(yīng)用步驟圖2由320單體串聯(lián)構(gòu)成的80Ah鎳氫電池組圖3鎳氫電池模塊和電池單體圖4獲取電池單體內(nèi)部最高溫度的過程圖5鎳氫電池單體生熱特性試驗(yàn)示意圖1-溫度傳感器；2-數(shù)據(jù)采集模塊。
圖6單體生熱特性試驗(yàn)測溫點(diǎn)圖7鎳氫電池單體40A恒流生熱特性試驗(yàn)溫度變化曲線—■—點(diǎn)1、2_充 —▲—點(diǎn)5、6_充 —◆—點(diǎn)1、2_放 ——點(diǎn)5、6_放—●—點(diǎn)3、4_充 ——點(diǎn)7、8_充 ——點(diǎn)3、4_放 —●—點(diǎn)7、8_放圖8鎳氫電池單體80A恒流生熱特性試驗(yàn)溫度變化曲線—■—點(diǎn)1、2_充 —▲—點(diǎn)5、6_充 —◆—點(diǎn)1、2_放 ——點(diǎn)5、6_放—●—點(diǎn)3、4_充 ——點(diǎn)7、8_充 ——點(diǎn)3、4_放 —●—點(diǎn)7、8_放圖9鎳氫電池單體平均比熱試驗(yàn)示意圖3-充電機(jī)；4-電池模塊；5-電流計；6-絕熱桶；7-溫度計。
圖10鎳氫電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)示意圖
a)電池溫度；b)環(huán)境溫度。
圖11鎳氫電池單體零件示意圖8-電池單體；9-外殼；10-內(nèi)核；11-氣隙；12-集流體；13-外殼蓋；14-螺母。
圖1210單體鎳氫電池模塊的開路電壓圖13電池箱內(nèi)單體散熱空間結(jié)構(gòu)示意14電池單體間典型氣隙截面圖15鎳氫電池單體網(wǎng)格模型圖161CN放電單體各點(diǎn)溫度變化c)點(diǎn)9計算溫度；d)點(diǎn)1計算溫度；e)點(diǎn)8試驗(yàn)溫度；f)點(diǎn)1試驗(yàn)溫度。
圖171CN充電結(jié)束時面1-5-2-6的溫度圖181CN充電結(jié)束時單體內(nèi)各線的溫度分布---線5-6 ——線1-2 -·-·-線9-10圖19自然對流條件下不同電流時電池單體的內(nèi)外溫差圖20恒流充電或放電1小時時刻電池單體的內(nèi)外溫差g)充電時的溫差，擬合公式為k＝1.372x3-0.882x2+2.724x；h)充電時的溫差，擬合公式為k＝2.7333x3-3.184x2+2.1387x。
圖21傳熱系數(shù)h對內(nèi)外溫差的影響系數(shù)i)曲線擬合的結(jié)果；j)數(shù)值計算的結(jié)構(gòu)。
圖22相同內(nèi)外溫差時的電流值k)放電時的曲線；l)充電時的情況。
圖23鎳氫電池組工況試驗(yàn)電流電壓曲線圖a)工況試驗(yàn)中電池組電壓的變化曲線；圖b)工況試驗(yàn)中電池組電流的變化曲線。
圖24工況試驗(yàn)下電池單體內(nèi)外溫差估計模型應(yīng)用效果m)溫差模型估計的結(jié)果；n)熱模型計算的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面以一由320單體串聯(lián)而成，額定容量為80Ah的鎳氫電池組為例，介紹實(shí)時估計電動汽車動力電池內(nèi)外溫差方法的實(shí)施過程。圖2所示為鎳氫電池組，圖3所示為電池組中的電池模塊和電池單體，圖中最右側(cè)電池單體被剝?nèi)チ送鈿?。圖4給出了利用本發(fā)明獲取電池單體內(nèi)部最高溫度的過程第一步進(jìn)行電池試驗(yàn)。
(1)鎳氫電池生熱特性試驗(yàn)電池生熱特性試驗(yàn)用于掌握電池在充放電過程中電池表面的溫度變化曲線，該曲線是驗(yàn)證電池?zé)崮Ｐ偷幕疽罁?jù)。電池生熱特性試驗(yàn)內(nèi)容是自然風(fēng)冷條件下電池單體的恒流充電和放電生熱試驗(yàn)，選用電流是40A(CN/2)和80A(1CN)。所有的生熱試驗(yàn)均在室溫(約25℃)進(jìn)行。圖5所示為鎳氫電池單體生熱特性試驗(yàn)示意圖，圖6中點(diǎn)1～點(diǎn)8均為溫度測量點(diǎn)。圖7所示為鎳氫電池單體40A恒流充電和放電各測溫點(diǎn)的溫度變化曲線，圖8所示為鎳氫電池單體80A恒流充電和放電各測溫點(diǎn)的溫度變化曲線。兩圖說明中，“點(diǎn)1、2充”表示充電試驗(yàn)中點(diǎn)1和點(diǎn)2溫度的平均值，其他點(diǎn)也與此相同。
(2)電池?zé)嵛镄詤?shù)測量試驗(yàn)電池?zé)嵛镄詤?shù)包括密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)。
本發(fā)明使用冷卻法測量電池的平均比熱，圖9所示為試驗(yàn)示意圖。圖9中，絕熱桶內(nèi)盛有比熱為1.876 kJ/(kg·K)的電絕緣植物油，被測電池單體放在絕熱桶中，植物油恰好將電池單體完全浸沒；溫度計的傳感器完全浸泡在植物油中。試驗(yàn)前使電池單體為0℃。試驗(yàn)中首先將質(zhì)量為3.205kg植物油加熱至35.62℃倒入絕熱桶中，然后迅速將0℃電池單體放入絕熱桶中使之與植物油進(jìn)行熱交換，在達(dá)到熱平衡時電池和植物油的溫度為28.25℃。根據(jù)能量守恒，可以由式(10)計算得到電池單體的平均比熱Gp為1.028kJ/(kg·K)。其中moil、Cp，oil、ΔToil分別為油的質(zhì)量、比熱和溫度變化，M和ΔTcell分別為電池單體的質(zhì)量和溫度變化。
Cp=moil·Cp,oil·ΔToilM·ΔTcell=3.205×1.876×(35.62-28.25)1.526×(28.25-0)=1.028kJ/(kg·K)---(10)]]>(3)電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)電池?zé)崮Ｐ偷臒嵩错?xiàng)(即電池生熱速率)中的電池平衡電動勢的溫度影響系數(shù)dE0/dT需要通過試驗(yàn)測量。本實(shí)施例設(shè)計如圖10所示的試驗(yàn)過程測量該影響系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中將三個SOC分別為0.25、0.5和0.75的10單體鎳氫電池模塊放入恒溫箱，控制恒溫箱內(nèi)的溫度按照圖10中虛線所示的時間溫度曲線變化。依據(jù)試驗(yàn)測得的模塊開路電壓，使用線性回歸方法計算在三個SOC點(diǎn)的鎳氫電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)，取平均值最終為0.000167V/℃第二步，建立電池?zé)崮Ｐ汀?br> 本實(shí)施例通過確定電池?zé)嵛镄詤?shù)、生熱速率、定解條件三個要素來建立鎳氫電池的熱模型。在確定三要素前，首先分析鎳氫電池單體的物理結(jié)構(gòu)。圖11所示為鎳氫電池單體的零件示意圖，完整的電池單體由零件9～零件14構(gòu)成。其中，外殼9和外殼蓋13共同構(gòu)成單體完整的外殼，材料均為增強(qiáng)型尼龍66(一種工程塑料)；內(nèi)核10是電池單體的熱源部分，它由極片和隔膜交替疊壓而成，在本實(shí)施例中將其視為介質(zhì)均勻的同一種材料；集流體12(包括極柱)和螺母14的材料相同，均為黃銅；11為電池內(nèi)核與外殼之間的氣隙。
(1)獲取電池?zé)嵛镄詤?shù)表1所示為構(gòu)成鎳氫電池單體的各零件質(zhì)量，表2所示為鎳氫電池單體各材料在室溫的熱物性參數(shù)。除圖9測量的電池比熱外，其他參數(shù)均可通過查找典型物質(zhì)的熱物性參數(shù)手冊得到。其中考慮到氣隙氣體處于運(yùn)動狀態(tài)的特點(diǎn)，選取的氣隙氣體導(dǎo)熱系數(shù)是經(jīng)過多次計算優(yōu)選的等效導(dǎo)熱系數(shù)。
表1鎳氫電池單體各零件的重量

表2鎳氫電池單體各材料的熱物性參數(shù)

(2)鎳氫電池生熱速率模型的確定本實(shí)施例用式(2)所示的生熱速率公式進(jìn)行計算。其中IL、UL、T為試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)，E0為圖12所示10單體鎳氫電池模塊開路電壓數(shù)值的十分之一，平衡電動勢的溫度影響系數(shù)dE0/dT為0.000167 V/℃，VB為表1中的557937mm3。
(3)定解條件的確定定解條件中的初始條件用溫度確定，均取為室溫25℃。邊界條件中的電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)采用數(shù)值計算方法求得。圖2所示鎳氫電池箱具有圖13所示的散熱空間結(jié)構(gòu)，由于該散熱空間結(jié)構(gòu)具有對稱性，所以截面取圖14所示的計算空間來求電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。實(shí)測圖2所示鎳氫電池箱在風(fēng)扇開啟后的出口風(fēng)速，作為電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算的重要指標(biāo)。通過計算得到在風(fēng)扇工作條件下的電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是8.95W/(m2·K)。
第三步，計算電池內(nèi)部溫度場。
在建立了鎳氫電池單體的網(wǎng)格模型后，使用本發(fā)明第二步建立的鎳氫電池?zé)崮Ｐ陀嬎阍诓煌褂脳l件下的鎳氫電池單體內(nèi)部的溫度場。圖15所示為本實(shí)施例進(jìn)行鎳氫電池單體內(nèi)部溫度場數(shù)值計算所用的網(wǎng)格模型，網(wǎng)格模型采用混合網(wǎng)格方案。集流體及其臨近的空間區(qū)域幾何形狀比較復(fù)雜，使用正四面體網(wǎng)格；其他空間區(qū)域幾何形狀比較簡單，使用正六面體網(wǎng)格。正六面體網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，正四面體網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點(diǎn)都具有相同的毗鄰單元，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元。
在進(jìn)行電池單體內(nèi)部溫度場計算時使用的軟件是Fluent。圖16所示是自然風(fēng)冷條件下鎳氫電池單體1CN放電過程中，電池溫度變化的試驗(yàn)值和計算值，其中的計算值就是用本實(shí)施例所建立電池?zé)崮Ｐ陀嬎愕慕Y(jié)果。在生熱特性試驗(yàn)中，1CN放電時間為2700s。圖16中給出了1CN恒流放電電池單體點(diǎn)1、點(diǎn)9的計算溫度和點(diǎn)1、點(diǎn)8的試驗(yàn)溫度。從1CN恒流放電和其他生熱特性試驗(yàn)過程的數(shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較來看，在試驗(yàn)結(jié)束時刻，本實(shí)施例建立的鎳氫電池?zé)崮Ｐ蛿?shù)值計算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差都不超過1.5℃。
圖17為鎳氫電池單體1CN恒流充電結(jié)束時刻電池單體內(nèi)部各面的溫度分布，圖中溫度單位為K。圖17對應(yīng)圖6中所示垂直于z軸的面1-5-2-6。圖18為鎳氫電池單體1CN恒流充電結(jié)束時刻電池內(nèi)部各線的溫度分布，線的位置由圖6定義。在電動汽車上無法測量圖17、圖18所示溫度分布，通過該計算得到的溫度分布可以掌握電池表面與最高溫度點(diǎn)的溫度差。
采用相同的方法，使用本實(shí)施例建立的鎳氫電池?zé)崮Ｐ?，可以計算其他恒流和變電流試?yàn)過程中電池單體內(nèi)部的溫度場，從而掌握電池內(nèi)部最高溫度與電池表面溫度的溫差信息。
第四步，建立電池溫差模型。
建立本實(shí)施例研究的鎳氫電池溫差模型需要分別求取f1(I，t)和f2(h)，并解決變電流充放電工況試驗(yàn)條件下溫差模型的應(yīng)用問題。
基于自然對流散熱條件下(h＝5)電池單體恒流充電、放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值計算，可得到圖19所示的電池單體內(nèi)外溫差曲線。圖中顯示的數(shù)值計算結(jié)果是使用鎳氫電池?zé)崮Ｐ陀嬎愕玫降臏夭钋€，具體數(shù)值為圖6所示點(diǎn)1和點(diǎn)9溫度的差值。與試驗(yàn)測量溫度相比，用于計算溫差的數(shù)值計算溫度可以保證小于1℃的誤差。
由于f2(5)＝1，使用冪函數(shù)對圖19中各數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行擬合，可以得到式(11)所示的f1(I，t)的表達(dá)式，m的最優(yōu)值取為0.65。
f1(I，t)＝ΔTh＝5＝k(I)·tm＝k(I)·t0.65(11)表3所示為不同電流時系數(shù)k(I)的取值，用三次多項(xiàng)式對k(I)進(jìn)行擬合，得到式(12)所示的k(I)的表達(dá)式。如圖20所示，k(I)表示恒流充電或放電1小時時刻電池單體的內(nèi)外溫差，圖中橫坐標(biāo)電流倍率為電流值與電池額定容量CN的比值。
表3不同電流時的k(I)值

k(I)=1.732(|I|CN)3-0.882(|I|CN)2+2.724(|I|CN),(I<0)2.7333(ICN)3-3.184(ICN)2+2.1387(ICN),(I≥0)---(12)]]>運(yùn)用鎳氫電池?zé)崮Ｐ瓦M(jìn)行電池單體內(nèi)部溫度場計算，使用計算結(jié)果可以求取f2(h)，這里用到的計算數(shù)據(jù)仍然是1CN恒流充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)。取電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h分別為5、8.95、25、50等不同值時，進(jìn)行1CN恒流充電條件下的電池單體內(nèi)外溫差計算，可以得到溫差曲線ΔT(h)。由于f2(5)＝1，根據(jù)ΔT(h)曲線進(jìn)行等比例調(diào)整，可以得到f2(h)在h分別為1、8.95、25和50時的數(shù)值，具體數(shù)值如圖21標(biāo)記的各點(diǎn)所示。用冪函數(shù)擬合曲線f2(h)，得到式(13)所示公式，n的合適取值為3，圖21中給出了f2(h)的擬合曲線。
f2(h)=β·h1n=0.6733h13---(13)]]>本實(shí)施例仍用恒流充電或放電1小時時刻電池單體的內(nèi)外溫差來建立充電與放電的電流等效關(guān)系。轉(zhuǎn)換圖20的橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)重新畫圖，得到圖22所示電池單體內(nèi)外溫差對應(yīng)的充電與放電電流值。對圖22中每一溫差對應(yīng)的放電電流與充電電流的比值取平均值，即得到獲得相同電池單體內(nèi)外溫差所需放電電流與充電電流之間的平均比例系數(shù)α。對于本實(shí)施例研究的鎳氫電池單體，α取為1.695。
綜合上面的推導(dǎo)，可得到式(14)所示的鎳氫電池單體內(nèi)外溫差估計模型。其中Id為放電電流，對應(yīng)時刻為tj，Ic為充電電流(負(fù)值)，對應(yīng)時刻為tk。
第五步，應(yīng)用電池溫差模型測量電池內(nèi)部最高溫度。
本實(shí)施例用工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評價溫差模型的應(yīng)用效果。由于無法測量試驗(yàn)過程中電池單體內(nèi)部的最高溫度，這里使用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的電池?zé)崮Ｐ陀嬎憬Y(jié)果間接評價電池單體內(nèi)外溫差估計模型的精度。
ΔT=f1(I‾,t)·f2(h‾)=β·k(I‾)·tm·h‾n=(1.8403(I‾CN)3-2.1438(I‾CN)2+1.44(I‾CN))·t0.65h‾13I‾=Σt=tj(Id·t)+Σt=tk(α·|Ic|·t)Σt=tith‾=Σt=ti(hi·t)Σt=tit---(14)]]>圖23所示為鎳氫電池組工況試驗(yàn)過程示意圖，試驗(yàn)歷時6000s，試驗(yàn)中最大放電電流190.88A，最大充電電流91.24A，平均電流49.78A。試驗(yàn)的初始SOC為0.734，終止SOC為0.245，試驗(yàn)開始時電池組平均溫度24.51℃，試驗(yàn)完成時電池組平均溫度26.17℃。由于試驗(yàn)過程中電池組風(fēng)扇全開，所以取電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為8.95W/(m2·K)。
基于圖23所示工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別使用電池?zé)崮Ｐ秃蜏夭钅Ｐ瓦M(jìn)行計算，得到圖24所示的電池?zé)崮Ｐ偷挠嬎憬Y(jié)果和溫差估計模型的估計結(jié)果。以熱模型計算結(jié)果為基準(zhǔn)，算得溫差估計模型的平均誤差為0.17℃，最大誤差為0.37℃。這里熱模型計算結(jié)果可以保證1℃以內(nèi)的誤差，總體而言，電池單體內(nèi)外溫差估計模型具有令人滿意的精度。
由實(shí)施例可見，本發(fā)明提出的溫差模型將復(fù)雜的鎳氫電池?zé)崮Ｐ秃喕?shí)施應(yīng)用在電動汽車上，初步解決了在電動汽車上電池組最高溫度的實(shí)時測量問題。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)施估計鎳氫動力電池內(nèi)外溫差的方法，其特征在于，依次含有以下步驟步驟(1)，進(jìn)行鎳氫電池生熱特性試驗(yàn)、電池?zé)嵛镄詤?shù)測量試驗(yàn)和電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)，其中電池生熱特性試驗(yàn)，是在自然風(fēng)冷條件下電池單體的恒流充電和放電生熱試驗(yàn)，以掌握電池在不同散熱條件下，在各設(shè)定的典型電流值恒流充電和恒流放電時的生熱情況，得到充放電過程中電池表面的溫度變化曲線；電池?zé)嵛镄詤?shù)測量試驗(yàn)，是用冷卻法測量電池的平均比熱CpCp=moilCp,oil·ΔToilM·ΔTcell]]>其中moil、Cp，oil、ΔToil分別為電絕緣植物油的質(zhì)量、比熱和溫度變化，試驗(yàn)測得，M和ΔTcell分別為電池單體的質(zhì)量和溫度變化，由手冊得到其他熱物性參數(shù)、密度和導(dǎo)熱系數(shù)；電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)試驗(yàn)，測量該影響系數(shù) 受溫度影響的程度，T為電池表面的溫度，E0為電池平衡電動勢用，試驗(yàn)中用電池的開路電壓Uoc代替，Uoc由給定的電池荷電狀態(tài)與Uoc的曲線得出；步驟(2)，在以計算機(jī)為基礎(chǔ)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，計算并建立鎳氫電池生熱速率模型生熱速率q·=ILVB·(E0-UL)-ILVB·T·dE0dT,]]>其中IL為電池工作電流，UL為電池工作電壓，VB為電池體積， 描述由于電池內(nèi)阻和其他不可逆效應(yīng)引起的生熱， 是由于電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)引起的生熱，初始條件為室溫，邊界條件為-λ(∂T∂n)=h(T-T∞),]]>其中T∞為電池周圍流體的溫度，h為電池表面與周圍流體間的傳熱系數(shù)，為已知值，n代表與電池表面垂直的方向，在直角坐標(biāo)系中為x、y、z三個坐標(biāo)方向，步驟(3)，所述系統(tǒng)計算電池內(nèi)部溫度場，依次含有以下步驟步驟(3.1)，采用正六面體網(wǎng)格和正四面體網(wǎng)格相結(jié)合的方案建立鎳氫電池單體的網(wǎng)格模型鎳氫電池單體網(wǎng)格模型中，集流體及其臨近的空間區(qū)域幾何形狀比較復(fù)雜，使用正四面體網(wǎng)格；其他空間區(qū)域幾何形狀比較簡單，使用正六面體網(wǎng)格；正六面體網(wǎng)格是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，正四面體網(wǎng)格是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所有的內(nèi)部點(diǎn)都具有相同的毗鄰單元，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的內(nèi)部點(diǎn)不具有相同的毗鄰單元；步驟(3.2)，采用Fluent軟件計算在自然風(fēng)冷條件下鎳氫電池單體在不同的充、放電電流，電池工作時間、電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和電池?zé)嵛镄詤?shù)下內(nèi)部的溫度場；步驟(4)，所述系統(tǒng)在忽略鎳氫電池荷電狀態(tài)SOC對電池單體內(nèi)外溫差影響的條件下，以自然對流散熱條件下的溫差為基準(zhǔn)，此時電池表面與周圍流體間的傳熱系數(shù)h＝5，按下式計算溫差ΔTΔT=β·k(I‾)·tm·h‾1n]]>其中 為變電流放電過程中電流I的平均電流，I‾=Σt=tj(Id·t)+Σt=tk(α·|Ic|·t)Σt=tit,]]>t為工作時間，i為t的序列號，α為相同的鎳氫電池單體內(nèi)外溫差所需的放電電流與充電電流之間的平均比例系數(shù)，取為1.695，Id為放電電流，對應(yīng)時刻為tj，Ic為充電電流，對應(yīng)時刻為tk，ti＝ti+tk，h‾=Σt=ti(hi·t)Σt=tit,]]> 為在t時間內(nèi)的傳熱系數(shù)平均值， 是在自然對流散熱條件下不同的 和工作時間對電池單體內(nèi)外溫差的耦合影響，其中tm描述工作時間對電池溫差的影響，為正數(shù)， 描述不同電流對電池溫差的影響，tm和 根據(jù)以下步驟得到首先，根據(jù)步驟(3)得到的在自然風(fēng)冷散熱條件下不同的電流恒流充電或恒流放電時，各條電池溫差隨時間變化的曲線，都具有冪函數(shù)特征這一共同點(diǎn)確定冪函數(shù)指數(shù)m基于諸多溫差曲線特征確定m的合適取值范圍為0.5～0.8，在此范圍內(nèi)用窮舉法來選取合適的m以確定出擬合各條溫差曲線的冪函數(shù)，確定m具體數(shù)值的依據(jù)是參數(shù)m及由m進(jìn)一步計算得到的 使得1CN充電過程電池內(nèi)外溫差的計算曲線和冪函數(shù)擬合曲線之間誤差最??；其次，采用溫差計算曲線與所擬合的冪函數(shù)曲線誤差最小的原則確定出各條擬合曲線 的系數(shù)a1、a2、a3；得到k(I‾)=a1(I‾CN)3+a2(I‾CN)2+a3(I‾CN)]]>，其中CN為電池的額定容量， 為以自然對流散熱條件下的溫差為基準(zhǔn)，描述電池散熱條件的電池內(nèi)外溫差的影響系數(shù)，所述的β、n按以下步驟得到首先，計算得到1CN充電電流下充電結(jié)束時不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對應(yīng)的電池溫差，從而得到不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對應(yīng)的溫差曲線，其次，以自然對流條件下的溫差為基準(zhǔn)，對所述溫差曲線進(jìn)行等比例的變換，得到1CN時不同表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對溫差的影響曲線，并確定整數(shù)n和系數(shù)β的值綜合影響曲線的特征及n為整數(shù)的要求確定n應(yīng)在2、3、4、5四個正整數(shù)中選取，使用窮舉法確定n和β具體數(shù)值，即依據(jù)計算曲線與擬合曲線誤差最小的原則，求得n在取為2、3、4和5時對應(yīng)的β值，從而得到四組(n，β)，在這四組(n，β)中選定誤差最小的為最終的參數(shù)；步驟(5)，計算機(jī)應(yīng)用電池溫差模型，得到電池內(nèi)部最高溫度點(diǎn)和表面各測溫點(diǎn)之間的溫差，把此各點(diǎn)溫差與相應(yīng)的各電池表面溫差測量值相加，得到電池內(nèi)部相對于外部環(huán)境的最高溫度。
全文摘要
本發(fā)明屬于電池組熱管理技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，基于實(shí)驗(yàn)得到鎳氫電池的平均比熱、生熱速率及電池平衡電動勢溫度影響系數(shù)；在計算機(jī)中，建立電池生熱模型，使用軟件Fluent得到電池內(nèi)部溫度場分布；再以自然風(fēng)冷條件下的溫差為基準(zhǔn)，以變電流放電過程的平均電流為輸入，建立一個同時反映電流、工作時間及電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對溫度影響的溫差模型；由于電池的內(nèi)外溫差曲線都具有冪函數(shù)特征，因而用冪函數(shù)擬合溫差曲線，從而得到溫差模型的各系數(shù)值；利用溫差模型算出溫差，再加上表面各點(diǎn)測溫值便可得到電池內(nèi)部的最高溫度，從而填補(bǔ)了空白。
文檔編號H01M10/30GK101013765SQ20071006306
公開日2007年8月8日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者林成濤, 田光宇, 仇斌, 陳全世, 韓曉東 申請人:清華大學(xué)