一种动力电池功率切换的仿真方法

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，具体涉及一种动力电池功率切换的仿真方法。

背景技术

动力电池若过充或过放会造成电池析锂，从而影响了电池的使用寿命以及使用安全，因此，动力电池在使用过程中需要控制在一定的电压范围内。

动力电池在截止电压范围内的使用过程中，不同的充放电时间下可以表现出不同的充放电性能，在充放电时间较短的情况下，动力电池可以回馈或释放出更大的功率，从而更好地提升车辆的动力性能，因此动力电池的使用既要保证在截止电压范围内使用，又需要考虑尽可能地提升其充放电性能。

动力电池的充放电功率按时间区分多为2s、5s、10s、30s功率map(假设电池温度、SOC不变，电池可以以2s恒功率进行充放电，放电过程中电池电压始终在截止电压范围内)，由于纯电动汽车电池总能量和质量较大，且电池充放电时间较短，因此动力电池功率切换试验可以认为电池的SOC以及温度不变；但是HEV电池总能量以及质量较小，充放电过程中电池SOC以及温度会产生较大波动，电池充放电功率map切换试验应考虑电池SOC以及温度的变化，实时调整电池充放电功率，否则会造成HEV电池在试验过程中出现过压或欠压的问题，最终导致试验失败。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种能够考虑电池温度、SOC对充放电性能的影响，使得HEV动力电池功率切换试验更加接近电池真实使用场景、从而提高试验真实性，保护电池在安全的电压使用区间内的动力电池充放电功率切换的仿真方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：所述的动力电池功率切换的仿真方法，包括以下步骤：

(1)建立用于模拟不同电池结构之间热交换过程的三维热仿真模型；

(2)根据步骤(1)建立的三维热仿真模型模拟出传热路径，并计算动力电池的最高、最低温度；

(3)建立一维仿真电热耦合模型，该一维仿真电热耦合模型包括电池电路模型和控制策略模型；

(4)通过电池电路模型模拟出整车对动力电池的充放电功率需求，通过计算得到的功率需求计算出动力电池的SOC值以及产热量，将计算得到的电池SOC值和产热量输出到控制策略模型以及三维热仿真模型；

(5)控制策略模型根据电池工作的环境温度选择电池的最高或最低温度作为电池的工作温度，并计算动力电池的温度选择、需求功率。

本方案通过一维与三维的联合仿真，利用一维电路模型准确地计算出电池产热量并反馈至三维热模型，从而有效提高三维热模型的仿真精度。本方案基于仿真方法实现了实时计算出电池在功率切换过程中温度、SOC的变化，利用三维仿真模型计算电池的温度、利用一维电路模型和策略模型计算每个时刻的产热、SOC和电池最大许用充放电功率值后输入试验设备，从而有效避免试验过程中电池过压或欠压故障，进而真实地模拟出车辆实际运行时的功率切换状态。

进一步地，在步骤(1)中，三维热仿真模型包括上盖、电池包内部空气、电连接件、电芯、导热胶、水冷板、端板、箱体、底护板和冷却液，电芯在充放电过程中产生的热量以对流换热、热传导的方式向电池包内部空气、冷却液、上盖、电连接件、导热胶、水冷板、端板、箱体和底护板传递。

进一步地，在步骤(3)中，电池电路模型包括电池模拟元件、SOC截止条件控制元件、SOC元件、负载模拟元件、负载消耗模拟元件、电压监测元件、电池产热量元件、最终温度元件，负载模拟元件与负载消耗模拟元件相连接，负载消耗模拟元件的功率值由控制策略模型计算后输入，并将该功率需求输入至电池模拟元件；在该过程中，一维仿真电热耦合模型用于模拟电池的充放电过程，负载模拟元件与负载消耗模拟元件连接，用于模拟整车对动力电池的充放电功率需求，电池模拟元件可以模拟出电池的电化学反应过程，并实时计算出动力电池的SOC值以及产热量。

进一步地，SOC元件和电池产热量元件分别与电池模拟元件连接，在该过程中，电池模拟元件计算出的电池SOC和产热量信号输出至控制策略模型以及三维热仿真模型。

进一步地，SOC截止条件控制元件与电池模拟元件连接，用来定义动力电池的SOC区间，当电池模拟元件在充放电过程中达到某SOC值，则该模型停止运行，开始运行下一个工况；电压监测元件并联在电路模型中，用来监测动力电池的实时电压，控制策略模型根据电池工作的环境温度选择电池的最高、最低温度作为电池的工作温度，通过最终温度元件输入至电池模拟元件。

进一步地，控制策略模型包括电池温度策略模型、截止电压保护策略模型、功率切换策略模型。

进一步地，电池温度策略模型包括电池产热量元件、电池最高温度元件、电池最低温度元件、环境温度元件、选择元件、最终温度元件、三维接口元件；其中，电池产热量元件与三维接口元件连接，并将电池模拟元件计算得到的电池产热量输入至三维热仿真模型，用于计算动力电池的温升；三维接口元件与电池最高温度元件和电池最低温度元件连接，并将三维热仿真模型计算得到的电池最高、最低温度输入至一维仿真电热耦合模型中；

环境温度元件与选择元件连接，电池最高温度元件、电池最低温度元件与选择元件连接共同实现当环境温度高于预设温度T0时，通过最终温度元件输出电池最高温度，低于T0时，输出电池最低温度。

进一步地，截止电压保护策略模型包括了三个子模型，其由电压监测元件、电压判断元件、环境温度元件、温度判断元件、电压保护触发元件和电压触发截止元件构成；

将环境温度分为三个梯度，分别是Tb≥T、Ta≥T＞Tb、T＞Ta，其中环境温度：T、温度1：Ta、温度2：Tb；环境温度元件输入环境温度至温度判断元件，根据环境温度、电压截止范围的不同区分有多个子模型，当Tb≥T时，子模型1运行，电压监测元件将电池电压输入至电压判断元件；电压判断元件判断电池电压是否在截止范围V1-V2区间内，若电压在截止范围外则触发电压保护策略输出信号1至电压保护触发元件，电压保护触发元件将该截止信号输入电压触发截止元件，保护策略触发完成；任一触发子模型截止条件则该仿真过程停止。

进一步地，功率切换策略模型包括最终温度元件、SOC元件、30s充放电功率map、2s充放电功率map、10s充放电功率map、最低使用功率、功率选择元件、数值比较元件、map选择元件、环境温度元件、时间记录元件、许用功率结果元件和状态跳转元件；

通过最终温度元件、SOC元件、30s充放电功率map、2s充放电功率map和10s充放电功率map组合得到当前的电池许用功率，将最低使用功率、功率选择元件与10s充放电功率map查表后输出的功率进行对比，若10s充放电功率map查表值输出的功率值小于最低使用功率，则输出最低使用功率；

数值比较元件对10s充放电功率map和2s充放电功率map的输出值进行比较，若2s充放电功率map大于10s充放电功率map，则输出2s充放电功率map，否则输出10s充放电功率map；

分别将30s充放电功率map查表值、10s充放电功率map查表值和2s充放电功率查表值输入至状态跳转元件，状态跳转元件根据开始充放电的时间，分别选取2s充放电功率map、10s充放电功率map和30s充放电功率map，其中由2s过渡至10s充放电功率map，过渡时间为time01。

进一步地，2s-10s充放电功率map过渡期间功率计算方式如下：

p＝charge2+(clock-time01)*(charge10-charge2)/time01，其中，p为许用功率，charge2为2s充放电功率查表值，clock为时间，charge10为10s充放电功率查表值；

10s-30s充放电功率map过渡期间功率计算方式如下：

p＝charge10+(clock-10)*(charge30-charge10)/time01，其中，charge30为30s充放电功率查表值；

在非过渡期间使用该时间段map查表值：

当充放电时间clock≤2s，跳转至State001并输出许用功率值；

当充放电时间2＜clock≤2+time01s，跳转至State002并输出许用功率值；

当充放电时间2+time01s＜clock≤10s，跳转至State003并输出许用功率值；

当充放电时间10＜clock≤10+time01s，跳转至State004并输出许用功率值；

当充放电时间10+time01s＜clock≤30s，跳转至State005并输出许用功率值。

与现有技术相比，本发明中，采用一维仿真电热耦合模型的电池电路模型来接收三维热仿真模型的电池最高温度、最低温度，并计算动力电池在充放电过程中，每个时刻的SOC变化值和电池产热量，并将该SOC值输出至功率map切换策略模型，将产热量输出至三维热仿真模型的电芯，控制策略模型根据接收到的三维热仿真模型的电池最高、最低温度、一维仿真电热耦合模型的电池SOC值等参数，根据查表法和上述计算公式计算出每个时刻电池的许用功率。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本实施例中三维热仿真模型的立体结构示意图；

图2为本实施例中三维热仿真模型的内部平面结构示意图；

图3为本实施例中三维仿真电池温度结果示意图；

图4为本实施例中电池电路模型的结构示意图；

图5为本实施例中电池电路模型的工作过程图；

图6为本实施例中动力电池产热、SOC仿真结果示意图；

图7为本实施例中电池温度策略模型的结构示意图；

图8为本实施例中电池温度策略模型的工作过程图；

图9为本实施例中截止电压保护策略模型的结构示意图；

图10为本实施例中截止电压保护策略模型的工作过程图；

图11为本实施例中保护策略触发和未触发状态对比图；

图12为本实施例中功率切换策略模型的结构示意图；

图13为本实施例中功率map示意图；

图14为本实施例中许用功率值输出示意图；

图15为本实施例中电池最大许用功率值示意图；

图16为本实施例的整体仿真原理示意图。

图中：1-上盖、2-电池包内部空气、3-电连接件、4-电芯、5-导热胶、6-水冷板、7-端板、8-箱体、9-底护板、10-冷却液、11-电池模拟元件、12-SOC截止条件控制元件、13-SOC元件、14-负载模拟元件、15-负载消耗模拟元件、16-电压监测元件、20-电池产热量元件、26-最终温度元件、21-电池最高温度元件、22-电池最低温度元件、23-环境温度元件、25-选择元件、27-三维接口元件、29-温度判断元件、30-电压保护触发元件、31-电压触发截止元件、32-30s充放电功率map、33-2s充放电功率map、34-10s充放电功率map、35-最低使用功率、36-功率选择元件、37-数值比较元件、38-map选择元件、40-时间记录元件、43-许用功率结果元件、44-状态跳转元件。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的动力电池功率切换的仿真方法，包括以下步骤：

(1)建立用于模拟不同电池结构之间热交换过程的三维热仿真模型；

在该步骤中，如图1和2所示，三维热仿真模型包括了上盖1、电池包内部空气2、电连接件3、电芯4、导热胶5、水冷板6、端板7、箱体8、底护板9和冷却液10；

在该过程中，三维热仿真模型用于模拟不同电池结构之间的热交换，电芯4在充放电过程中会产生热量，一部分热量会导致电芯4产生温升，另一部分热量则会以对流换热、热传导的方式向电池包内部空气2、冷却液10、上盖1、电连接件3、导热胶5、水冷板6、端板7、箱体8、底护板9传递。

(2)利用三维热仿真模型来模拟出该传热路径，计算动力电池的最高、最低温度；

在本实施例中，三维仿真电池温度如图3所示；

(3)建立一维仿真电热耦合模型，该一维仿真电热耦合模型包括电池电路模型和控制策略模型；

其中，如图4所示，电池电路模型包括电池模拟元件11、SOC截止条件控制元件12、SOC元件13、负载模拟元件14、负载消耗模拟元件15、电压监测元件16、电池产热量元件20、最终温度元件26；

在该过程中，一维仿真电热耦合模型用于模拟电池的充放电过程，其中负载模拟元件14与负载消耗模拟元件15连接，用于模拟整车对动力电池的充放电功率需求，负载消耗模拟元件15的具体功率值由控制策略模型计算后输入至该元件，并将该功率需求输入至电池模拟元件11，电池模拟元件11模拟出电池的电化学反应过程，实时计算出动力电池的SOC值以及产热量；

SOC元件13和电池产热量元件20分别与电池模拟元件11连接，在该过程中，电池模拟元件11计算出的电池SOC和产热量信号输出至控制策略模型以及三维热仿真模型；SOC截止条件控制元件12与电池模拟元件11连接，用来定义动力电池的运行SOC区间，当电池模拟元件11在充放电过程中达到某SOC值，则该模型停止运行，开始运行下一个工况；

电压监测元件16并联在模拟电路模型中，用来监测动力电池的实时电压，控制策略模型根据电池工作的环境温度选择电池的最高、最低温度作为电池的工作温度，通过最终温度元件26输入至电池模拟元件11，其工作过程如图5所示。

(4)通过电池电路模型模拟出整车对动力电池的充放电功率需求，通过计算得到的功率需求计算出动力电池的SOC值以及产热量，将计算得到的电池SOC值和产热量输出到控制策略模型以及三维热仿真模型，动力电池产热、SOC仿真结果如图6所示；

(5)控制策略模型根据电池工作的环境温度选择电池的最高或最低温度作为电池的工作温度，并计算动力电池的温度选择、需求功率。

控制策略模型用于对动力电池温度选择、需求功率进行计算，并实现电压保护策略。该模型主要由电池温度策略模型、截止电压保护策略模型和功率切换策略模型三部分组成。

如图7所示，电池温度策略模型包括电池产热量元件20、电池最高温度元件21、电池最低温度元件22、环境温度元件23、选择元件25、最终温度元件26和三维接口元件27，其工作原理为，电池产热量元件20与三维接口元件27连接，将电池模拟元件1计算得到的电池产热量输入至三维热仿真模型，用于计算动力电池的温升。三维接口元件27与电池最高温度元件21、电池最低温度元件22连接，并能够将三维热仿真模型计算得到的电池最高、最低温度输入至一维仿真模型中。环境温度元件23与选择元件25连接，电池最高温度元件21、电池最低温度元件22与选择元件25连接共同实现当环境温度高于某一温度T0时，输出电池最高温度，低于T0时，输出电池最低温度，该温度值通过最终温度元件26输出，其工作过程如图8所示。

如图9所示，截止电压保护策略模型包括了三个子模型，其主要由电压监测元件16、电压判断元件27、环境温度元件23、温度判断元件29、电压保护触发元件30和电压触发截止元件31构成。

该模型的工作原理为，由于环境温度的不同，触发动力电池过压或欠压的阈值不同，在本方案中，将环境温度分为三个梯度，分别是Tb≥T、Ta≥T＞Tb、T＞Ta，其中环境温度：T、温度1：Ta、温度2：Tb；同时，对应的动力电池电压使用区间分别为V1-V2、V3-V4、V5-V6(V1、V2、V3、V4、V5、V6分别为不同的电压值，具数值根据电池实际情况定义)。环境温度元件23输入环境温度至温度判断元件29，当Tb≥T时，触发子模型1运行，电压监测元件16将电池电压输入至电压判断元件27，该元件判断电池电压是否在截止范围V1-V2区间内，如该电压在截止范围外则触发截止电压保护策略输出信号1至电压保护触发元件30，电压保护触发元件30将该截止信号输入电压触发截至元件31，该保护策略触发完成，仿真停止，起到了保护电池的作用。子模型2、子模型3的触发原理与子模型1相同，区别在于不同的环境温度电压截止范围，3个子模型任一触发截止条件则该仿真即刻停止，其工作过程如图10所示。图11为该保护策略触发和未触发状态对比(该策略触发后模型停止运行，避免电池过压或欠压)。

如图12所示，功率切换策略模型包括最终温度元件26、SOC元件13、30s充放电功率map32、2s充放电功率map33、10s充放电功率map34，最低使用功率35、功率选择元件36、数值比较元件37、map选择元件38、环境温度元件23、时间记录元件40、许用功率结果元件43、状态跳转元件44。

其中最终温度元件26、SOC元件13、30s充放电功率map32、2s充放电功率map33、10s充放电功率map34组合，该组合元件可实现根据不同的动力电池温度、SOC，查表得到当前的电池许用功率，功率map如图13所示(电池不同的充放电时间、温度、SOC对应不同的许用功率)。

将最低使用功率35、功率选择元件36与10s充放电功率map34查表后输出的功率进行对比，如果10s充放电功率map34查表值输出的功率值小于最低使用功率35，则输出最低使用功率35，保证该充放电功率过程有一个最低使用功率，数值比较元件37对10s充放电功率map34和2s充放电功率map33输出值进行比较，如果2s充放电功率map33大于10s充放电功率map34，则输出2s充放电功率map，否则输出10s充放电功率map，该比较是为了确保该充放电功率map能够尽可能地输出较大值；30s充放电功率map查表值、10s充放电功率查表值、2s充放电功率map查表值将计算结果分别输入至状态跳转元件44，状态跳转元件44根据开始充放电的时间，分别选取2s充放电功率map、10s充放电功率map、30s充放电功率map，其中由2s过渡至10s充放电功率map，过渡时间为time01(2至2+time01；10至10+time01为功率过渡期间)。

2s-10s充放电功率map过渡期间功率计算方式如下：

p＝charge2+(clock-time01)*(charge10-charge2)/time01，其中，p为许用功率，charge2为2s充放电功率查表值，clock为时间，charge10为10s充放电功率查表值；

10s-30s充放电功率map过渡期间功率计算方式如下：

p＝charge10+(clock-10)*(charge30-charge10)/time01，其中，charge30为30s充放电功率查表值；

如图14所示，在非过渡期间使用该时间段map查表值：

当充放电时间clock≤2s，跳转至State001并输出许用功率值；

当充放电时间2＜clock≤2+time01s，跳转至State002并输出许用功率值；

当充放电时间2+time01s＜clock≤10s，跳转至State003并输出许用功率值；

当充放电时间10＜clock≤10+time01s，跳转至State004并输出许用功率值；

当充放电时间10+time01s＜clock≤30s，跳转至State005并输出许用功率值。

在本实施例中，电池充放电最大许用功率计算值如下(电池需用功率随着SOC、温度的变化也产生变化，从而保证电池的使用时刻在目标电压范围内)查表以及计算的电池最大许用功率值如图15所示。

与现有技术相比，本发明中，采用一维仿真电热耦合模型的电池电路模型来接收三维热仿真模型的电池最高温度、最低温度，并计算动力电池在充放电过程中，每个时刻的SOC变化值和电池产热量，并将该SOC值输出至功率map切换策略模型，将产热量输出至三维热仿真模型的电芯4，控制策略模型根据接收到的三维热仿真模型的电池最高、最低温度、一维仿真电热耦合模型的电池SOC值等参数，根据查表法和上述计算公式计算出每个时刻电池的许用功率，本发明整体的仿真原理如图16所示。

整体上，本方案通过一维与三维的联合仿真，利用一维电路模型准确地计算出电池产热量并反馈至三维热模型，从而有效提高三维热模型的仿真精度。本方案基于仿真方法实现了实时计算出电池在功率切换过程中温度、SOC的变化，利用三维仿真模型计算电池的温度、利用一维电路模型和策略模型计算每个时刻的产热、SOC和电池最大许用充放电功率值后输入试验设备，从而有效避免试验过程中电池过压或欠压故障，进而真实地模拟出车辆实际运行时的功率切换状态。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。