[发明专利]一种基于本征正交分解的动力锂电池热模型构建方法

说明书

本发明提供了一种基于本征正交分解的动力锂电池热模型构建方法，涉及自主式水下航行器的锂电池管理技术领域，该方法包括：步骤S1：基于锂离子电池的电化学、产热和传热特性，利用激励响应法辨识电化学的相关参数；步骤S2：在COMSOL中建立液冷电池系统的有限元仿真模型，并在不同工况下进行仿真，提取温度场和流场的仿真结果构成样本的数据空间，在此样本空间中，利用本征正交分解分别提取温度场和流场的POD模态，并筛选特征占比大的相关模态；步骤S3：结合伽辽金投影，分别对流场和温度场进行降阶，并通过换热系数将二者耦合，得到液冷电池系统的降阶热模型；步骤S4：通过与有限元模型的仿真结果进行对比,表明降阶热模型具有较高的精度和计算效率,并根据所述热模型对电池温度进行调控。

技术领域

本发明涉及自主式水下航行器的锂电池管理技术领域，具体地，涉及一种基于本征正交分解的动力锂电池热模型构建方法。

背景技术

近年来，自主式水下航行器作为一种综合了人工智能和其他先进计算技术的任务控制器动态观测平台，凭借其噪声低、结构简单、易充能等优点,在海底探测和水下巡逻发挥重要作用，得以迅速发展。其能量通常由锂电池成组提供，而锂离子电池的性能、寿命和安全性与电池的工作温度密切相关。由于锂电池成组使用会产生大量热量，且水下航行器内部空气流通差,如果热量不能很快传递出去，将会导致电池组温度迅速升高，从而造成动力电池的可用容量降低和循环寿命缩短，导致电池热管理性能下降甚至发生爆炸。因此为了在保证电池寿命的前提下充分发挥电池的性能，需要对密闭舱段电池组温度场进行热分析，获取电池组在工作过程中温度场分布情况，来设计一套电池热管理系统，使电池工作在合适的温度范围内，这对维持电池组的安全性等性能以及水下航行器的高效稳定运行具有重要意义。

目前锂电池的热模型主要分为两类：基于内部机理类的面向设计的热模型和基于等效电路类的面向控制的热模型，基于内部机理类的热模型虽能准确模拟电池的生热传热规律以及内部温度分布，但是模型过于复杂而导致计算量过大难以在实际中应用，基于等效电路类的热模型由于过于简单，无法较准确地获取电池内部温度分布而适用范围不宽。本发明给出的技术能够在保持模型精度的同时，提高模型的计算效率对三元锂电池进行建模，能够为实现锂离子电池组的温度控制策略设计提供理论基础。

发明内容

有鉴于此,本发明提供一种基于本征正交分解的动力锂电池热模型构建方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

步骤S1：基于锂离子电池的电化学、产热和传热特性，利用激励响应法辨识电化学的相关参数；

步骤S2：在COMSOL中建立液冷电池系统的有限元仿真模型，并在不同工况下进行仿真，提取温度场和流场的仿真结果构成样本的数据空间，在此样本空间中，利用本征正交分解分别提取温度场和流场的POD模态，并筛选特征占比大的相关模态；

步骤S3：结合伽辽金投影，分别对流场和温度场进行降阶，并通过换热系数将二者耦合，得到液冷电池系统的降阶热模型；

步骤S4：通过与有限元模型的仿真结果进行对比,表明降阶热模型具有较高的精度和计算效率,并根据所述热模型对电池温度进行调控。

优选的，所述步骤S1具体包括：

步骤S11：根据锂离子电池的电化学工作原理，建立改进的单粒子模型(SP+模型)，用来描述锂离子电池的电化学性能。

步骤S12：对于SP+模型中的参数以方形铝壳三元锂离子电池为研究对象，采用充放电测试仪，通过对电池施加辨识工况，可以得到相关参数。

步骤S13：通过锂离子电池的开路电势E_OCV减去端电压U后与电流相乘计算得到极化热和欧姆热。忽略副反应热。当电池放电时，反应热置为正，当电池充电时，反应热置为负。锂离子电池在充放电过程中单位体积的产热速率q_bat就可以由下式给出。对于本发明所研究的三元锂离子电池，取ε≈0.22mV/K。